CN105954362B - 用于管道快速检测的超声导波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于管道快速检测的超声导波发生器，包括支撑体板片、磁路体、永磁体、同轴连接器、加载螺钉和管道端头夹持装置，支撑体板片中部开有窗口，其下部设有管道端头夹持装置，永磁体吸附在窗口上端内；纵向磁路体采用巨磁致伸缩材料制成，其上端抵靠在永磁体下端端面上，其下端穿过窗口下侧边抵靠在被检管道端头上。纵向磁路体中部绕有数层多匝线圈，加载螺钉拧入支撑体板片上端内，其下端抵靠在永磁体上端端面上。本发明的磁路体能量转换系数高，响应时间短，频率特性好。本发明可以采用端面激励的方式，磁路体无需与管道表面耦合，扩大了本发明的适用范围，可用于铁磁性材料或非铁磁性材料管道的检测。

Description

用于管道快速检测的超声导波发生器
技术领域
本发明涉及一种管道的无损检测装置，特别涉及一种可以快速检测管道缺陷的导波传感器，属于无损检测技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展以及国防事业的需要，管道输送在冶金、化工、能源和城市的煤气运输等领域中已成为了必不可少的输送设备。目前，我国陆上油气管道总里程已经达到12万公里，且对管道的需求还会更加的迫切。工业管道往往在很恶劣的环境下工作，由于不可避免的腐蚀、自然作用和人为损坏等因素，导致管道壁厚变薄，泄露事故频发，目前千公里泄露事故率年均4次，远高于美国和欧洲，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，且会严重污染环境、影响生态。如何做到防患于未然，做好管道检测工作已成为当务之急。
目前常用于管道系统检测的技术大致可以分为5种：超声、射线、磁粉、渗透和涡流技术。这些技术基本上采取的是逐点扫描，检测速度较慢，需要剥离管道包裹层，其中一些技术不能做到在线检测。为了解决这些问题，超声导波技术应运而生。管道导波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缺陷的特点。这是一种很有研究价值且值得推广的无损检测技术。
超声导波产生方法主要有两种。一种是通过用以压电陶瓷为振源，通过施加电场，让压电陶瓷产生高频振动，然后将振动耦合入管道来在管道中产生导波，由于受限于敏感材料PZT（压电陶瓷）本身性能的限制，驱动力不够高，制造的探头的信噪比较低。第二种是通过在管道上直接绕制线圈，通过永磁铁来磁化一段管道，在线圈中加以交变电流产生交变磁场。通过管道的磁致伸缩效应来产生导波。但由于铁的磁致伸缩系数较小，其能量转换效率较低。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。
发明内容
本发明提出了一种用于管道快速检测的超声导波发生器，提高导波发射能量和信号信噪比，增大一次检测距离。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于管道快速检测的超声导波发生器，包括支撑体板片、磁路体、永磁体、同轴连接器、加载螺钉和管道端头夹持装置，所述支撑体板片采用高磁导率的金属材料制成，其中部开有窗口，其下部设有管道端头夹持装置；所述永磁体吸附在窗口上端内；磁路体采用巨磁致伸缩材料制成，其上端抵靠在永磁体下端端面上，其下端穿过窗口下侧边抵靠在被检管道的端面上；磁路体外表面涂覆绝缘漆，磁路体中部绕有数层多匝线圈；同轴连接器的本体固定在支撑体板片一侧边内，多匝线圈的正负极分别与同轴连接器的本体连接；加载螺钉拧入支撑体板片上端内，其下端抵靠在永磁体上端端面上；所述被检管道端头的一侧管壁固定在管道端头夹持装置中。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
前述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其中所述管道端头夹持装置包括夹紧螺钉和支撑体板片下部收缩后向下延伸的夹持槽口，夹紧螺钉拧入夹持槽口侧边，抵靠在被检管道端头的外表面上。
前述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其中所述窗口上端向上延伸出永磁体槽，永磁体吸附在永磁体槽中。
前述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其中所述巨磁致伸缩材料为铽镝铁；所述永磁体材质为钕铁硼。
前述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其中磁路体上端与永磁体下端通过环氧树脂胶粘结成一体。
本发明的磁路体采用巨磁致伸缩材料制成，其振动机理是基于磁致伸缩效应，当其所处磁场发生变化时，其尺寸和形状会随之发生变化。与传统的压电陶瓷相比具有应变大、能量密度高、响应速度快等特点，在室温下巨磁致伸缩材料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。本发明将被检管道端头的一侧管壁夹持在其中，可以采用端面激励的方式，磁路体无需与管道表面耦合，扩大了本发明的适用范围，既可用于铁磁性材料管道的检测，也可用于非铁磁性材料管道的检测。由于磁路体中部绕有数层多匝线圈，多匝线圈产生的交变磁场会完全作用于磁路体，使得磁路体产生振动并传导到被检管道中去，没有磁回路的损耗。在相同大小的交变磁场下，本发明可以产生更大的磁致伸缩应变，在无损检测领域具有广阔的应用前景。
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，本实施例用于检测直径50cm、长12m的焊接钢管的拼焊缝质量，该焊接钢管用三段每段长度为3m的短钢管拼焊而成。本实施例包括支撑体板片1、磁路体2、永磁体3、同轴连接器4、加载螺钉5和管道端头夹持装置6，支撑体板片1采用高磁导率的金属材料制成，本实施例采用牌号为Q235A的低碳钢板制成，其上部为矩形，下部向下收缩成梯形，其中部开有窗口11，其下部向下延伸出出管道端头夹持装置6。窗口11形状与支撑体板片1形状基本相同，也是上部矩形下部梯形。窗口11上端向上延伸出永磁体槽111，永磁体3利用磁性吸附嵌装在永磁体槽111中。本实施例的永磁体3形状为圆形，其外径与永磁体槽111宽度匹配，其材质为钕铁硼，永磁体3提供了偏置磁场。
磁路体2采用巨磁致伸缩材料铽镝铁（Terfenol-D）制成，本实施例的磁路体2的尺寸为22mm×4mm×2mm的片状结构，其上端抵靠在永磁体3下端端面上，通过环氧树脂胶与永磁体3下端粘结成一体。磁路体2下端穿过窗口下侧边12抵靠在被检管道7端面上。磁路体2外表面涂覆绝缘漆，其中部绕有数层400匝的多匝线圈21，多匝线圈21采用0.12mm漆包线绕成。加载螺钉5拧入支撑体板片1上端内，其下端抵靠在永磁体3上端端面上，用于调节加载螺钉5对磁路体2上端的预压力。被检管道7端头的一侧管壁固定在管道端头夹持装置6中，同轴连接器4的本体固定在支撑体板片一侧边13内，多匝线圈21的正负极分别与同轴连接器4的本体连接。同轴连接器4便于快速接插信号发生器导入信号。
管道端头夹持装置6包括夹紧螺钉61和支撑体板片1下部收缩后向下延伸的的夹持槽口62，夹紧螺钉61拧入左侧的夹持槽口侧边621，抵靠在被检管道7端头的外表面上，被检管道7端头管壁内侧抵靠在右侧的夹持槽口侧边621内侧面上。拧紧夹紧螺钉61，被检管道7端头就固定在管道端头夹持装置6中。
本发明工作过程如下：
将信号发生器通过同轴连接器4的接插件与同轴连接器4的本体连接，此时可以输入经汉宁窗调制过的70kHz的10个周期的正弦脉冲。多匝线圈21中产生交变磁场，在偏置磁场和交变磁场共同作用下，磁路体2产生了周期性的振动，该振动通过与被检管道7的耦合在管道中产生了导波，导波到达被检管道7另一端面后反射回接收传感器。在传播的过程中遇到了缺陷时会因声阻抗的不同产生反射，在连接着接收传感器的示波器上会产生一个波包，通过到波包的时间和波速就可以确定缺陷的位置。逐渐旋紧加载螺钉5，对磁路体2上端施压，在预应力的作用下会有更大的幅值变换，同时可以有利于更好的耦合，在波幅最大的时候停止。此时就可以采集所需要的波形。
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)

1.一种用于管道快速检测的超声导波发生器，包括支撑体板片、磁路体、永磁体和同轴连接器，其特征在于：还包括加载螺钉和管道端头夹持装置，所述支撑体板片采用高磁导率的金属材料制成，其中部开有窗口，其下部设有管道端头夹持装置；所述永磁体吸附在窗口上端内；磁路体采用巨磁致伸缩材料制成，其上端抵靠在永磁体下端端面上，其下端穿过窗口下侧边抵靠在被检管道的端面上；磁路体外表面涂覆绝缘漆，磁路体中部绕有数层多匝线圈；同轴连接器的本体固定在支撑体板片一侧边内，多匝线圈的正负极分别与同轴连接器的本体连接；加载螺钉拧入支撑体板片上端内，其下端抵靠在永磁体上端端面上；所述被检管道端头的一侧管壁固定在管道端头夹持装置中。
2.如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：所述管道端头夹持装置包括夹紧螺钉和支撑体板片下部收缩后向下延伸的夹持槽口，夹紧螺钉拧入夹持槽口侧边，抵靠在被检管道端头的外表面上。
3.如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：所述窗口上端向上延伸出永磁体槽，永磁体吸附在永磁体槽中。
4.如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：所述巨磁致伸缩材料为铽镝铁。
5.如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：所述永磁体材质为钕铁硼。
6.如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：磁路体上端与永磁体下端通过环氧树脂胶粘结成一体。
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