CN105548372A - 基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器及制作和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器及制作和使用方法，包括倒U型磁路和直线型磁路，在倒U型磁路的上侧绕有数层多匝线圈。倒U型磁路两侧下端分别与直线型磁路两端上侧固定连接，在直线型磁路两端与倒U型磁路两下端连接处外侧分别吸附一块永磁体构成磁回路。在直线型磁路上涂覆一层绝缘漆，干燥后平行贴合于被测管道上。向线圈中通入交变电流，直线型磁路的振动传入管道中使管道产生导波。本发明将线圈与直线型磁路分离，使直线型磁路的振动可更好地耦合到管道中。本发明的管道导波传感器耦合效率高、工作频率范围大、信号幅值高、分辨率好，制作和使用方便、快捷。

Description

基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器及制作和使用方法
技术领域
本发明涉及一种管道的无损检测装置，特别涉及一种管道导波传感器的制作和使用方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
管道输送具有运输量大、损耗低、速度快等优势，在国防、能源、工业应用等领域正发挥着越来越重要的作用。与此同时，管道泄漏事故的频繁发生也带来了极大的经济损失及对生命安全造成极大的威胁。因此，对管道的维护及安全监测具有重要的意义。常规检测有射线检验、超声检测、磁粉检测和液体渗透检测等。但这些常规检测往往费时费力。而超声导波技术由于能实现大长度一次快速检测及在管道完整性评估上的优势受到了无损检测领域的广泛关注。
管道导波检测技术是一种用于长管道的无损检测技术，它通过在被测物体内激励机械振动来产生弹性导波，导波会沿着管壁传播。当遇到缺陷时，由于声阻抗的不同，一部分能量会被反射形成波包，且由于传输波的频率较低可以一次检测较长的管道，通过对各个波包的研究，可以找出各缺陷的位置和大小。
目前，常用的超声导波产生方法主要有两种，第一种是激励压电材料（如常用PZT材料）产生振动，将振动耦合入管道引起管道的机械振动并产生导波。该方法受限于敏感材料PZT本身的性能，驱动力不够高，制造的探头的信噪比较低。第二种方法是基于磁致伸缩效应方法，磁致伸缩效应是指材料由于所处磁场发生改变而产生其在形状和尺寸上的变化的效应，简言之就是随着磁场的变化，材料的尺寸会发生变化。当施加以交变磁场时，材料就会反复伸长和缩短，产生振动和声波，从而将电磁能转化为机械能或声能。通过U型磁轭及磁轭两端的永磁铁在被测钢管上产生一偏置磁场，然后在管道上绕制线圈，在线圈中通以交变电流产生交变磁场，管道在叠加磁场中产生振动，振动的传播形成导波，这种检测方法由于钢管本身磁致伸缩系数较小，其能量转换效率较低，故得到的损伤信号很弱。
与传统的压电陶瓷材料相比，作为一种新型的巨磁致伸缩材料铽镝铁（以下简称Terfenol-D）具有应变大、能量密度高、响应速度快等特点，在室温下Terfenol-D的磁致伸缩应变值是压电陶瓷的5～10倍，能量密度是压电陶瓷的10～14倍，能量转换系数高达0.7，响应时间可达微妙级，频率特性好，工作频带宽。Terfenol-D将会成为一种能够替代压电陶瓷的功能材料，具有远大的前景。目前Terfenol-D已被用于微位移制动器、力传感器执行器、水声换能器等领域。
CN104122329A的专利申请公布说明书公开了一种“基于磁致伸缩导波的检测传感器及检测系统及应用”的发明专利申请，该传感器用于换热管的检测，它是利用管道本身的磁致伸缩性能产生导波，并用另一线圈接收导波，该法得到的信号弱，且不能应用于非导磁材料制成管道的无损检测。
发明内容
本发明提出了一种基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器及制作和使用方法，采用Terfenol-D材料制作的管道导波传感器，利用该管道导波传感器在管道中产生导波对管道进行检测。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，包括软磁材料制成的倒U型磁路和巨磁致伸缩材料制成的直线型磁路，在倒U型磁路外表面涂覆绝缘漆，并在倒U型磁路的上侧绕有数层多匝线圈。倒U型磁路两侧的竖直边下端分别与直线型磁路两端上侧固定连接，在直线型磁路两端与倒U型磁路两下端连接处外侧分别吸附一块永磁体构成磁回路，永磁体和磁回路两端的连接面分别为S和N极。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
前述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其中所述巨磁致伸缩材料为铽镝铁。所述软磁材料为坡莫合金；永磁体材料为钕铁硼。
前述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其中所述管道导波传感器的倒U型磁路厚度为1～2mm，高度为5～6mm，长度为20～22mm；倒U型磁路的上侧边宽度为2～3mm，倒U型磁路两侧的竖直边的宽度为4～5mm。
前述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其中在直线型磁路绕有200～600匝漆包线线圈。
一种基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器的制作及使用方法，包括以下步骤：
1）在倒U型磁路的上侧边用漆包线绕出200～600匝的线圈，并将倒U型磁路两侧的竖直边下端粘接固定在直线型磁路两端；
2）将永磁体分别吸附在直线型磁路两端与倒U型磁路两下端连接处；两永磁体和直线型磁路两端的连接面分别为S和N极；
3）然后将直线型磁路浸润在绝缘漆池中，使得直线型磁路涂覆一层绝缘漆，干燥后平行贴合于被测管道上；
4）向线圈中通入交变激励电流，巨磁致伸缩材料制成的直线型磁路在偏置磁场的作用下开始振动，将该振动传入管道，从而在管道中形成导波。
本发明由永磁铁提供偏置磁场，由交变线圈提供交变磁场，在变化的磁场下Terfenol-D材料产生振动，通过将Terfenol-D材料贴附到管道上使得振动传导到管道中去，在管道中产生导波对管道的缺陷进行检测。本发明所提出的管道导波传感器将线圈与作为振动元件的Terfenol-D制成的直线型磁路分离，使得直线型磁路的振动可以更好地与管道耦合。本发明的管道导波传感器具有能量耦合效率高、工作频率范围大、信号幅值高、分辨率好等优点，在无损检测领域具有广阔的应用前景，其制作及使用方法方便、快捷。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
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。
如图1所示，本实施例基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，包括软磁材料制成的倒U型磁路1和Terfenol-D制成的直线型磁路2，在倒U型磁路1外表面采用浸润方法涂覆绝缘漆，在倒U型磁路1的上侧边11绕有数层共400匝的线圈12，倒U型磁路1两侧的竖直边13下端分别与直线型磁路2两端上侧用环氧树脂胶粘接固定。在直线型磁路2两端与倒U型磁路1两下端连接处外侧分别吸附一块永磁体3构成磁回路，永磁体3和磁回路两端的连接面分别为S和N极，本实施例的软磁材料为坡莫合金，永磁体3材料为钕铁硼，也可采用其他材料，其为Terfenol-D制成的直线型磁路2提供了偏置磁场。
本实施例的管道导波传感器的倒U型磁路厚度为1m，高度为5mm，长度为20mm；倒U型磁路1的上侧边11宽度为2mm，便于绕制线圈3；倒U型磁路1两侧的竖直边13的宽度为4～5mm。
本实施例的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器的制作及使用方法，包括以下步骤：
1）在倒U型磁路1的上侧边11用漆包线绕出400匝的线圈12，并将倒U型磁路1两侧的竖直边13下端用环氧树脂胶粘接固定在直线型磁路2两端上。
3）将永磁体3分别吸附在直线型磁路2两端与倒U型磁路1两下端连接处；两永磁体3和直线型磁路2两端的连接面分别为S和N极；
3）然后将直线型磁路2浸润在绝缘漆池中，使得直线型磁路2涂覆一层绝缘漆，干燥后平行贴合于被测管道上；
4）使用时，交流电源4向线圈12中通入交变电流，Terfenol-D制成的直线型磁路2在偏置磁场的作用下开始振动，将振动传入管道中使得管道中产生导波。通过信号发生器产生一个经汉宁窗调制的10个周期的正弦脉冲波。波幅为20V，频率在10kHz到100kHz的范围内扫频，导波接收传感器接收到的激励波形幅值最大时所对应的频率为超声导波发生器的中心频率。根据管道的长度和在管中导波的波速找到端面回波，其位置大约在2ms处。在激励波和端面回波之间的波包就是缺陷的位置。根据时间算出缺陷离接收传感器的距离，在该位置用其他检查手段来看是否有裂纹，腐蚀等缺陷。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其特征在于：包括软磁材料制成的倒U型磁路，在倒U型磁路外表面涂覆绝缘漆，在倒U型磁路的上侧边绕有数层多匝线圈，其特征在于：还包括巨磁致伸缩材料制成的直线型磁路，倒U型磁路两侧的垂直边下端分别与直线型磁路两端上侧固定连接，在直线型磁路两端与倒U型磁路两下端连接处外侧分别吸附一块永磁体构成磁回路，永磁体和磁回路两端的连接面分别为S和N极。
2.如权利要求1所述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其特征在于：所述巨磁致伸缩材料为铽镝铁。
3.如权利要求1所述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其特征在于：所述软磁材料为坡莫合金；永磁体材料为钕铁硼。
4.如权利要求1所述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其特征在于：所述管道导波传感器的倒U型磁路厚度为1～2mm，高度为5～6mm，长度为20～22mm；倒U型磁路的上侧边宽度为2～3mm，倒U型磁路两侧的垂直边的宽度为4～5mm。
5.如权利要求1所述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器，其特征在于：在直线型磁路绕有200～600匝漆包线线圈。
6.一种如权利要求1所述的基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器的制作及使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）在倒U型磁路的上侧边用漆包线绕出200～600匝的线圈，并将倒U型磁路两侧的竖直边下端粘接固定在直线型磁路两端上；
2）将永磁体分别吸附在直线型磁路两端与倒U型磁路两下端连接处；两永磁体和直线型磁路两端的连接面分别为S和N极；
3）然后将直线型磁路浸润在绝缘漆池中，使得直线型磁路涂覆一层绝缘漆，干燥后平行贴合于被测管道上；
4）向线圈中通入交变电流，巨磁致伸缩材料制成的直线型磁路在偏置磁场的作用下开始振动，将振动传入管道中使得管道中产生导波。
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