CN106872578B - 一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法 - Google Patents

一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于Terfenol‑D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法，包括线圈、背衬层和Terfenol‑D材料；所述Terfenol‑D材料加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol‑D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；多层所述励磁线圈绕在Terfenol‑D材料薄的一端上、且背衬层的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；将两枚圆形永磁铁粘贴在所述Terfenol‑D材料薄的一端。本发明采用永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，处在叠加磁场中的Terfenol‑D材料产生振动。将振源产生的振动传递到材料与管道接触的一段，使振动耦合入管道从而产生导波。本发明设计的采用新材料的换能器比传统材料换能器具有更高的灵敏度和信噪比，且因振动频率低，可对长管道进行快速检测。

Description

一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法
技术领域
本发明属于无损检测研究领域，具体涉及一种用于长管道一次性快速检测的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法。
背景技术
2013年11月22日青岛市黄岛区中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，发生爆燃，同时在入海口被油污染海面上发生爆燃。此次事故共造成62人遇难，医院共收治伤员136人。
随着国内外输气、输油管道的日益增多及发生事故增多，管道监测技术越来越受重视。如今所用的超声导波产生方法主要有三种：一种是以压电陶瓷作为振源，通过在材料中施加电场，让压电陶瓷产生高频振动，然后将振动耦合到管道从而产生导波，本方法受限于敏感材料PZT本身性能，驱动力不够高，制造出的换能器的接收信号灵敏度较低。第二种是通过在管道上直接密绕线圈，用永磁铁将一段管道磁化，在线圈中通交变电流产生交变磁场，根据铁磁性管道的磁致伸缩效应来产生导波。这种方法由于管道的磁致伸缩系数较小，其能量转换效率也较低。第三种是基于Terfenol-D的超声导波换能器，但现有的方法是把Terfenol-D与管道截面贴合，在实际管道无损检测时，不可能把换能器放在有端面的管道上，因此这种方法在实际应用中具有很大的局限性。
本发明与上述三种方法有很大区别。是在第三种检测方法的的基础上，把Terfenol-D材料原有的长方体形状加工成刀型。在Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层，来吸收振动余震和杂波。在Terfenol-D材料的较薄一端密绕线圈，通过振动的传递把振动传递到材料的另一端，最终把振动耦合到管道中产生导波。
华中科技大学的徐江、武新军老师已发表了多篇关于磁致伸缩导波传感器的发明专利，如2012年5月28日和2015年4月22日申请的磁致伸缩导波接收传感器和磁致伸缩导波传感器专利。但这些传感器都是将管道磁化，然后利用管道本身的磁致伸缩性能发射或接收导波，于本专利并不相同。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法，是利用新材料的优异性能，制造出可以激发更大能量的超声导波换能器。本发明的超声导波换能器采用永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，处在叠加磁场中的Terfenol-D材料产生振动。将振源产生的振动传递到材料与管道接触的一段，使振动耦合入管道从而产生导波。
本发明的技术方案是：一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，包括线圈、背衬层和Terfenol-D材料；
所述Terfenol-D材料加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；
多层所述励磁线圈绕在Terfenol-D材料薄的一端上、且背衬层的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；
将两枚圆形永磁铁粘贴在所述Terfenol-D材料薄的一端。
上述方案中，所述励磁线圈的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。
上述方案中，所述Terfenol-D材料薄的一端与圆形永磁铁的端面中心用环氧树脂胶粘结。
上述方案中，所述Terfenol-D材料较厚一端下表面与被测件的界面贴合。
上述方案中，两枚圆形永磁铁给Terfenol-D材料提供偏置磁场。
上述方案中，所述Terfenol-D材料的本征频率与励磁线圈产生的激励交变磁场频率一致，产生共振。
一种利用所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的检测方法，包括以下步骤：
S1、将Terfenol-D材料加工成刀型结构；
S2、在所述Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层，其中Terfenol-D材料较薄一端涂上绝缘漆，待干燥后再在上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；
S3、在Terfenol-D材料较薄一端密绕多层励磁线圈，励磁线圈直径为0.15mm，线圈匝数为180，同时也把Terfenol-D材料较薄一端上面的背衬层绕在励磁线圈内，且背衬层的上表面切去一定的厚度使励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；
S4、Terfenol-D材料较厚一端下表面与被测件管道界面贴合，将Terfenol-D材料薄的一端与圆形永磁铁的端面中心用环氧树脂胶粘结，圆形永磁铁为Terfenol-D材料提供偏置磁场；
S5、将信号发生器连接到励磁线圈两端上，输入经过汉宁窗调制过的中心频率为70kHz的10个周期的正弦音频脉冲信号，此时，励磁线圈中产生交变磁场，在偏置磁场和交变磁场共同作用下，Terfenol-D材料产生周期性的振动，这个振动传递到与管道贴合的Terfenol-D材料一端，最终振动耦合进入管道，在管道中产生了导波，导波在传播的过程中因为待测件声阻抗的不同产生反射、折射、模态转换，在连接着接收传感器的示波器上会产生一个波包，通过到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用了新材料，利用了具有巨磁致伸缩系数的Terfenol-D材料，使换能器产生更大的振动能量，提高导波在管中传播的距离和接收缺陷回波信号幅值的大小，同时把核心材料加工成刀型，克服了换能器只能放置在被测件的端面处，另外采用背衬层来吸收杂波信号和材料的振动余震来提高接收缺陷回波信号的分辨力，由此设计了一个新型的超声导波换能器。本发明基于Terfenol-D材料的超声导波换能器，由永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，其中Terfenol-D敏感材料加工成刀型，Terfenol-D材料上表面粘接背衬层。通过将Terfenol-D材料振动耦合到管道中，在管道中产生导波对管道进行检测。本换能器的工作频率范围宽，信号幅值高，灵敏度达到25％，信噪比高于20dB，在无损检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施方式的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的结构原理示意图；
图2是本发明一实施方式的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的实物示意图；
图3是本发明一实施方式的缺陷回波信号幅值示意图。
图中：1、励磁线圈；2、背衬层；3、Terfenol-D材料；4、永磁铁；5、始发波；6、缺陷1回波；7、缺陷2回波；8、缺陷3回波；9、端面回波。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的一种实施方式，一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，包括线圈1、背衬层2和Terfenol-D材料3。
换能器的核心部件采用具有巨磁致伸缩系数的Terfenol-D材料3，所述Terfenol-D材料3加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料3的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层2，其作用是吸收刀型Terfenol-D材料3振动的余震和杂波信号。
多层所述励磁线圈1绕在Terfenol-D材料3薄的一端上、且背衬层2的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈1的背衬层2和无线圈的背衬层2高度一致。所述励磁线圈1的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。将两枚圆形永磁铁4的端面中心用环氧树脂胶粘结在所Terfenol-D材料3薄的一端。
两枚圆形永磁铁4给Terfenol-D材料3提供沿长度方向的偏置磁场。通过信号发生器在励磁线圈1中通以交变电流，使其在Terfenol-D材料3中产生交变励磁磁场。Terfenol-D材料3在偏置磁场和交变磁场的共同作用下产生振动。换能器与管道间紧密接触，将Terfenol-D材料3的振动耦合至管道，从而产生导波。在刀型材料的上表面的背衬层2用以消除余振并吸收杂波信号。为使换能器激发最大能量，应使激励交变磁场频率与Terfenol-D材料3的频率一致，产生共振。
一种利用所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的检测方法，包括以下步骤：
S1、将Terfenol-D材料3加工成刀型结构；
S2、在所述Terfenol-D材料3的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层2，其中Terfenol-D材料3较薄一端涂上绝缘漆，待干燥后再在上表面用环氧树脂胶粘接背衬层2，利用其阻尼作用使Terfenol-D材料3的谐振过程尽快终止以及吸收杂波；
S3、在Terfenol-D材料3较薄一端密绕多层励磁线圈1，励磁线圈1直径为0.15mm，线圈匝数为180，线圈长度为12mm，同时也把Terfenol-D材料3较薄一端上面的背衬层2绕在励磁线圈1内，且背衬层2的上表面切去一定的厚度使励磁线圈1的背衬层2和无线圈的背衬层2高度一致；
S4、Terfenol-D材料3较厚一端下表面与被测件管道界面贴合，将Terfenol-D材料3薄的一端与圆形永磁铁4的端面中心用环氧树脂胶粘结，圆形永磁铁为Terfenol-D材料3提供偏置磁场；
S5、将信号发生器连接到励磁线圈1两端上，输入经过汉宁窗调制过的中心频率为70kHz的10个周期的正弦音频脉冲信号，此时，励磁线圈1中产生交变磁场，在偏置磁场和交变磁场共同作用下，Terfenol-D材料3产生周期性的振动，这个振动传递到与管道贴合的Terfenol-D材料3一端，最终振动耦合进入管道，在管道中产生了导波，导波在传播的过程中因为待测件声阻抗的不同产生反射、折射、模态转换，在连接着接收传感器的示波器上会产生一个波包，通过到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。
本实施例中，选用一根长10.34m，外径108mm，壁厚5mm的45#钢管为被测件1，距管道一端2.90m，5.21m，7.48m分别分布1号、2号、3号三个缺陷，接收传感器放置在导波传播方向距离激励换能器10cm处。接收传感器首先接收到的信号是激励信号即始发波5；导波继续向前传播，在1号缺陷处发生反射和模态转换，部分导波往回传播到接收传感器，形成缺陷1回波6；另外部分导波继续向前传播，同理，形成缺陷2回波7，以及缺陷3回波8；导波在传播到管道另一端端面时产生反射，往回传播到接收传感器，形成端面回波9。对采集到数据进行简单的滤波处理，用软件绘制出缺陷回波信号幅值图，如图3所示，且可以看出其接收信号的灵敏度有25％，而PZT接收信号的灵敏度只有12％，信噪比低于20dB，满足检测要求。
本发明根据Terfenol-D材料3在外磁场中的磁致伸缩应变曲线，选择在外磁场下线性度较好的一段作为材料的工作区域，以激发材料的最大振动能量并使换能器稳定地工作。为克服Terfenol-D在聚磁方面的困难以及现有Terfenol-D换能器只能安装在管道端面的缺点，把Terfenol-D材料3加工成刀型，为消除余震和杂波信号，在刀型Terfenol-D材料3的上表面粘接背衬层2，在材料较薄一端绕制励磁线圈1，该处产生的振动传递到材料与管道贴合区域，从而将振动耦合到管道中产生导波。当沿着管道传播的导波，遇到缺陷时，部分能量产生反射，通过接收换能器接收缺陷反射回波。由激励波到缺陷回波的时间以及导波在管道的速度可给出缺陷位置。本发明设计的采用新材料的换能器比传统材料换能器具有更高的灵敏度和信噪比，且因振动频率低，可对长管道进行快速检测。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，包括线圈(1)、背衬层(2)和Terfenol-D材料(3)；
所述Terfenol-D材料(3)加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料(3)的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层(2)；
多层所述励磁线圈(1)绕在Terfenol-D材料(3)薄的一端上、且背衬层(2)的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈(1)的背衬层(2)和无线圈的背衬层(2)高度一致；
将两枚圆形永磁铁(4)粘贴在所述Terfenol-D材料(3)薄的一端，所述Terfenol-D材料(3)薄的一端与圆形永磁铁(4)的端面中心用环氧树脂胶粘结；Terfenol-D材料(3)较厚一端下表面与被测件管道界面贴合，两枚圆形永磁铁(4)给Terfenol-D材料(3)提供偏置磁场，所述Terfenol-D材料的本征频率与励磁线圈(1)产生的激励交变磁场频率一致，产生共振，振动传递到与管道贴合的Terfenol-D材料(3)一端，最终振动耦合进入管道，在管道中产生导波。
2.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，
所述励磁线圈(1)的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。
3.一种利用权利要求1所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Terfenol-D材料(3)加工成刀型结构；
S2、在所述Terfenol-D材料(3)的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层(2)，其中Terfenol-D材料(3)较薄一端涂上绝缘漆，待干燥后再在上表面用环氧树脂胶粘接背衬层(2)；
S3、在Terfenol-D材料(3)较薄一端密绕多层励磁线圈(1)，励磁线圈(1)直径为0.15mm，线圈匝数为180，同时也把Terfenol-D材料(3)较薄一端上面的背衬层(2)绕在励磁线圈(1)内，且背衬层(2)的上表面切去一定的厚度使励磁线圈(1)的背衬层(2)和无线圈的背衬层(2)高度一致；
S4、Terfenol-D材料(3)较厚一端下表面与被测件管道界面贴合，将Terfenol-D材料(3)薄的一端与圆形永磁铁(4)的端面中心用环氧树脂胶粘结，圆形永磁铁为Terfenol-D材料(3)提供偏置磁场；
S5、将信号发生器连接到励磁线圈(1)两端上，输入经过汉宁窗调制过的中心频率为70kHz的10个周期的正弦音频脉冲信号，此时，励磁线圈(1)中产生交变磁场，在偏置磁场和交变磁场共同作用下，Terfenol-D材料(3)产生周期性的振动，这个振动传递到与管道贴合的Terfenol-D材料(3)一端，最终振动耦合进入管道，在管道中产生了导波，导波在传播的过程中因为待测件声阻抗的不同产生反射、折射、模态转换，在连接着接收传感器的示波器上会产生一个波包，通过到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。
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