CN107064310A - 用于管道快速检测的超声导波发生器及检测方法 - Google Patents

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，包括夹具体、紧固螺钉、刚玉垫片和振源，夹具体包括垂直底板、上侧板和下侧板，上侧板和下侧板之间构成叉口，垂直底板中心设有窗口。振源为巨磁致伸缩材料制成的芯棒，芯棒一端浸有绝缘漆并绕有线圈，夹具体的叉口插在被检管道端头的管壁上下侧，芯棒另一端贴合在被检管道的端头上侧，紧固螺钉下端拧入夹具体的上侧板，依次通过垫片和芯棒一端压在被检管道的端头上。检测方法包括1）夹具体和芯棒分别定位。2）紧固螺钉夹紧芯棒，芯棒产生了周期性的振动产生导波来检测管道的缺陷。本发明工作频率范围大，信号幅值高，分辨率高，缺陷定位精确，在无损检测领域具有广阔的应用前景。

Description

用于管道快速检测的超声导波发生器及检测方法

技术领域

本发明涉及一种无损检测装置，特别涉及一种用于管道一次快速检测的超声导波发生器及检测方法。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，管道输送已广泛应用于冶金、化工、能源和城市的煤气运输等领域。工业管道的服役条件往往很恶劣，由于自然作用和人为损坏等因素使得管道受到不可避免的腐蚀，导致管道壁厚变薄直至破损，泄露事故频发，造成了巨大的经济损失、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了当务之急。

目前常用于管道系统检测的技术大致可以分为五种：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，成本较高，耗时耗力，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。

管道超声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，由于待测件声阻抗的不同，一部分能量会被反射形成波包，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的无损检测技术。

如今所用的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，因为受限于敏感材料压电陶瓷本身性能的影响，驱动力不够高，制造的探头的分辨率较低。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。但由于管道的磁致伸缩系数较小，其能量转换效率较低。

是基于巨磁致伸缩材料铽镝铁（以下简称Terfenol-D），其振动机理是基于磁致伸缩效应，既当其所处磁场发生变化时，其尺寸和形状会随之发生变化。作为一种新型功能材料，其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，响应时间可达微秒妙级，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。但还未见其用于管道无损检测领域。

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，如申请与2012年5月28日和2015年4月22日的磁致伸缩导波接收传感器和磁致伸缩导波传感器。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，操作繁琐，效率较低。

发明内容

本发明提出一种工作频率范围大，信号幅值高，分辨率高的用于管道快速检测的超声导波发生器。

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，包括夹具体、紧固螺钉、刚玉垫片和振源，水平设置的夹具体呈倒Ｕ型，包括垂直底板和从垂直底板的上下侧分别向外水平延伸的上侧板和下侧板，所述上侧板和下侧板之间构成叉口，所述垂直底板中心设有窗口；所述振源为巨磁致伸缩材料制成的芯棒，所述芯棒一端浸有绝缘漆，在浸有绝缘漆的芯棒一端上绕有线圈，夹具体的叉口插在被检管道端头的管壁上下侧，绕有线圈的芯棒一端穿出窗口，芯棒另一端贴合在被检管道的端头上侧；紧固螺钉下端拧入夹具体的上侧板，依次通过垫片和芯棒一端压在被检管道的端头上。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

进一步的，所述刚玉垫片直径大于紧固螺钉下端的端头直径，紧固螺钉下端端头与刚玉垫片固定连接。

进一步的，绕有线圈的芯棒另一端端头粘贴钕铁硼永磁铁。

进一步的，所述芯棒为长方体形，所述长方体形的尺寸为25mm×4mm×1mm。

进一步的，所述线圈为漆包线线圈，所述漆包线线圈的匝数为150，漆包线直径Φ0.2mm。

所述漆包线线圈的匝数为150，漆包线直径Φ0.2mm。芯棒浸有绝缘漆部的长度和线圈的长度相等，所述浸有绝缘漆部的长度L1与芯棒长度L之比：L1/L=0.46～0.48∶1。

一种用于管道快速检测的超声导波发生器的检测方法，包括以下步骤：

1）将夹具体的叉口插进被检测的管道端口的管壁上下侧；

2）先将紧固螺钉拧入夹具体的上侧板，然后在紧固螺钉下端端头粘接一片刚玉垫片；

3）将芯棒一端贴合在被检管道的端头上侧，将粘贴有钕铁硼永磁铁的芯棒另一端端头的绕有漆包线线圈部分穿出夹具体的窗口，并将漆包线线圈两端连接到信号发生器上；

4）转动紧固螺钉，使得紧固螺钉下端的刚玉垫片压住芯棒一端上侧，输入经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；在钕铁硼永磁铁偏置磁场和漆包线线圈交变磁场的共同作用下，芯棒产生了周期性的振动；

5）继续转动紧固螺钉，对芯棒施加压力，此时接收信号的幅值会逐渐变大并趋于稳定；

通过夹具体把振动耦合到被检管道，并通过被检管道中产生导波来检测管道的缺陷；若导波在传播过程中遇到了缺陷时，因被检管道的声阻抗的不同产生反射形成波包，通过到达波包的时间和导波在被检管道中传播的速度就可以确定缺陷的位置。

本发明的超声导波发生器由钕铁硼永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，处在线圈中的部分芯棒产生振动，通过夹具将部分芯棒与被检管道上表面贴合段的振动耦合到被检管道，在被检管道中产生出超声导波来检测被检管道的缺陷。拧动紧固螺钉对芯棒加载厚度方向施加预应力，使振动更好的耦合入被检管道，提高其振动幅值。工作频率范围大，信号幅值高，分辨率高，检测的灵敏度高，缺陷定位精确，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；

图2是图1的左视图。

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和图2所示，本发明包括倒Ｕ型的夹具体1、紧固螺钉2、刚玉垫片3和振源，夹具体1水平设置，呈倒Ｕ型，可采用焊接或铸造加工而成，包括垂直底板11和从垂直底板的上下侧分别向外水平延伸的上侧板12和下侧板13，上侧板12和下侧板13之间构成叉口14，垂直底板11中心设有窗口111。

振源为巨磁致伸缩材料制成的芯棒4，本实施例的芯棒4为25mm×4mm×1mm（长×宽×高）的长方体形。芯棒4在长度方向分成两部分，一部分浸有绝缘漆并绕制线圈41，芯棒4浸有绝缘漆的长度和线圈41的长度相等，线圈41采用漆包线绕制，其匝数为150，漆包线直径为Φ0.2mm。所述浸有绝缘漆的长度L1与芯棒长度L之比：L1/L=0.46～0.48∶1，本实施例的浸有绝缘漆的长度L1=12mm，其与芯棒长度L之比L1/L=0.47，芯棒4另一部分长度为13mm，绕有线圈41的芯棒4左端端头粘贴钕铁硼永磁铁5。夹具体1的叉口14插在被检管道10端头管壁的上下侧，芯棒4右端贴合在被检管道10的端头的管壁上侧，绕有线圈41的芯棒4左端穿出窗口111，紧固螺钉2下端拧入夹具体1的上侧板11，依次通过刚玉垫片3和芯棒4右端压在被检管道10的端头上。刚玉垫片3通过环氧胶粘接在紧固螺钉2下端端头上。刚玉垫片3的直径大于紧固螺钉2下端的端头直径，减小紧固螺钉2对芯棒4右端的压强，避免芯棒4被压断。

本实施例的检测方法，包括以下步骤：

1）将夹具体1的叉口14插进被检测的具有有三条焊缝的管道10端口的管壁101的上下侧。

2）先将紧固螺钉2拧入夹具体1的上侧板11，然后在紧固螺钉2下端端头粘接一片刚玉垫片3。

3）将芯棒4右端贴合在被检管道10的端头上侧，将粘贴有钕铁硼永磁铁5的芯棒4左端端头的绕有线圈41部分穿出夹具体1的窗口111，并将线圈41两端连接到信号发生器上。

4）转动紧固螺钉2，使得紧固螺钉2下端的刚玉垫片3压住芯棒4右端上侧，输入经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；在钕铁硼永磁铁5偏置磁场和漆包线线圈41交变磁场的共同作用下，芯棒4产生了周期性的振动。

5）继续转动紧固螺钉2，对芯棒4施加压力，此时接收信号的幅值会逐渐变大并趋于稳定；通过夹具体1把振动耦合到被检管道10，并在被检管道10中产生导波，若导波在传播的过程中如遇到缺陷，因待测件声阻抗的不同产生反射形成波包，通过到达波包的时间和导波在管道中传播的速度就可以确定缺陷的位置，此时接收信号的幅值会逐渐变大并趋于稳定。

以上描述是对本发明的解释，不是对本发明的限制，本发明所限定的范围参见权利要求。在不违背本发明基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：包括夹具体、紧固螺钉、刚玉垫片和振源，水平设置的夹具体呈倒Ｕ型，包括垂直底板和从垂直底板的上下侧分别向外水平延伸的上侧板和下侧板，所述上侧板和下侧板之间构成叉口，所述垂直底板中心设有窗口；所述振源为巨磁致伸缩材料制成的芯棒，所述芯棒一端浸有绝缘漆，在浸有绝缘漆的芯棒一端上绕有线圈，夹具体的叉口插在被检管道端头的管壁上下侧，绕有线圈的芯棒一端穿出窗口，芯棒另一端贴合在被检管道的端头上侧；紧固螺钉下端拧入夹具体的上侧板，依次通过刚玉垫片和芯棒一端压在被检管道的端头上。

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：所述刚玉垫片直径大于紧固螺钉下端的端头直径，紧固螺钉下端端头与刚玉垫片固定连接。

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：绕有线圈的芯棒另一端端头粘贴钕铁硼永磁铁。

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：所述芯棒为长方体形，所述长方体形的尺寸为25mm×4mm×1mm。

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：所述线圈为漆包线线圈，所述漆包线线圈的匝数为150，漆包线直径Φ0.2mm。

6.如权利要求5所述的用于管道快速检测的超声导波发生器，其特征在于：芯棒浸有绝缘漆部的长度和线圈的长度相等，所述长度L1与芯棒长度L之比：L1/L=0.46～0.48∶1。

7.一种如权利要求1所述的用于管道快速检测的超声导波发生器的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将夹具体的叉口插进被检测的管道端口的管壁上下侧；

2）先将紧固螺钉拧入夹具体的上侧板，然后在紧固螺钉下端端头粘接一片刚玉垫片；

3）将芯棒一端贴合在被检管道的端头上侧，将粘贴有钕铁硼永磁铁的芯棒另一端端头的绕有线圈部分穿出夹具体的窗口，并将线圈两端连接到信号发生器上；

4）转动紧固螺钉，使得紧固螺钉下端的刚玉垫片压住芯棒一端上侧，信号发生器对线圈加载交变电压，并输入经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；在钕铁硼永磁铁偏置磁场和线圈交变磁场的共同作用下，芯棒产生了周期性的振动；

5）继续转动紧固螺钉，对芯棒施加压力，此时接收信号的幅值会逐渐变大并趋于稳定；

通过夹具体把振动耦合到被检管道，并通过被检管道中产生导波来检测管道的缺陷；若导波在传播过程中遇到了缺陷时，因被检管道的声阻抗的不同产生反射形成波包，通过到达波包的时间和导波在被检管道中传播的速度就可以确定缺陷的位置。