CN104874538B - 一种弯曲模态磁致伸缩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种弯曲模态磁致伸缩传感器，包括铁磁性材料圆柱壳、柔性印刷线圈、以及永磁磁路等部分。其中，铁磁性材料圆柱壳套装于微细圆管外侧，采用环氧树脂粘接于微细圆管表面，永磁磁路提供特定的磁场对铁磁性材料圆柱壳进行磁化，形成利于弯曲模态激发的静态磁场分布。柔性印刷线圈中通入交流信号，产生动态磁场，铁磁性材料圆柱壳的截面位移分布将符合弯曲模态的截面振动形式，最终在微细圆管中形成弯曲模态超声导波。通过调整永磁磁路中永磁体的安装方式，传感器可激励出不同阶次的弯曲模态超声导波。

Description

一种弯曲模态磁致伸缩传感器
技术领域
本发明为一种弯曲模态磁致伸缩传感器，属于电磁声传感器技术领域，可在微细圆管中激励和接收弯曲模态超声导波。
背景技术
圆管中的导波类别有轴对称型和非轴对称型，前者分为纵向和扭转两种模态，后者只有弯曲模态。在超声无损检测领域中，应用扭转模态和纵向模态进行缺陷检测、定位的报道已经屡见不鲜。由于弯曲模态波结构的复杂性，较难设计专用传感器以激励出纯净的弯曲模态超声导波。因此，在工程实践中应用弯曲模态超声导波进行无损检测的研究较少。J.L.Rose等学者在《Guided waves by axisymmetric and non-axisymmetric surfaceloading on hollow cylinders》中采用梳状换能器激励出弯曲模态导波对管材进行检测，证明了弯曲模态检测缺陷的可能性，并提出从缺陷反射回来的弯曲模态信号中可能包含缺陷的圆周位置信息及缺陷大小信息；Y.Y.Kim等在《The optimal design andexperimental verification of the bias magnet》中采用拓扑优化算法，设计出一种可以激励较为纯净的F(1,2)模态超声导波的传感器磁路，但结构较为复杂，不适用于实际应用。上述研究仅限于大直径管道，且无法直接移植用于微细圆管结构。本发明的目的在于设计一种简洁的可以在微细圆管中激励和接收弯曲模态超声导波的磁致伸缩传感器。
发明内容
本发明的目的在于设计一种弯曲模态磁致伸缩传感器，用于在微细圆管中激励和接收弯曲模态超声导波，并且可通过调整永磁磁路中永磁体数量与安装方式实现一阶弯曲模态与二阶弯曲模态的激励。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种弯曲模态磁致伸缩传感器，包括铁磁性材料圆柱壳1，永磁磁路2以及柔性印刷线圈3；
所述的一种弯曲模态磁致伸缩传感器，其特征在于，柔性印刷线圈3包覆在铁磁性材料圆柱壳1外侧，整体嵌套入有机玻璃外壳6内，再套装于微细圆管4外侧，铁磁性材料圆柱壳1与微细圆管4间采用环氧树脂5进行粘接；永磁磁路2以特定方式放置于上述组件外侧并固定。在柔性印刷线圈3中通入交流信号，产生沿微细圆管轴向的交变磁场。其中铁磁性材料圆柱壳1周长可根据实际检测微细圆管直径调整。
采用单个永磁体的永磁磁路2具有两种安装方式，分别使得永磁体内部磁通方向S-N与正对的微细圆管4表面的切向方向相平行或垂直；采用两个永磁体的永磁磁路2具有四种安装方式，分别以铁磁性材料圆柱壳1的几何中心为对称中心进行布置。
永磁磁路2中的永磁体数量N和安装方式会影响铁磁性材料圆柱壳1中的静态磁场分布以及磁场强度，其中N＝1或2；铁磁性材料圆柱壳1中可形成共6种不同的静态磁场分布：永磁磁路2采用1个永磁体时，无论安装方式如何改变，都将在铁磁性材料圆柱壳1中形成两条关于径向对称的磁通路，此时传感器能激励出一阶弯曲模态；永磁磁路2采用2个永磁体时，若磁极同向放置，可在铁磁性材料圆柱壳1中形成两条关于径向对称的磁通路，传感器能激励出一阶弯曲模态；若磁极反向放置，则可在铁磁性材料圆柱壳1中形成四条关于径向对称的磁通路，传感器能激励出二阶弯曲模态。
本发明可以获得如下有益效果：
本发明采用以上技术方案，使得弯曲模态磁致伸缩传感器可实现在微细圆管中激励和接收弯曲模态超声导波，并且通过调整永磁磁路中永磁体的数量和磁极方向可实现一阶弯曲模态与二阶弯曲模态超声导波的选择性激励。
附图说明
图1采用1个永磁体的传感器结构示意图；
图2采用2个永磁体的传感器结构示意图；
图3永磁体磁极纵向时的传感器横截面图；
图4永磁体磁极横向时的传感器横截面图；
图5永磁体磁极纵向时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图6永磁体磁极横向时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图7两个永磁体纵向且同向放置时的传感器横截面图；
图8两个永磁体横向且同向放置时的传感器横截面图；
图9两个永磁体横向且反向放置时的传感器横截面图；
图10两个永磁体纵向且反向放置时的传感器横截面图；
图11两个永磁体纵向且同向放置时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图12两个永磁体横向且同向放置时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图13两个永磁体横向且反向放置时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图14两个永磁体纵向且反向放置时铁磁性材料圆柱壳中磁场分布图；
图15传感器在微细圆管上的安装位置示意图；
图16典型的弯曲模态检测回波信号图；
图17弯曲模态回波信号的时频分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
如图1、图2为弯曲模态磁致伸缩传感器结构示意图。图1为采用1个永磁体的传感器结构示意图，图2采用2个永磁体的传感器结构示意图。一种弯曲模态磁致伸缩传感器，由铁磁性材料圆柱壳1，永磁磁路2和柔性印刷线圈3组成。其中柔性印刷线圈3直接包覆在铁磁性材料圆柱壳1外表面，两者嵌装在有机玻璃外壳6内，再整体安装于微细圆管4外侧，铁磁性材料圆柱壳1与微细圆管4间采用环氧树脂5进行粘接；永磁磁路2可采用1或2个永磁体，以特定方式放置在微细圆管4外侧。当柔性印刷线圈3中通入交流信号，将产生沿微细圆管轴向的交变磁场。其中铁磁性材料圆柱壳1周长可根据实际检测微细圆管直径调整。
采用单个永磁体的永磁磁路2具有两种安装方式，分别使得永磁体内部磁通方向S-N与正对的微细圆管4表面的切向方向相平行或垂直；采用两个永磁体的永磁磁路2具有四种安装方式，分别以铁磁性材料圆柱壳1的几何中心为对称中心进行布置。永磁磁路2中的永磁体数量N和安装方式会影响铁磁性材料圆柱壳1中的静态磁场分布以及磁场强度，其中N＝1或2；铁磁性材料圆柱壳1中可形成共6种不同的静态磁场分布：当永磁磁路2采用1个永磁体提供静态偏置磁场时，永磁磁路2的放置可有图3、图4两种方式。当分别采用上述两种放置方式时，根据COMSOL软件仿真结果，铁磁性材料圆柱壳1中的磁路如图5、图6所示，由弯曲模态在微细圆管中的产生原理可知，传感器能激励出一阶弯曲模态超声导波。当永磁磁路2采用2个永磁体提供静态偏置磁场时，调整永磁磁路2的磁极方向，可有四种不同的放置方式，分别如图7、图8、图9、图10所示。当分别采用这四种放置方式时，根据COMSOL软件仿真结果，铁磁性材料圆柱壳1中的磁路分别如图11、图12、图13、图14所示。其中，图11、图12的铁磁性材料圆柱壳1中形成了关于径向对称的两条磁路，由弯曲模态在微细圆管中的产生原理可知，此时传感器可以激励出一阶弯曲模态超声导波；图13、图14的铁磁性材料圆柱壳1中形成了关于径向对称的四条磁路，由弯曲模态在微细圆管中的产生原理可知，此时传感器可以激励出二阶弯曲模态超声导波。
基于以上所提供的实施方式，下面提供1种具体实施实例。
传感器安装于内径2mm、外径2.5mm的钢质微细圆管中，距离左侧端部约150mm，距离右侧端部约350mm，如图15所示。永磁磁路2采用图3所示的放置方式，传感器在微细圆管中激励产生中心频率为1024kHz的超声导波，导波将沿微细圆管两侧传播。传感器接收的时域信号波形如图16所示，共接收到两个明显的波包信号。其中，标记为“T1”的波包信号为微细圆管左端面的回波信号，标记为“T2”的波包信号为微细圆管右端面的回波信号。对波包“T1”做时频分析，处理如图16所示。为分析导波的模态，将理论计算所得的弯曲模态频散曲线绘制于图16，其中虚线代表F(1,1)模态，实线代表F(1,2)模态，点划线代表F(1,3)模态。可以看出，超声导波能量主要集中于F(1,2)模态和F(1,3)模态，表明本发明所论述的传感器可有效激励产生弯曲模态。

Claims (1)

1.一种弯曲模态磁致伸缩传感器，包括铁磁性材料圆柱壳(1)，永磁磁路(2)以及柔性印刷线圈(3)；其特征在于，柔性印刷线圈(3)包覆在铁磁性材料圆柱壳(1)外侧，整体嵌套入有机玻璃外壳(6)内，再套装于微细圆管(4)外侧，铁磁性材料圆柱壳(1)与微细圆管(4)间采用环氧树脂(5)进行粘接；
采用单个永磁体的永磁磁路(2)具有两种安装方式，分别使得永磁体内部磁通方向S-N与正对的微细圆管(4)表面的切向方向相平行或垂直；采用两个永磁体的永磁磁路(2)具有四种安装方式，分别以铁磁性材料圆柱壳(1)的几何中心为对称中心进行布置；
永磁磁路(2)中的永磁体数量N和安装方式会影响铁磁性材料圆柱壳(1)中的静态磁场分布以及磁场强度，其中N＝1或2；铁磁性材料圆柱壳(1)中形成共6种不同的静态磁场分布：永磁磁路(2)采用1个永磁体时，在铁磁性材料圆柱壳(1)中形成两条关于径向对称的磁通路，此时传感器能激励出一阶弯曲模态；永磁磁路(2)采用2个永磁体时，若磁极同向放置，在铁磁性材料圆柱壳(1)中形成两条关于径向对称的磁通路，传感器能激励出一阶弯曲模态；若磁极反向放置，在铁磁性材料圆柱壳(1)中形成四条关于径向对称的磁通路，传感器能激励出二阶弯曲模态。
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