CN107422027B - 基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器 - Google Patents

基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，该传感器主要包括两个对称的半环传感组件，通过弹性卡扣连接包覆于管道表面。每个半环传感组件主要包括双排永磁体阵列、两条铁钴合金条带、检测线圈、橡胶外壳和环氧树脂层。两条铁钴合金条带预弯成弧形以适应被测管道外径，两侧经成型底座固定。检测线圈以固定间距方式缠绕于两条铁钴合金条带上，通入交变电流以形成沿铁钴合金条带长度方向的交变磁场。双排永磁体阵列中的矩形永磁铁均以同向方式吸附于铁钴合金条带外侧，提供沿铁钴合金条带宽度方向的静态磁场。传感器中的两组检测线圈内通入相位相差90°的交流信号，产生方向可控的扭转模态导波用于管道缺陷检测。

Description

基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器
技术领域
基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，属于超声导波无损检测技术领域，其作用是在特定直径圆管中激励和接收扭转模态超声导波，采用了两个半环传感组件，不仅可实现现场拆装，还具备实现扭转模态导波传播方向控制的功能。
背景技术
扭转模态超声导波在长距离管道缺陷检测中应用广泛。基于铁钴合金条带的磁致伸缩传感器是扭转模态超声导波激励和接收的主要传感器形式。传统的磁致伸缩传感器采用的铁钴合金条带沿其长度方向偏置磁化，检测线圈形成的交变磁场沿铁钴合金条带宽度方向，由此基于魏德曼效应，可以激励产生扭转模态导波。
为设计出阵列式磁致伸缩传感器，公开号为CN 104502443A的发明专利提供了一种基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其采用电磁铁提供静态磁场，且铁钴合金条带的偏置磁化方向变为沿其宽度方向，而交变磁场变为沿其长度方向。由于检测线圈缠绕于铁钴合金条带上，可通过分段绕制形式实现多个检测阵元。但该设计无法实现导波传播方向的控制，偏置磁场强度虽可通过电磁铁进行调节，但电流易受电路干扰而产生波动，导致偏置磁场强度不稳定。此外，受限于线圈发热问题，电磁铁的电流不宜过大，偏置磁场强度有限，影响导波激发效率。此外，在铁钴合金条带上进行正交环绕线圈的绕制也较为复杂。
为解决上述问题，本发明提供一种基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，双环永磁体阵列可提供恒定的、较强的磁场强度对铁钴合金条带进行偏置磁化，以提高导波激发效率。单个传感器安装于管道表面后，形成两个检测环，通过控制检测环内激励信号的相位差，可以实现导波传播方向的控制。
发明内容
本发明的目的是为了研制出一种适应于管(或杆)等结构的基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，能够有效激励和接收扭转模态超声导波。为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，该传感器包括两个对称的半环传感组件，每个半环传感组件均由双排永磁体阵列6、两条铁钴合金条带4、检测线圈8、橡胶外壳3和环氧树脂层5构成，两个半环传感组件通过安装于橡胶外壳3上的弹性卡扣7进行连接以包覆于管道表面。
两条铁钴合金条带4预弯成弧形，弧型内径和被测管道的外径相同，两条铁钴合金条带4的两侧由成型支座11固定；检测线圈8以固定间距方式分别缠绕于两条铁钴合金条带4上，对检测线圈8通入交变电流以形成沿铁钴合金条带4长度方向的交变磁场10；双排永磁体阵列6中的矩形永磁体均以同向方式吸附于铁钴合金条带4的外侧，提供沿铁钴合金条带4宽度方向的静态磁场；铁钴合金条带4内侧固化有环氧树脂层5，橡胶外壳3用于封装半环传感组件；当传感器安装于待测管道后，两组检测线圈8内通入相位相差90°的交流信号，即在管道中产生方向可控的扭转模态导波，实现管道缺陷检测。
缠绕在铁钴合金条带4上的检测线圈8中通入交流信号，产生交变磁场9，方向沿着铁钴合金条带4的圆周方向。圆周放置在铁钴合金条带4上的磁场方向同向的永磁体阵列产生稳定的静态偏置磁场9，方向沿着铁钴合金条带4的宽度方向。静态偏置磁场9与交变磁场10方向正交，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带4中将产生剪切变形，经环氧树脂传递至管后，沿着管方向传播以形成扭转模态超声导波。
本发明可以获得如下有益效果：
1、铁钴合金条带上圆周放置同向的永磁体环阵，使得每个铁钴合金条带中的静磁场分布均匀，提高传感器激励扭转模态超声导波的能量。
2、采用了两个半环传感组件，可实现传感器在管(或杆)中的快速拆装。
2、单个半环传感组件里并排放置两组检测线圈通入相位相差90°的交流信号可实现超声导波在管(或杆)中传播的方向控制。
附图说明
图1传感器整体组装示意图；
图2传感器工作原理示意图；
图3传感器安装俯视图
图4半环传感组件示意图
图5缺陷检测实验装置示意图
图6沿钢管左侧方向的导波时域信号
图7沿钢管右侧方向的导波时域信号
图中：1-金属管2-柱销3-橡胶外壳4-铁钴合金条带5-环氧树脂层6-永磁体阵列7-弹性卡扣8-检测线圈9-偏置磁场10-交变磁场11-成型支座
具体实施方式
依据以上发明内容，基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器可提供以下实施方式。
基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器可以直接对管道进行缺陷的快速检测，也可以通过使用环氧树脂将传感器粘在管(或杆)中来实现长期的有效监测。
下图结合附图和以上实施方式对于本发明做进一步的说明，且下面提供的具体实施实例只是描述性，不是限定性，不能以此来限定本发明的保护范围。
如图1为基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器的组装示意图。传感器主要由两个对称的半环传感组件构成，通过弹性卡扣7连接包覆于管道表面。每个半环传感组件主要包括双排永磁体阵列6、两条铁钴合金条带4、检测线圈8、橡胶外壳3和环氧树脂层5。每个半环传感组件内侧涂上固化的环氧树脂层5，用于与管(或杆)耦合。当传感器安装于待测管道后，两组检测线圈8内通入相位相差90°的交流信号，即可在管道中产生方向可控的扭转模态导波，用于管道缺陷检测。
如图5所示，传感器安装在内径98mm、外径102mm的钢管中，传感器距离左侧端面500mm，在距离传感器安装位置约1000mm处人工加入一槽形缺陷。传感器在管道中激励产生128kHz的超声导波沿着管道传播。传感器接收的信号波形图如图6、图7所示，各接受了6个波包信号。
依据图5所示超声导波在管中的传播路径分析结果可知，图6、图7中有“T1”、“T2”、“T3”、“T4”、“T5”和“T6”六个回波信号。图6是传感器沿着管左侧方向激励得到的回波信号，可以看出“T1”和“T6”有较大的波包，其他几组信号波包较小，说明激励出的导波信号主要沿着左侧方向移动；图7是传感器沿着管右侧方向激励得到的回波信号，可以看出“T5”和“T6”有较大的波包，其他几组信号波包较小，说明激励出的导波信号主要沿着右侧方向移动。图6、图7两组信号对比可知，该传感器基本实现了超声导波在管(或杆)中传播的方向控制，能控制大部分导波的传播方向。依据信号“T5”与信号“T6”的传播距离差△l＝1000mm和传播时间△t＝0.318ms，计算得到超声导波的群速度约为3144.7m/s。这与计算得到的钢管中T(0,1)模态的群速速Vg＝3266m/s基本一致，表明传感器所激励的超声导波为T(0,1)模态超声导波。实验信号具有较高的信噪比，且可明显分辨出缺陷回波信号，说明本发明所提供的传感器可有效工作。

Claims (2)

1.基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，其特征在于：该传感器包括两个对称的半环传感组件，每个半环传感组件均由双排永磁体阵列(6)、两条铁钴合金条带(4)、检测线圈(8)、橡胶外壳(3)和环氧树脂层(5)构成，两个半环传感组件通过安装于橡胶外壳(3)上的弹性卡扣(7)进行连接以包覆于管道表面；
两条铁钴合金条带(4)预弯成弧型，弧型内径和被测管道的外径相同，两条铁钴合金条带(4)的两侧由成型支座(11)固定；检测线圈(8)以固定间距方式分别缠绕于两条铁钴合金条带(4)上，对检测线圈(8)通入交变电流以形成沿铁钴合金条带(4)长度方向的交变磁场(10)；双排永磁体阵列(6)中的矩形永磁体均以同向方式吸附于铁钴合金条带(4)的外侧，提供沿铁钴合金条带(4)宽度方向的静态偏置磁场；铁钴合金条带(4)内侧固化有环氧树脂层(5)，橡胶外壳(3)用于封装半环传感组件；当传感器安装于待测管道后，两组检测线圈(8)内通入相位相差90°的交流信号，即在管道中产生方向可控的扭转模态导波，实现管道缺陷检测。
2.根据权利要求1所述的基于双环永磁体阵列的扭转模态导波磁致伸缩传感器，其特征在于：缠绕在铁钴合金条带(4)上的检测线圈(8)中通入交流信号，产生交变磁场(10)，方向沿着铁钴合金条带(4)的圆周方向；圆周放置在铁钴合金条带(4)上的磁场方向同向的永磁体阵列产生稳定的静态偏置磁场(9)，方向沿着铁钴合金条带(4)的宽度方向；静态偏置磁场(9)与交变磁场(10)方向正交，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带(4)中将产生剪切变形，经环氧树脂传递至管后，沿着管方向传播以形成扭转模态超声导波。
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