CN109580766B - 一种扭转模态导波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无损检测相关技术领域，其公开了一种扭转模态导波传感器，该导波传感器包括传感器外壳、换能器件及锁紧组件，该传感器外壳包括第一弧形板及第二弧形板，该第一弧形板与该第二弧形板为相同的半圆形弧形板，且该第一弧形板的一端与该第二弧形板的一端之间形成活动链接；该锁紧组件设置在该传感器外壳上，该第一弧形板通过该锁紧组件可分离地连接于该第二弧形板，以使得该传感器外壳处于活动状态或者锁紧状态；该换能器件包括高饱和磁致伸缩带和多匝线圈，其设置在传感器外壳的内侧，通过将一个激励源信号加入到多匝线圈，使得高饱和磁致伸缩带产生振动，进而在待测构件中激励出扭转模态导波。本发明结构简单，不需偏置磁场，安装方便。

Description

一种扭转模态导波传感器
技术领域
本发明属于无损检测相关技术领域，更具体地，涉及一种扭转模态导波传感器。
背景技术
管道、铁丝绳等构件在各个行业领域中都有着广泛地使用，但由于外部环境的作用，构件在结构上易出现损伤，因此，需要对构件进行定期检测。现有的无损检测技术中，导波检测技术具有单点激励即可完成长距离检测、不可达区域检测、构件横截面损伤100％检测等优势。
目前，用于构件检测的导波传感器主要有压电式、洛伦兹力式和磁致伸缩式，其中磁致伸缩式导波传感器具有易于制作、成本较低、便于安装等优点，应用较为广泛。常用的磁致伸缩导波传感器分为接触式和非接触式两种类型，其中接触式的耦合效率高、检测灵敏度好；扭转模态导波在构件中仅存在切向位移，适用于带包覆层和充液构件的检测，所以接触式扭转模态磁致伸缩导波传感器具有广阔的应用前景。但是目前接触式扭转模态导波传感器多采用预磁化的磁致伸缩带来提供偏置磁场，易退磁，检测信号不稳定。相应地，本领域存在着发展一种无需偏置磁场的扭转模态导波传感器的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种扭转模态导波传感器，其基于现有的导波传感器的工作特点，研究及设计了一种无需偏置磁场且成本较低的扭转模态导波传感器。所述导波传感器作为激励传感器时，其基于磁致伸缩效应，利用与高饱和磁致伸缩带带长方向成45°角斜向绕制的多匝线圈，在高饱和磁致伸缩带中产生斜向交变磁场，引起磁致伸缩应变，进而在构件中激励出扭转模态导波；该导波传感器作为接收传感器时，基于磁致伸缩逆效应，实现了扭转模态的接收。由此该导波传感器无需以预磁化、永磁磁化或者直流磁化的方式提供静态偏置磁场，只需要在斜向设置的多匝线圈中通入交流电信号，结构简单，安装方便，易于现场检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种扭转模态导波传感器，所述导波传感器包括传感器外壳、换能器件及锁紧组件，所述传感器外壳包括第一弧形板及第二弧形板，所述第一弧形板与所述第二弧形板为相同的半圆形弧形板，且所述第一弧形板的一端与所述第二弧形板的一端之间形成活动链接；所述锁紧组件设置在所述传感器外壳上，所述第一弧形板通过所述锁紧组件可分离地连接于所述第二弧形板，以使得所述传感器外壳处于活动状态或者锁紧状态；
所述换能器件设置在所述传感器外壳的内侧，通过将一个激励源信号加入到所述换能器件，使得所述换能器件产生振动，进而在待测构件中激励出扭转模态导波。
进一步地，所述第一弧形板开设有第一弧形槽，所述第二弧形板开设有与所述第一弧形槽相连通的第二弧形槽，所述第一弧形槽与所述第二弧形槽内分别设置有粘合剂，所述换能器件通过所述粘合剂设置在所述传感器外壳的内侧。
进一步地，所述粘合剂的形状及尺寸与所述第二弧形槽的形状及尺寸相对应；所述第一弧形槽与所述第二弧形槽相同。
进一步地，所述换能器件包括多匝线圈及高饱和磁致伸缩带，所述多匝线圈沿与所述高饱和磁致伸缩带的长度方向呈45°夹角斜向绕制在所述高饱和磁致伸缩带上。
进一步地，所述扭转模态导波传感器还包括接头，所述接头的一端穿过所述传感器外壳后连接于所述换能器件引出的两条导线，另一端用于外接激励信号源。
进一步地，所述锁紧组件包括两个支座、双头螺柱、拉链及锁紧扣，所述第一弧形板的一端与所述第二弧形板的一端通过合页形成转动连接；两个所述支座间隔设置在所述第一弧形板的另一端，所述双头螺柱的两端分别连接于所述支座；所述拉链的一端连接于所述双头螺柱，另一端可分离地连接于所述锁扣；所述锁紧扣设置在所述第二弧形板的另一端，其用于锁紧所述拉链，继而将所述导波传感器压在待测构件上。
进一步地，所述导波传感器处于活动状态时，所述第一弧形板通过转动来调节其与所述第二弧形板之间的空间，由此将待测构件收容于所述导波传感器内。
进一步地，所述导波传感器工作时，所述换能器件远离所述传感器外壳的一侧设置有耦合剂，其通过所述耦合剂与待测构件接触。
进一步地，所述换能器件被接入交流电信号后，其产生的振动通过所述耦合剂传递给待测构件，并在待测构件内产生扭转模态导波。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的扭转模态导波传感器主要具有以下有益效果：
1.通过将一个激励源信号加入到所述多匝线圈，使得所述高饱和磁致伸缩带产生振动，进而在待测构件中激励出扭转模态导波，即只需在斜向设置的多匝线圈中通入交流电信号，即可在构件中激励扭转模态导波，成本较低。
2.所述高饱和磁致伸缩带无需进行预磁化，不需要偏置磁场，结构简单、安装方便、易于现场检测。
3.该传感器无偏置磁场，应用于铁磁性构件时没有磁力作用，应用于非铁磁性金属构件时没有洛伦兹力作用，其耦合机理仅为磁致伸缩应变。
附图说明
图1是本发明提供的扭转模态导波传感器处于使用状态时的示意图。
图2是图1中的扭转模态导波传感器的传感器外壳的局部示意图。
图3是图1中的扭转模态导波传感器的局部示意图。
图4是图1中的扭转模态导波传感器换能器件中的高饱和磁致伸缩带中电流方向和磁场分布示意图。
图5是图1中的扭转模态导波传感器的安装示意图。
图6是采用图1中的扭转模态导波传感器涉及的不锈钢管的群速度频散曲线图。
图7是图1中的扭转模态导波传感器涉及的实验平台的传感器布置示意图。
图8是采用图1中的扭转模态导波传感器获得的检测信号示意图。
图9是采用图1中的扭转模态导波传感器获得的检测信号频谱图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-构件，2-换能器件，3-传感器外壳，4-锁紧扣，5-拉链，6-接头，7-合页，8-粘合剂，9-双头螺柱，10-支座，11-多匝线圈，12-高饱和磁致伸缩带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的扭转模态导波传感器，所述导波传感器基于磁致伸缩效应。在现有技术中，激励扭转模态导波传感器大多需要两个方向的磁场，需要以预磁化、永磁磁化或者直流磁化的方式提供静态偏置磁场，为此需要预磁化的磁致伸缩带、永磁铁和线圈等布置形式。其中，预磁化的磁致伸缩带易退磁，导致检测信号不稳定，无法实现长期监测，交叉布置的线圈需要直流源和交流信号源两个输入，成本较高，而本发明通过对传感器的结构及部件链接关系进行设计，使得所述导波传感器仅需要一个激励源，且高饱和磁致伸缩带无需进行预磁化，不需要偏置磁场，结构简单，安装方便，易于现场检测。
所述导波传感器适用于构件1中激励扭转模态导波及接受扭转模态导波。所述导波传感器包括由两个相同的半圆形的弧形板组成的传感器外壳3、设置在所述传感器外壳3内侧的换能器件2、设置在所述传感器外壳3上的锁紧扣4、间隔设置在所述传感器外壳3上的两个支座10、两端分别连接于所述支座10的双头螺柱9、一端套设在所述双头螺柱9上的拉链5、设置在所述传感器外壳3上的合页7及连接于所述换能器件2的接头6。本实施方式中，所述支座10、所述双头螺柱9、所述拉链5及所述锁紧扣4组成锁紧组件。
组成所述传感器外壳3的弧形板分别为第一弧形板及第二弧形板，所述第一弧形板与所述第二弧形板的半径相同，且两者均为半圆形，两者的首尾相连组成整个圆形。所述合页7分别连接所述第一弧形板的一端及所述第二弧形板的一端。两个所述支座10设置在所述第一弧形板的另一端，两者相对间隔设置。所述双头螺柱9的两端分别连接于所述支座10，且所述双头螺柱9的长度方向与所述第一弧形板的弧长方向垂直。所述锁紧扣4设置在所述第二弧形板的另一端，其与所述双头螺柱9相对设置。所述拉链5的一端连接于所述双头螺柱9，另一端通过穿过所述锁紧扣4，以使所述锁紧扣4锁紧所述拉链5，进而将所述导波传感器锁紧在所述构件1上。
本实施方式中，所述第一弧形板及所述第二弧形板的内侧分别开设有相同的第一弧形槽及第二弧形槽，所述第一弧形槽及所述第二弧形槽相连通，且所述第一弧形槽及所述第二弧形槽内分别设置有粘合剂8，所述粘合剂8的形状及尺寸与所述第二弧形槽的形状及尺寸相对应，所述第一弧形槽与所述第二弧形槽相同。
所述换能器件2设置在所述粘合剂8上，且所述换能器件2通过所述粘合剂8设置在所述传感器外壳3的内侧。所述换能器件2包括多匝线圈11及高饱和磁致伸缩带12，所述多匝线圈11缠绕在所述高饱和磁致伸缩带12上。所述多匝线圈11沿与所述高饱和磁致伸缩带12的长度方向呈45度夹角斜向绕制在所述高饱和磁致伸缩带12上。
所述接头6的一端穿过所述传感器外壳3后连接于所述换能器件2引出的两条导线，其另一端用于外接激励信号源，以对所述多匝线圈11进行加载。
请参阅图5，所述的扭转模态导波传感器的安装过程包括以下步骤：
步骤一，将所述导波传感器临近所述锁紧扣4的一端打开，在所述换能器件2远离所述传感器外壳3的一侧上涂抹适量的耦合剂。
步骤二，将带有所述耦合剂的所述导波传感器夹持在待测构件上，将所述拉链5远离所述接头6的一端拉紧，以使所述传感器外壳3紧紧被压在待测构件上，同时通过所述锁紧扣4将所述拉链5锁紧，由此使得所述换能器件2通过所述耦合剂与所述待测构件充分接触。
如上所述的扭转模态导波传感器无需以预磁化、永磁磁化或直流磁化的方式提供静态偏置磁场，只需在所述导波传感器的所述接头6中通入交流电信号到所述多匝线圈11，即可在所述高饱和磁致伸缩带12中产生振动，通过所述耦合剂将振动传递给构件，并在构件中激励出扭转模态导波。
以下以一个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
请参阅图6及图7，实验所用检测构件为牌号AISI 304的不锈钢管，外径为73mm，壁厚为3mm，长度为2505mm；其中激励端距离不锈钢管右端部1000mm，接收端距离不锈钢管右端部500mm。此外，激励端和接收端均采用本发明提出的扭转模态导波传感器，其中传感器外壳3由尼龙材料制成；高饱和磁致伸缩带宽为50mm，厚为0.1mm，长为228mm，斜向多匝线圈11为80匝线径为0.49mm的漆包线。
工作时，将所述扭转模态导波传感器安装于不锈钢管的激励端和接收端，其中所述换能器件2均使用耦合剂粘贴于不锈钢管上；把3个周期为55kHz的加汉宁窗调制的正弦激励信号通过所述接头6加入多匝线圈11，由此所述高饱和磁致伸缩带12产生振动，并通过耦合剂将振动传递给不锈钢管，在不锈钢管中激励出扭转模态导波，基于磁致伸缩逆效应，接收端传感器接收到检测信号。
请参阅图8及图9，接受信号经过滤波和方法后，检测频谱图中可看到电磁脉冲、通过信号、近端部回波信号、远端部回波信号和近端部二次回波信号，右行通过信号到达时间为0.1549ms，计算波速为3227m/s，右行近端部回波到达时间为0.4724ms，计算波速为3175m/s，左行远端部回波到达时间为1.102ms，计算波速为3185m/s，左行二次反射回波到达时间为1.396ms，计算波速为3231m/s。根据频散曲线，T(0,1)模态导波理论群速度为3200m/s，因此可以认为该导波传感器可以在不锈钢管中激励和接收非频散的扭转模态导波。
本发明提供的扭转模态导波传感器，所述导波传感器作为激励传感器时，利用与高饱和磁致伸缩带带长方向成45度角斜向绕制的多匝线圈，在高饱和磁致伸缩带中产生斜向交变磁场，引起磁致伸缩应变，进而在构件中激励出扭转模态导波。此外，所述导波传感器只需要一个激励源，且高饱和磁致伸缩带无需进行预磁化，不需要偏置磁场，结构简单，安装方便，易于现场检测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扭转模态导波传感器，其特征在于：
所述导波传感器包括传感器外壳、换能器件及锁紧组件，所述传感器外壳包括第一弧形板及第二弧形板，所述第一弧形板与所述第二弧形板为相同的半圆形弧形板，且所述第一弧形板的一端与所述第二弧形板的一端之间形成活动链接；所述锁紧组件设置在所述传感器外壳上，所述第一弧形板通过所述锁紧组件可分离地连接于所述第二弧形板，以使得所述传感器外壳处于活动状态或者锁紧状态；
所述换能器件设置在所述传感器外壳的内侧，通过将一个激励源信号加入到所述换能器件，使得所述换能器件产生振动，进而在待测构件中激励出扭转模态导波；
所述换能器件包括多匝线圈及高饱和磁致伸缩带，所述多匝线圈沿与所述高饱和磁致伸缩带的长度方向呈45°夹角斜向绕制在所述高饱和磁致伸缩带上。
2.如权利要求1所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述第一弧形板开设有第一弧形槽，所述第二弧形板开设有与所述第一弧形槽相连通的第二弧形槽，所述第一弧形槽与所述第二弧形槽内分别设置有粘合剂，所述换能器件通过所述粘合剂设置在所述传感器外壳的内侧。
3.如权利要求2所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述粘合剂的形状及尺寸与所述第二弧形槽的形状及尺寸相对应；所述第一弧形槽与所述第二弧形槽相同。
4.如权利要求1所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述扭转模态导波传感器还包括接头，所述接头的一端穿过所述传感器外壳后连接于所述换能器件引出的两条导线，另一端用于外接激励信号源。
5.如权利要求1-4任一项所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述锁紧组件包括两个支座、双头螺柱、拉链及锁紧扣，所述第一弧形板的一端与所述第二弧形板的一端通过合页形成转动连接；两个所述支座间隔设置在所述第一弧形板的另一端，所述双头螺柱的两端分别连接于所述支座；所述拉链的一端连接于所述双头螺柱，另一端可分离地连接于所述锁紧扣；所述锁紧扣设置在所述第二弧形板的另一端，其用于锁紧所述拉链，继而将所述导波传感器压在待测构件上。
6.如权利要求1-4任一项所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述导波传感器处于活动状态时，所述第一弧形板通过转动来调节其与所述第二弧形板之间的空间，由此将待测构件收容于所述导波传感器内。
7.如权利要求1-4任一项所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述导波传感器工作时，所述换能器件远离所述传感器外壳的一侧设置有耦合剂，其通过所述耦合剂与待测构件接触。
8.如权利要求7所述的扭转模态导波传感器，其特征在于：所述换能器件被接入交流电信号后，其产生的振动通过所述耦合剂传递给待测构件，并在待测构件内产生扭转模态导波。
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