CN105675726A - 一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器 - Google Patents

一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器。磁致伸缩薄层结构包含两个正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料，多层磁致伸缩薄层结构通过环氧树脂粘结形成多层堆叠结构，多层堆叠结构的四周围和顶面通过塑料外壳包裹封装，多层堆叠结构的底面连接被测物体进行检测，多层堆叠结构的顶面与塑料外壳内顶面之间设有用于衰减反方向微应变的背衬阻尼层；每一层磁致伸缩薄层结构中的磁致伸缩薄片材料通过魏德曼效应产生剪切微应变，经线性叠加形成多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的总输出微应变。本发明克服了磁致伸缩材料饱和特性对磁致伸缩剪切模态超声导波发射器微应变输出的限制，提升磁致伸缩剪切模态发射器的发射功率。

Description

一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器
技术领域
本发明涉及一种超声导波发射器，特别涉及一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，属于无损检测探头换能器领域。
背景技术
石化行业的管道、储罐等装置在运行过程中不可避免地会出现腐蚀、磨损、疲劳裂纹等缺陷，对装置的运行带来了极大的安全隐患。传统的漏磁、涡流、射线等检测方法虽然可以实现管道、储罐等装置的无损检测，但是其检测覆盖范围小，难以满足长距离大范围工程结构的无损检测需要。
超声导波是一种长距离无损检测技术，具有单点激励、检测范围广，检测效率高，可以实现全截面覆盖等优点，因此在石化行业的管道、储罐等装置的无损检测中有着广泛的应用。管道中的T(0,1)模态和板结构中SH0模态因其频散小而广泛使用，这两种模态都是剪切模态，且剪切模态超声导波具有不扩散到流体介质的优点，因此剪切模态成为目前超声导波检测中的重要模态。剪切模态超声导波检测采用的发射器有压电式、磁致伸缩式等，其中磁致伸缩剪切模态超声导波发射器具有结构紧凑，环境适应性强等优点，在超声导波检测中具有良好的应用前景。
常规的磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的结构和原理可以参考申请号为US8358126B2的美国发明专利，磁致伸缩剪切模态超声导波发射器以线圈产生的电磁场作为激励磁场，以永磁体的磁场作为偏置磁场，激励磁场与偏置磁场正交布置在磁致伸缩薄片材料上，由磁致伸缩效应产生剪切模态超声导波。
申请号为201210125086.1的发明专利以PCB基板上的回折线圈产生激励磁场，以铁镍合金带预磁化的剩余磁场作为偏置磁场，通过磁致伸缩效应产生剪切模态超声导波。该超声导波发射器在结构上更加紧凑，实现了超声导波发射器小型化。
管状结构中的T(0,1)模态和板状结构中的SH(0,1)模态因其频散小，检测信号信噪比高，是导波检测中最为常用的模态，采用剪切模态的发射器是产生T(0,1)模态和SH(0,1)模态最直接的方式，而提高导波发射器的换能效率就可以直接改善超声导波信号的信噪比，进而提高缺陷的辨识能力，提高导波发射器的输出功率就可增大检测距离。为提高磁致伸缩超声导波发射器换能效率和输出功率，申请号为201210125086.1的发明专利提出了多分裂的回折线圈方案，申请号为201410096364.4的发明专利提出了多层回折线圈方案，其本质都是通过提高回折线圈等效安匝数达到增强激励电磁场，在磁致伸缩薄片材料上获得较大的磁致伸缩微应变的目标。
但是上述发明换能材料采用的都是单片磁致伸缩薄片材料结构，通常选用厚度约0.1mm的轧制镍合金薄片材料或铁钴合金薄片材料。磁致伸缩薄片材料的磁致伸缩效应具有饱和特性，即激励磁场强度超过某个阈值后，激励磁场强度增大将不会引起磁致伸缩微应变增大。因此当单片磁致伸缩薄片材料处于饱和点时，上述技术方案无法达到增大磁致伸缩微应变的目标。
为了突破磁致伸缩薄片材料饱和特性对磁致伸缩剪切模态超声导波发射器微应变输出的限制，本发明提出了一种多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，采用磁致伸缩微应变叠加原理实现超声导波发射器输出功率的提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，能够克服磁致伸缩薄片材料的磁致伸缩效应饱和特性对超声导波发射器微应变输出的限制，提升超声导波发射器的输出功率。
本发明通过如下技术方案予以实现：
本发明包括塑料外壳、背衬阻尼层和多层磁致伸缩薄层结构，磁致伸缩薄层结构包含两个正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料，两个正交式线圈通电提供磁致伸缩薄片材料所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，多层磁致伸缩薄层结构通过作为耦合剂的环氧树脂上下粘结形成多层堆叠结构，多层堆叠结构的四周围和顶面通过塑料外壳包裹封装，多层堆叠结构的底面连接被测物体进行检测，多层堆叠结构的顶面与塑料外壳内顶面之间设有用于衰减反方向微应变的背衬阻尼层，发射器顶部为阻尼背衬；每一层磁致伸缩薄层结构中的磁致伸缩薄片材料通过魏德曼效应产生剪切微应变，经线性叠加形成多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的总输出微应变。
堆叠结构的层数根据超声导波发射器所需的发射功率决定，N层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的输出应变是单层磁致伸缩薄片材料应变的N倍。
所述的两个正交缠绕式线圈包含相互正交缠绕在磁致伸缩薄片材料上的直流偏置线圈和动态交流线圈，通电的直流偏置线圈和动态交流线圈分别提供磁致伸缩材料魏德曼效应所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，使得每一层薄层结构中的磁致伸缩材料都将产生剪切微应变，并通过控制两个正交缠绕式线圈的通电电压和电流方向，使得相邻的两层磁致伸缩薄片材料产生转向一致且相位相差90度剪切微应变，最后在所述导波发射器的输出端实现线性叠加，背衬阻尼层使反方向的微应变衰减。
相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构之间和多层堆叠结构最底部的磁致伸缩薄层结构底面均设有用环氧树脂形成的环氧树脂耦合层，多层堆叠结构最顶部的磁致伸缩薄层结构顶面与塑料外壳之间设有背衬阻尼层。
所述所有磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈和动态交流线圈缠绕方向相互相反交替布置。
所述的两个正交缠绕式线圈中，直流偏置线圈的通电电压波形为脉宽调制方波，提供直流偏置磁场；动态交流线圈的通电电压波形为谐波式脉冲群，提供动态交流磁场；直流偏置线圈通电电压的脉冲上升沿比动态交流线圈通电电压上升沿提前，直流偏置线圈通电电压的脉冲下降沿比动态交流线圈通电电压下降沿延后。
上下相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构中，两个正交缠绕式线圈的通电电流交替互换，即上层磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈与下层磁致伸缩薄层结构中的动态交流线圈通电电流方向相反，上层磁致伸缩薄层结构中动态交流线圈在下层磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈通电电流相同，使得两个正交缠绕式线圈产生的两个磁场方向相互垂直，上下相邻磁致伸缩薄层结构中磁致伸缩薄片材料磁畴偏转转向一致相位相差90度。
所述的磁致伸缩材料采用Fe-Ni、Fe-Co、Fe-Ga、NiMnGa或Terfenol-D等磁致伸缩薄层材料，厚度为0.05-1.0mm。
所述的两个正交缠绕式线圈缠绕在磁致伸缩薄片材料上，环氧树脂将正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料粘结成一体，同时具有良好的超声导波耦合特性。
所述的背衬阻尼层由环氧树脂和钨粉配制而成。
所述的磁致伸缩薄片材料为正方形。
本发明的主要有益效果有：
本发明采用正交缠绕线圈提供磁致伸缩魏德曼效应所需的直流偏置磁场和动态交流磁场，磁致伸缩薄片材料将产生剪切微应变，通过增加堆叠薄层结构层数，
同时通过各层正交缠绕线圈驱动电压方式和时序的设计，在多层磁致伸缩薄层结构中产生螺旋状磁场分布，使相邻层的磁致伸缩薄片材料产生转向一致且相位相差90度的剪切微应变，
将各层磁致伸缩薄片材料产生应变进行线性叠加，达到增大超声导波发射器输出微应变的目的，
有效地克服磁致伸缩材料饱和特性对磁致伸缩剪切模态超声导波发射器微应变输出的限制，也有效提高了导波发射器的输出功率和换能效率。
附图说明
图1是本发明导波发射器结构示意图。
图2是本发明导波发射器装配过程示意图。
图3是实施例导波发射器中第一层薄层结构的正交缠绕式线圈布置方式及产生的磁场分布示意图。
图4是实施例导波发射器中第二层薄层结构的正交缠绕式线圈布置方式及产生的磁场分布示意图。
图5是实施例导波发射器中第二层薄层结构的正交缠绕式线圈布置方式及产生的磁场分布示意图。
图6是实施例导波发射器中第二层薄层结构的正交缠绕式线圈布置方式及产生的磁场分布示意图。
图7是正交缠绕式线圈输入电压的示意图。
图8是实施例导波发射器检测示意图。
图9是堆叠薄层结构层数为1的实施例导波发射器的回波信号。
图10是堆叠薄层结构层数为2的实施例导波发射器的回波信号。
图11是堆叠薄层结构层数为3的实施例导波发射器的回波信号。
图12是堆叠薄层结构层数反射为1、2、3时缺陷信号幅值变化趋势。
图中：1、多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，2、塑料外壳，3、背衬阻尼层，4、磁致伸缩薄层结构，5、环氧树脂耦合层，6、磁致伸缩薄片材料，7、直流偏置线圈，8、动态交流线圈，9、钢板，10、导波检测仪，11、超声导波，12、缺陷，13、磁畴，14、导波接收器。
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，本发明导波发射器1由塑料外壳2、背衬阻尼层3、含正交缠绕线圈的磁致伸缩薄层结构4、环氧树脂耦合剂5组成。环氧树脂耦合剂5和含正交缠绕线圈的磁致伸缩薄层结构4组成的堆叠薄层结构的层数根据超声导波发射器1所需的输出应变或输出功率决定。正交缠绕线圈中包含直流偏置线圈7和动态交流线圈8，分别为磁致伸缩薄片材料6发生魏德曼效应所需的两个正交的静态偏置磁场和动态交变磁场，磁致伸缩薄片材料6中将产生剪切微应变，通过各层正交缠绕线圈驱动电压方式和时序的设计，在多层磁致伸缩薄层结构中产生螺旋状磁场分布，使相邻层的磁致伸缩薄片材料将产生转向一致且相位相差90度的剪切微应变，这些磁致伸缩剪切微应变通过串联式同向线性叠加，形成堆叠磁致伸缩薄层式剪切模态超声导波发射器1输出总的微应变。
两个正交缠绕式线圈包含相互正交缠绕在磁致伸缩薄片材料6上的直流偏置线圈7和动态交流线圈8，直流偏置线圈7沿磁致伸缩薄片材料6其中一边长方向平行缠绕，动态交流线圈8沿磁致伸缩薄片材料6另一垂直的边长方向平行缠绕，直流偏置线圈7和动态交流线圈8的缠绕方向相反。通电的直流偏置线圈7和动态交流线圈8分别提供磁致伸缩材料魏德曼效应所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，使得每一层薄层结构中的磁致伸缩材料都将产生剪切微应变，并通过控制两个正交缠绕式线圈的通电电压和电流方向，使得相邻的两层磁致伸缩薄片材料6产生转向一致且相位相差90度剪切微应变，最后在所述导波发射器的输出端实现线性叠加，背衬阻尼层3使反方向的微应变衰减。
相邻的两个磁致伸缩薄层结构3之间和多层堆叠结构最底部的磁致伸缩薄层结构3底面均设有用环氧树脂5形成的环氧树脂耦合层，多层堆叠结构最顶部的磁致伸缩薄层结构3顶面与塑料外壳2之间设有背衬阻尼层3。
多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的制造安装过程中，磁致伸缩材料采用Fe-Ni、Fe-Co、Fe-Ga、NiMnGa或Terfenol-D等磁致伸缩薄层材料，厚度为0.05-1.0mm。两个正交缠绕式线圈缠绕在磁致伸缩薄片材料6上，环氧树脂5将正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料6粘结成一体，同时具有良好的超声导波耦合特性。背衬阻尼层3由环氧树脂和钨粉配制而成，上述结构封装在塑料外壳中。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
如图2所示，实施例提供的超声导波发射器1根据工作频率250kHz设计结构参数。磁致伸缩薄片材料6由Fe-Co系材料轧制而成，其厚度为0.1mm，正交缠绕线圈中包含直流偏置线圈7和动态交流线圈8，分别为磁致伸缩薄片材料6发生魏德曼效应所需的两个正交的静态偏置磁场和动态交变磁场。环氧树脂耦合剂5使正交缠绕式线圈与磁致伸缩薄片材料6紧密粘结且填充绕线之间的空隙使薄层结构上下表均为平面，环氧树脂耦合剂5固化后其剪切模量与磁致伸缩薄片材料6相当。环氧树脂耦合剂5和含正交缠绕线圈的磁致伸缩薄片材料6组成的堆叠薄层结构。最上一层的堆叠薄层结构紧贴着背衬阻尼层3，由环氧树脂和钨粉配制而成，其厚度为6mm(250kHz剪切模态超声导波的半波长)。多层堆叠薄层结构与背衬阻尼层3封装在塑料外壳2中，形成一个完整的多层堆叠磁致伸缩薄层式剪切模态超声导波发射器。
如图3～图6所示，示例为4层含正交缠绕线圈磁致伸缩薄层结构及其磁场分布示意图，最上层至最下层的顺序为：图3-图4-图5-图6。含正交缠绕线圈的磁致伸缩薄层结构4由磁致伸缩薄片材料6和直流偏置线圈7、动态交流线圈8组成，直流偏置线圈7和动态交流线圈8相互正交且缠绕在磁致伸缩薄片材料6上，图3～图6中S和D分别表示直流偏置线圈7和动态交流线圈8，S1、S2、S3和S4分别表示第一层、第二层、第三层和第四层中的直流偏置线圈7，D1、D2、D3和D4分别表示第一层、第二层、第三层和第四层中的动态交流线圈8。通电后分别产生正交的静态偏置磁场和动态交变磁场，如按图中(a)中箭头方向通入电流，则各层磁致伸缩薄片材料中产生的磁场分布和磁畴13偏转方向即剪切微应变方向如图中(b)所示，由Wiedemann效应各层磁致伸缩材料将产生转向一致相位相差90度的剪切微应变，实现电-磁-机换能过程，且各层磁致伸缩材料产生的剪切微应变将线性叠加，达到增大超声导波发射器输出微应变的目的。
所有磁致伸缩薄层结构3中的直流偏置线圈7和动态交流线圈8缠绕方向相互相反交替布置；即在任意相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构3中，上层磁致伸缩薄层结构3中的直流偏置线圈7和下层磁致伸缩薄层结构3中的动态交流线圈8缠绕方向相同，上层磁致伸缩薄层结构3中的动态交流线圈8和下层磁致伸缩薄层结构3中的直流偏置线圈7缠绕方向相同。
相邻上下两薄层结构中两个正交缠绕式线圈的输入电压交替更换，即上层薄层结构中直流线圈在下层薄层结构中作交流线圈用且通电电流方向相反，上层薄层结构中交流线圈在下层薄层结构中作直流线圈且通电电流相同，薄层结构中两个正交缠绕式线圈产生的两个磁场方向相互垂直，上下相邻薄层结构中磁致伸缩薄片材料磁畴13偏转转向一致相位相差90度。
两个正交缠绕式线圈中直流偏置线圈7的通电电压的波形为脉宽调制方波，如图7中VS所示，它提供直流偏置磁场，动态交流线圈8的通电电压波形为谐波式脉冲群，如图7中VD所示，它提供动态交流磁场，直流偏置线圈7通电电压的脉冲上升沿和下降沿分别比动态交流线圈8通电电压上升沿和下降沿提前和延后Δt，这可确保磁致伸缩薄片材料产生魏德曼效应的稳定性。
如图7所示，VS是正交缠绕式线圈中直流偏置线圈的输入电压，是一种脉冲宽度可调的方波脉冲信号，VD是正交缠绕式线圈中动态交流线圈的输入电压，是一种谐波群脉冲信号，即数个周期的正弦波经矩形窗、汉宁窗或高斯窗等窗函数的Toneburst信号，VS的上升沿比VD的上升沿提前Δt时间，VS的下降沿比VD的下降沿落后Δt时间，可保证直流偏置磁场的稳定性。
如图8所示，实施例导波发射器1通过专用SH波耦合剂安装在尺寸为长1000mm、宽800mm、厚6mm的钢板9上，与导波检测仪10通过电缆连接。导波检测仪10对堆叠磁致伸缩薄层式剪切模态超声导波发射器1施加激励脉冲电压，在钢板9中形成超声导波11，超声导波11遇到缺陷12发生反射，回波通过多层堆叠磁致伸缩薄层式剪切模态超声导波发射器1感应(脉冲回波模式)或由专门的导波接收器14感应并由导波检测仪10检测。
对比图9、图10和图11中的缺陷波包可以看到，在导波检测仪10检测参数相同的情况下，缺陷12波包的幅值分别为0.431V、0.872V和1.137V，与多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器1叠层结构层数成近似正比关系，如图12所示，实现了多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器1输出剪切微应变线性叠加的目标。本发明的多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器1也可以作为超声导波接收器，但本发明的主要目的是增大剪切模态发射器的输出应变。
本发明克服了磁致伸缩材料饱和特性对磁致伸缩剪切模态超声导波发射器微应变输出的限制，使多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器输出剪切微应变线性叠加，提升了磁致伸缩剪切模态发射器的发射功率，进而达到增大超声导波检测范围和检测灵敏度的目的，并经试验验证为有效。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：包括塑料外壳(2)、背衬阻尼层(3)和多层磁致伸缩薄层结构(3)，磁致伸缩薄层结构(3)包含两个正交缠绕式线圈(7、8)和磁致伸缩薄片材料(6)，两个正交式线圈通电提供磁致伸缩薄片材料所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，多层磁致伸缩薄层结构(3)通过作为耦合剂的环氧树脂(5)上下粘结形成多层堆叠结构，多层堆叠结构的四周围和顶面通过塑料外壳(2)包裹封装，多层堆叠结构的顶面与塑料外壳(2)内顶面之间设有用于衰减反方向微应变的背衬阻尼层(3)；每一层磁致伸缩薄层结构(3)中的磁致伸缩薄片材料(6)通过魏德曼效应产生剪切微应变，经线性叠加形成多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的总输出微应变。
2.根据权利要求1所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的两个正交缠绕式线圈包含相互正交缠绕在磁致伸缩薄片材料(6)上的直流偏置线圈(7)和动态交流线圈(8)，通电的直流偏置线圈(7)和动态交流线圈(8)分别提供磁致伸缩材料魏德曼效应所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，使得每一层薄层结构中的磁致伸缩材料都将产生剪切微应变，并通过控制两个正交缠绕式线圈的通电电压和电流方向，使得相邻的两层磁致伸缩薄片材料(6)产生转向一致且相位相差90度剪切微应变，最后在所述导波发射器的输出端实现线性叠加，背衬阻尼层(3)使反方向的微应变衰减。
3.根据权利要求1所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构(3)之间和多层堆叠结构最底部的磁致伸缩薄层结构(3)底面均设有用环氧树脂(5)形成的环氧树脂耦合层，多层堆叠结构最顶部的磁致伸缩薄层结构(3)顶面与塑料外壳(2)之间设有背衬阻尼层(3)。
4.根据权利要求2所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述所有磁致伸缩薄层结构(3)中的直流偏置线圈(7)和动态交流线圈(8)缠绕方向相互相反交替布置。
5.根据权利要求2所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的两个正交缠绕式线圈中，直流偏置线圈(7)的通电电压波形为脉宽调制方波，提供直流偏置磁场；动态交流线圈(8)的通电电压波形为谐波式脉冲群，提供动态交流磁场；直流偏置线圈(7)通电电压的脉冲上升沿比动态交流线圈8通电电压上升沿提前，直流偏置线圈(7)通电电压的脉冲下降沿比动态交流线圈8通电电压下降沿延后。
6.根据权利要求2所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：上下相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构(3)中，两个正交缠绕式线圈的通电电流交替互换，即上层磁致伸缩薄层结构(3)中的直流偏置线圈(7)与下层磁致伸缩薄层结构(3)中的动态交流线圈(8)通电电流方向相反，上层磁致伸缩薄层结构(3)中动态交流线圈(8)在下层磁致伸缩薄层结构(3)中的直流偏置线圈(7)通电电流相同，使得两个正交缠绕式线圈产生的两个磁场方向相互垂直，上下相邻磁致伸缩薄层结构(3)中磁致伸缩薄片材料(6)磁畴偏转转向一致相位相差90度。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的磁致伸缩材料采用Fe-Ni、Fe-Co、Fe-Ga、NiMnGa或Terfenol-D等磁致伸缩薄层材料，厚度为0.05-1.0mm。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的两个正交缠绕式线圈缠绕在磁致伸缩薄片材料(6)上，环氧树脂(5)将正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料(6)粘结成一体，同时具有良好的超声导波耦合特性。
9.根据权利要求1-6任一所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的背衬阻尼层(3)由环氧树脂和钨粉配制而成，其厚度为剪切模态超声导波的半波长。
10.根据权利要求1-6任一所述的一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，其特征在于：所述的磁致伸缩薄片材料(6)为正方形。
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