CN109444271A - 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，包括连接器、外壳顶盖、外壳底座、振动元件、弹性基底、螺线管线圈、永磁铁、减震单元；所述的振动元件为用铽镝铁铸造的长方体型，所述的振动元件的外壁上缠绕所述的螺线管线圈，且在长度方向上伸缩振动，使得激励L模态导波；所述的弹性基底为用坡莫合金一体铸造的U型，且U型开口处与所述的振动元件采用环氧树脂粘结成一体，U型底部与管道表面耦合。本发明的振动元件与弹性基底组成的特殊复合结构，能实现换能器在管道任意表面检测，以解决管道运输中检测装置损耗大，计量不准以及效率低的问题。

Description

一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器。

背景技术

管道运输是一种重要的输送方式，尤其是在石油、化工、天然气、城市供水等方面发挥着不可替代的作用，然而由磨损、腐蚀、意外伤害引起的管道损伤导致的管道泄漏时有发生，给国家和人民的财产及安全带来极大的危害，且会严重污染环境、影响生态。为了减少甚至避免此类危害的发生，工业管道安全检测尤为重要。

目前，管道无损检测的常规方法主要有：超声、射线、磁粉、涡流和渗透技术，但这些技术都必须逐点检测，检测速度慢，不能适用于长距离的工业管道检测。为了解决这些问题，超声导波技术应运而生，超声导波技术很大程度上克服此类缺点，它具有沿传播路径衰减小，传播距离远的特点，并且接收到的信号携带从激励点到接收点的管道整体的信息，能够在线检测长距离、充液和带有包覆层的管道，在长距离工业管道的在线检测方面优势明显，是一种很有研究价值且值得推广的无损检测技术。

现有的发射换能器有几种，最早应用的磁致伸缩材料通常是叠式镍片制成的换能器，它的效率低，成本高。自60年代以来，压电陶瓷材料制成的压电式换能器一直是最通用的换能器，它比镍片制成的换能器的效率有了很大的提高，在一般情况下能满足工程使用要求。但由于受到压电陶瓷本身性能的限制，驱动力不够高，激励的能量较小，能量转换效率较低，信噪比较低。20世纪70年代，美国A.E.Clark发现了稀土合金，具有超磁致伸缩效应，该合金由磁致伸缩效应引起的最大应变比传统的水声换能器使用的压电陶瓷大6-20倍，能量密度约为压电陶瓷的10-20倍，而声速只有压电陶瓷的2/3-3/4。因此，在相同体积的条件下，超磁致伸缩水声换能器的共振频率比压电陶瓷水声换能器的共振频率低2/3-3/4。由于利用稀土超磁致伸缩材料制造的换能器具有发射功率大、体积小、重量轻的特点，使其在研制低频大功率水声换能器等方面得到了足够的重视和应用。80年代，美国等发达国家已经研制出各种稀土换能器，并应用于军事领域。瑞典已成功研制了扫雷用的声功率达151KW的弯张稀土换能器。

专利文献CN2458091Y公开了一种磁致伸缩超声换能器，磁致伸缩材料在受到偏置磁场和激励线圈的作用下产生振动，该振动通过变幅杆传递出去。该换能器振动由磁致伸缩材料产生，但产生的振动间接通过变幅杆传递，因此变幅杆的振动输出只占磁致伸缩材料振动的一部分，换能器的能量损耗大，效率低。

专利文献CN105954362A公开了一种用于快速检测的超声导波发生器，磁路体采用稀土超磁致伸缩材料制成，其上端抵靠在永磁体下端端面，其上端穿过窗口下侧边抵靠在被检管道的端面。该发生器仅局限于管道端面的检测，无法实现在管道任意表面检测，这极大的限制了其应用，无法在实际检测工作中使用。

专利文献CN1276272C，公开了一种稀土超磁致伸缩多功能测井声波发射震源。该振源是一种采用磁致伸缩材料驱动的换能器，它具有作为发声板的两个半圆形棒，中间夹持一个磁致伸缩元件，通过螺钉将两个半圆形的棒组合在一起，夹紧中间沿棒径向放置的磁致伸缩元件，形成圆柱状结构。当通过驱动线圈对磁致伸缩元件施加驱动磁场时，磁致伸缩材料产生形变，使夹持磁致伸缩元件的半圆形棒发声板产生弯张变形，发出声波。该发生器输出的振幅小，且没有设计吸波材料消除余震，亦没有设计匹配层以增强换能器的声强透射率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，以解决管道运输中检测装置损耗大，计量不准以及效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，包括连接器、外壳顶盖、外壳底座、振动元件、弹性基底、螺线管线圈、永磁铁、减震单元；

所述的振动元件为用铽镝铁铸造的长方体型，所述的振动元件的外壁上缠绕所述的螺线管线圈，且在长度方向上伸缩振动，使得激励L模态导波；所述的弹性基底为用坡莫合金一体铸造的U型，且U型开口处与所述的振动元件采用环氧树脂粘结成一体，U型底部与管道表面耦合，换能器外壳顶盖中装有连接器，螺线管线圈的两端与连接器连接，外壳底座中设有振动元件、弹性基底、减震单元、永磁铁；振动元件与减震单元采用环氧树脂胶粘结成一体；永磁体对称置于振动元件的两侧，永磁铁的一端固定于振动元件的端面，所述的永磁铁的另一端与外壳底座连接；换能器内部有螺线管线圈、振动元件、外壳底座、外壳顶盖、永磁铁、弹性基底和振动元件形成的封闭磁回路。

优选地，所述的螺线管线圈密绕于所述的振动元件和减震单元上。

优选地，所述的振动元件与弹性基底连接，U型弹性基底底面用于与管道表面耦合传递振动，振动元件在其长度方向上伸缩振动，并通过连接约束将振动传递至弹性基底，振动元件宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4-1/8，振动元件的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，

式1)中l_T为材料长度，f₀是谐振频率，E_T为材料弹性系数，ρ_T为材料密度。

优选地，所述的弹性基底的材质为坡莫合金，U型基底高度为5mm，基底厚度为1mm，长度及宽度与振动元件相同。

优选地，所述的减震单元为高衰减、低阻抗的减震层，所述的减震层由碳化硅层、环氧树脂层、聚硫橡胶层组成，所述的碳化硅层、环氧树脂层、聚硫橡胶层的质量比为6:3:2。

优选地，所述的减震单元的长度和宽度尺寸与振动元件的尺寸一致，减震单元的厚度按照衰减公式2)设计，减震单元的高度尺寸为2mm-4mm。

式2)中，α表示减震单元的材料能量衰减率，d表示减震单元的厚度。

优选地，所述的永磁铁采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼，所述的直径范围为5mm-8mm，所述的厚度范围为2mm-6mm。

优选地，所述的螺线管线圈采用漆包铜线，在减震单元与振动元件上密绕而成，螺线管线圈的直径范围为0.1mm-0.31mm，缠绕的层数在2-5层。

优选地，所述的螺线管线圈填充系数的设计按照式3)设计，将线圈填充系数控制在10％-12.5％范围内，使传感器磁通量的泄漏变小，磁场强度和磁场均匀性增大，从而达到最大的应变量，

式3)中，S_T表示GMM材料横截面积，S_C表示交变线圈横截面积，γ表示线圈填充系数。

优选地，所述的外壳顶盖的底部开有矩形凸台，所述的矩形凸台的中心开有第二圆形通槽；所述的外壳底座顶部开有的矩形通槽，矩形通槽上开有第一圆形槽；所述的矩形凸台安装在矩形通槽里，第一圆形通槽和第二圆形通槽位置相对应，连接器安装于第二圆形通槽里，所述的螺线管线圈的两端通过第一圆形通槽与连接器连接。

有益效果：由于本发明振动元件与弹性基底组成的特殊复合结构，能实现换能器在管道任意表面检测，同时也避免了现有磁致伸缩传感器振子材料直接与管道接触造成传感器的损耗和失效，延长了使用寿命。由于本发明弹性基底的特殊结构，提高了传感器与管道表面的耦合程度与稳定性，避免了现有刀型磁致伸缩传感器振子结构的不对称性易发生倾倒，降低管道表面的耦合程度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)换能器内部设计有减震单元，是按一定配方调配的减震吸波材料，能有效吸收振动元件与弹性基底组成的复合结构厚度方向上的振动，提高信号的信噪比。所述的磁回路由螺线管线圈—振动元件—弹性基底外—壳底座—外壳顶盖—永磁铁—振动元件，形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。

(2)所述的连接器采用MCX连接器，有利于探头尺寸缩小，采用的是推入式连接方式，使得连接器的连接与分离非常迅速，缩短了连接器的安装时间。

附图说明

图1为本发明换能器的主视图示意图；

图2为本发明换能器的俯视图示意图；

图3为本发明换能器复合振动结构三视图；

图4为本发明换能器的外壳底座主视图示意图；

图5为本发明换能器的外壳底座俯视图示意图；

图6为本发明换能器的外壳顶盖主视图示意图；

图7为本发明换能器的外壳顶盖左视图示意图；

图8为本发明换能器的激励效果示意图；

图9为没有设计减震单元的换能器激励效果图；

图10为铽镝铁应变与磁场强度关系图；

图11为复合振动结构的振动模拟图；

图12为矩形铽镝铁的振动模拟图；

图13为直径为108mm的碳钢管道的相速度频散曲线；

图14为复合振动结构长度尺寸与长度方向谐振频率关系实验结果图；

图15为不同材料弹性基底与回波电压幅值实验结果图；

图16为永磁体不同布置方式实验结果图；

图17为永磁铁数量的实验结果图；

图18为螺线管线圈参数的实验结果图；

图19为填充系数与相对灵敏度关系实验结果图；

图20为常用的永磁材料的退磁曲线；

图21A为本发明的实施例的背衬高度为7mm的实验结果图；

图21B为本发明的背衬高度为6mm的实验结果图；

图21C为背衬高度为4mm的实验结果图；

图21D为没有背衬的实验结果图。

其中：1连接器、2外壳顶盖、3螺线管线圈、4减震单元、5振动元件、6外壳底座、7永磁铁、8弹性基底、9矩形通槽、10第一圆形槽、11凹槽、12第二圆形通槽、13矩形凸台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-21所示，本发明提供了一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，由于振动元件与弹性基底组成的特殊复合结构，使得换能器能与管道任意表面耦合，实现检测的同时也保护了磁致伸缩元件；

由于换能器内部设计有一种高衰减、低阻抗的减震单元，用于吸收铽镝铁的余震及复合结构带来的垂直于管道方向的不必要的微小振动，提高检测信号的信噪比；传感器内部形成封闭的磁回路，防止了磁场的泄漏，提高了机电转化效率；传感器连接器采用MCX连接器，有利于尺寸的缩小，利于换能器的小型化和环形阵列的使用。

如图1-7所示，为本发明所述的所示用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器的一种实施方式，所述的换能器包括振动元件5，与振动元件5上表面用环氧树脂胶粘接的减震单元4，与振动元件5的下表面用环氧树脂胶粘接的U型弹性基底8，密绕在减震单元4与振动元件5的外表面上的螺线管线圈3，安装于振动元件5的两端的钕铁硼永磁铁7，顶部开有矩形通槽9、底部有凹槽11、且顶部开有第一圆形通槽10的外壳底座7，有矩形凸台13及开有第二圆形通槽12的外壳顶盖2，安装于外壳顶盖的圆形通槽12里的MCX连接器1。

所述的振动元件5的上表面与减震单元4采用环氧树脂胶粘接，在振动元件5的外表面缠绕螺线管线圈以提供驱动磁场，用绝缘漆涂抹于线圈，防止线圈松散及达到绝缘的目的；振动元件5的下表面用环氧树脂胶粘接的U型弹性基底8的下底面与管道表面耦合，在管道长度方向伸缩振动；换能器外壳顶盖2中装有MCX连接器1，用于检测信号的传输，外壳底座7的槽11中装有振动元件5、弹性基底8、减震单元4、永磁铁7；永磁体7的一端固定在振动元件5的端面，永磁体8的另一端靠吸力与铁磁性材料做成的外壳底座7相吸，永磁体8提供偏置磁场以消除倍频效应。换能器内部有封闭的磁回路，所述的磁回路由螺线管线圈3—振动元件5—弹性基底8—外壳底座7—外壳顶盖2—永磁铁7—振动元件5形成，防止磁场的泄露。

所述的换能器的振动元件5为铽镝铁(Terfenol-D)是一种稀土元素铽(Tb)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物，形状为矩形结构。振动元件5与减震单元4粘接，采用卡速特环氧树脂。振动元件5下表面采用环氧树脂胶与弹性基底8粘接形成复合振动结构，如图3所示。该振动元件5在驱动磁场及偏置磁场的共同作用下，产生振动并将振动传递给弹性基底8，通过弹性基底下表面14与管道表面的耦合，振动元件5与弹性基底下表面14在长度方向伸缩振动，产生导波用于检测。

由于本发明的振动元件5与弹性基底8组成的为特殊的复合振动结构，与传统的矩形或者圆棒形不同，由于U型弹性基底材料和Terfenol-D材料的应变系数不同，使得Terfenol-D部分会产生弯曲振动，因此可能带来如图11曲线UZ所示的垂直于管道方向的微小振动，其中，曲线UX：X方向的振动；曲线UY：Y方向的振动；曲线UZ：Z方向的振动。图12所示为矩形铽镝铁的振动模拟图，可以看出矩形铽镝铁只有长度方向的振动，其中曲线UX：X方向的振动；曲线UY：Y方向的振动；曲线UZ：Z方向的振动。由于本发明在振动元件5的表面设计有减震单元4，能有效的消除振动元件5垂直于管道方向如图11曲线UZ的振动。振动元件5长度方向振动，要求振动元件5的宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4-1/8，长度尺寸根据谐振频率计算，谐振频率约等于导波检测的中心频率，导波检测的中心频率范围则由频散曲线确定。当所检测的管道为内径为98mm，外径108mm的碳钢管道时，在0-150kHz的频率范围内的相速度频散图如图13所示，对L(0，2)模态(17)而言，其相速度在30-120kHz的频率范围内基本一致，这表示其频散很小，反应到实际图像中就是波包的时域长度变化很小，同时在这一频率范围内出现的模态数量也相对较少，所以我们将我们的工作范围定在40KHZ-150KHZ左右，则振动元件的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，

式1)中l_T为材料长度，f₀是谐振频率，E_T为材料弹性系数，ρ_T为材料密度。

取铽镝铁的弹性系数为3.5×1010N/m²，密度9250kg/m³，频率为30KHZ-120KHZ范围内的尺寸范围为8.1mm-32.4mm。在保证新型结构振子其他尺寸不变的情况下，研究新型结构振子的长度尺寸和U型弹性基底材料的变化对长度方向谐振频率的影响如图14所示，随着新型结构振子长度尺寸的增大，分别采用铝、45钢、坡莫合金和铜材料为U型弹性基底与Terfenol-D粘接的形成的新型复合结构振子长度方向谐振频率随着振子长度尺寸的增大而减小，且振子长度增大到25mm时长度方向的谐振频率的下降的速率逐渐降低，所以振子结构的长度尺寸为25mm。

换能器的弹性基底5是一种U型结构，其底部14长度与宽度与振子结构5相同，基底壁厚取1mm，基底高度取5mm。对不同材料基底的振子制作的换能器进行试验研究，分析U型弹性基底材料对换能器激励性能的影响。如图15所示，采用坡莫合金材料作为基底制作的导波换能器在相同交变磁场、偏置磁场和激励电压的情况下得到的缺陷回波幅值最大。

所述的减震单元4为高衰减、低阻抗的材料，配方采用碳化硅、环氧树脂、聚硫橡胶按6:3:2比例配置而成，采用环氧树脂胶与振动元件5的背面粘接。由于振动元件5产生的振动会向背面辐射，因此设计减震单元4用于吸收振动元件5向背面辐射的能量，从而使振动元件5尽快停止振动，提高换能器的轴向分辨率。由于检测采用超声导波，频率较低，所以能量较小，采用高阻抗的减震层对传播到检测介质中的能量影响大，因此采用低阻抗，高衰减的减震层。加入减震单元4的换能器激励效果如图8所示，图9为没有减震单元的换能器激励效果图，图8中杂波较小，三条焊缝及端面回波清晰可见，而图9中除了三条焊缝及端面以外，杂波也较大，影响焊缝的识别，可以看出减震单元4对于提高激励信号的信噪比起到了很大的作用，提高了缺陷识别的灵敏度。减震单元4的长度和宽度与振动元件5的尺寸一致，高度的选择通过厚度按照衰减公式的方式，

式2中，α表示减震层的材料能量衰减率。

根据测量，取减震层衰减系数α＝3.2-6.5，则减震单元高度为2mm-4mm，并通过测试的回波信号的信噪比进行调整。图21为减震高度在2-4mm的回波图，其中21A图为背衬高度4mm，21B图为背衬高度3mm，21C图为背衬高度2mm，21D图为没有背衬，通过试验选择背衬高度为2mm，此时信噪比较高，缺陷识别率较好。

附图5和附图6为所述的换能器外壳顶盖2的主视图和俯视图示意图，外壳顶盖2采用高磁导率的金属材料制成，如附图5和附图6所示，在外壳顶盖2的底部有矩形凸台13，用于与外壳底座7的配合，在矩形凸台13的中心开有第二圆形通槽12，用于安装连接器1，连接器1采用环氧树脂胶与顶盖2中的圆形通槽12周围粘接，防止松散。螺线管线圈3的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈3另一端与连接器1的另一引脚焊接作为负极，利用连接器1的公头引出电极，输入信号。

所述的换能器外壳底座7如附图4和附图5所示，采用高磁导率的金属材料制成，底部开有横向的槽11用于安装减震单元4，振动元件5和弹性基底8，并用环氧树脂胶固定，外壳底座7的顶部中心开有矩形通槽9，矩形通槽9上开有第一圆形通槽10，用于外壳顶盖2的矩形凸台13的配合，实现外壳顶盖2和外壳底座7的装配，并在外壳顶盖2的下表面和外壳底座7的上表面涂有环氧树脂胶，实现固定。

图20为常用的永磁材料的退磁曲线，其中，Ⅰ铁氧体，Ⅱ为铝镍体，Ⅲ为稀土，铝镍体永磁材料Br大，但Hc较小；铁氧体永磁材料较铝镍材料的Hc较大，而钕铁硼永磁材料的Br和Hc都很大，退磁曲线基本为一直线，在永久磁铁的退磁曲线上，不同点对应的磁能积是不同的，其中最大值称为最大磁能积，记为(BH)max，对于永磁材料，一般要求磁能越大越好，所述的永磁铁，7偏置磁场采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼永磁，对于永磁材料，一般要求磁能积较大，是永磁材料的一个重要性能指标。永磁铁7的布置方式通过试验的方式确定，如图16所示，当永磁体采用对称布置和非对称布置时，随着激励频率的增大缺陷回波幅值先增大后减小，且在频率130KHz附近回波幅值最大；采用对称布置的永磁体的缺陷回波幅值明显大于非对称布置，说明相同数量的永磁体采用对称布置时，减少了磁通量的泄漏，复合振子区域内的磁场强度更大且均匀性更好。永磁铁的数量通过试验的方式确定，如图17所示，随着永磁体数目的增大，缺陷回波幅值也逐渐增大，主要是因为永磁体数目增大，提供偏置磁场强度增大，复合振子应变增大，但回波幅值增大速度逐渐减小；由图10材料磁场强度图应变关系知，当永磁体数目为4-6片时，磁场强度约为400-1200e之间处于线性变化区，为了使换能器激励与接收都处于最优条件，永磁体数目选取6片，两端各3片。

所述的螺线管线圈3采用漆包铜线在减震单元4与振动元件5上密绕而成，采用绝缘漆绝缘，环氧树脂胶粘接。螺线管线圈3的直径范围为0.1mm-0.31mm，缠绕的层数在2-5层，给铽镝铁提供长度方向上的磁场。螺线管线圈3的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈3的另一端与连接器的另一引脚焊接作为负极。螺线管线圈3产生的磁场由下式计算设计，如图10所示为磁场强度与铽镝铁应变关系图，设计磁场时应将磁场强度尽量控制在磁场强度与铽镝铁应变关系图10曲线(16)的400-1200Oe范围内，使铽镝铁工作在线性变化区，达到最大的应变量，

估算线圈的厚度：

R₂-R₁＝N·d/L 4)

式3)和4)中H为磁场强度，L为线圈长度，d为线圈的直径，R1为线圈的内半径，R2为线圈的外半径，N为线圈层数，I为激励电流的有效值。

本实施例由于采用电压源函数发生器，所以采用实验的方法通过比较焊缝回波系数来确定螺线管的参数，如图17所示，实验采用直径0.1mm，0.15mm，0.21mm，0.25mm，0.31mm，层数2-5层的漆包铜线，图18可以看出，在直径为0.15mm，层数为3时回波系数最高。

所述的换能器的磁路由螺线管线圈3—振动元件5—弹性基底8—外壳底座6—外壳顶盖2—永磁铁7—振动元件5形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。

所述的螺线管线圈填充系数与交变线圈中心线上磁场强度的大小与线圈内外径相关，线圈周围的磁通量变化会产生感应电动势。所述的螺线管线圈填充系数的设计按照以下公式设计，将线圈填充系数控制在10％-12.5％范围内，使传感器磁通量的泄漏变小，磁场强度和磁场均匀性增大，从而达到最大的应变量，

式5)中，S_T表示磁致伸缩材料横截面积，S_c表示交变线圈横截面积，γ表示线圈填充系数。线圈填充系数参数通过实验的方法来确定螺线管的参数，如图19可知，采用超磁致伸缩导波换能器进行激励与接收试验时，缺陷的相对灵敏度随着填充系数的增大而增大，且增大的速度变缓，在填充系数大于10％时，相对灵敏度大于0.2易于对缺陷的识别，当填充系数增大到12.5％以上时，相对灵敏度增大速度变缓，所以线圈填充系数取12.5％。

本换能器在工作时，将换能器长度方向与管道的轴向平行放置与管道表面，以激励L(0，2)模态的导波进行检测。用MCX连接器公头插入MCX母头内，引出导线，将引出的导线与函数发生器连接，此时可以输入经汉宁窗调制的10周期的正弦信号。螺线管线圈3中产生交变磁场，在永磁体7提供的偏置磁场和螺线管线圈3提供的交变磁场的共同作用下，振动元件5产生周期性的振动并传递到弹性基底8上，该振动通过弹性基底8与被测管道表面的耦合在管道中产生导波，导波到达被测管道的端面后反射回接收换能器。在导波传播的过程中遇到了缺陷会因为声阻抗的不同产生反射，在连接着接收换能器的示波器上会显示一个波包，通过到波包的时间和波速就可以确定缺陷的准确位置，从而实现缺陷的检测。本发明的机电转换效率高，导波激励幅值大，且信噪比高，响应时间短，同时具有与管道的高耦合度和使用寿命久等优点。本发明不仅可以实现对管道的检测，也同样适用于铁轨、锚杆等其他物体的缺陷检测。利用本发明换能器改变放置在检测物体的方向亦能激励出T模态及其他模态，满足不同的检测要求。

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。

最后应说明的是：以上所述的仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器包括连接器(1)、外壳顶盖(2)、外壳底座(6)、振动元件(5)、弹性基底(8)、螺线管线圈(3)、永磁铁(7)和减震单元(4)，所述的振动元件(5)为用铽镝铁铸造的长方体型，所述的振动元件(5)的外壁上缠绕所述的螺线管线圈(3)，且在长度方向上伸缩振动，所述的弹性基底(8)为用坡莫合金一体铸造的U型，且U型开口处与所述的振动元件(5)采用环氧树脂粘结成一体，U型底部与管道表面耦合，换能器外壳顶盖(2)中装有连接器(1)，所述的螺线管线圈(3)的两端与连接器(1)连接，所述的外壳底座(3)中设有振动元件(5)、弹性基底(8)、减震单元(4)和永磁铁(7)；所述的振动元件(5)与减震单元(4)采用环氧树脂胶粘结成一体；永磁体(7)对称置于振动元件(5)的两侧，永磁铁(7)的一端固定于振动元件(5)的端面，永磁铁(7)的另一端与外壳底座(6)连接；

所述的换能器内部有螺线管线圈(3)、振动元件(5)、外壳底座(6)、外壳顶盖(2)、永磁铁(7)、弹性基底(8)和振动元件(5)形成的封闭磁回路。

2.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器，其特征在于：所述的螺线管线圈(3)密绕于所述的振动元件(5)和减震单元(4)上。

3.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器，其特征在于：所述的振动元件(5)与弹性基底(8)连接，U型弹性基底底面用于与管道表面耦合传递振动，振动元件(5)在其长度方向上伸缩振动，并通过连接约束将振动传递至弹性基底(8)，振动元件(5)宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4-1/8，振动元件(5)的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，

式1)中l_T为材料长度，f₀是谐振频率，E_T为材料弹性系数，ρ_T为材料密度。

4.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的弹性基底(8)的材质为坡莫合金，U型基底高度为5mm，基底厚度为1mm，长度及宽度与振动元件(5)相同；所述的减震单元(4)为高衰减、低阻抗的减震层，所述的减震层由碳化硅层、环氧树脂层、聚硫橡胶层组成，所述的碳化硅层、环氧树脂层、聚硫橡胶层的质量比为6:3:2。

5.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的减震单元(4)的长度和宽度尺寸与振动元件(5)的尺寸一致，减震单元的厚度按照衰减公式2)设计，减震单元(4)的高度尺寸为2mm-4mm；

式2)中，α表示减震单元的材料能量衰减率，d表示减震单元的厚度。

6.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的永磁铁(7)采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼，所述的直径范围为5mm-8mm，所述的厚度范围为2mm-6mm。

7.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的螺线管线圈(3)采用漆包铜线，在减震单元(4)与振动元件(5)上密绕而成，螺线管线圈(3)的直径范围为0.1mm-0.31mm，缠绕的层数在2-5层。

8.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的螺线管线圈(3)线圈填充系数的设计按照式3)设计，将线圈填充系数控制在10％-12.5％范围内，使传感器磁通量的泄漏变小，磁场强度和磁场均匀性增大，从而达到最大的应变量，

式3)中，S_T表示GMM材料横截面积，S_C表示交变线圈横截面积，γ表示线圈填充系数。

9.根据权利要求1所述的用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器，其特征在于：所述的外壳顶盖(2)的底部开有矩形凸台(13)，所述的矩形凸台(13)的中心开有第二圆形通槽(12)；所述的外壳底座(7)顶部开有的矩形通槽(9)，矩形通槽(9)上开有第一圆形槽(10)；所述的矩形凸台(13)安装在矩形通槽(9)里，第一圆形通槽(10)和第二圆形通槽(12)位置相对应，连接器(1)安装于第二圆形通槽(12)里，所述的螺线管线圈(3)的两端通过第一圆形通槽(10)与连接器(1)连接。