CN110614213A - 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器 - Google Patents

一种管道检测复合振子结构导波激励换能器 Download PDF

Info

Publication number
CN110614213A
CN110614213A CN201910868425.7A CN201910868425A CN110614213A CN 110614213 A CN110614213 A CN 110614213A CN 201910868425 A CN201910868425 A CN 201910868425A CN 110614213 A CN110614213 A CN 110614213A
Authority
CN
China
Prior art keywords
transducer
vibrator
pipeline
coil
guided wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910868425.7A
Other languages
English (en)
Inventor
姜银方
胡华健
童炳祥
郭永强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Chun Jiang Mechanical And Electrical Equipment Technology Co Ltd
Original Assignee
Nanjing Chun Jiang Mechanical And Electrical Equipment Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Chun Jiang Mechanical And Electrical Equipment Technology Co Ltd filed Critical Nanjing Chun Jiang Mechanical And Electrical Equipment Technology Co Ltd
Priority to CN201910868425.7A priority Critical patent/CN110614213A/zh
Publication of CN110614213A publication Critical patent/CN110614213A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism
    • B06B1/045—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism using vibrating magnet, armature or coil system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/50—Application to a particular transducer type
    • B06B2201/52—Electrodynamic transducer
    • B06B2201/53—Electrodynamic transducer with vibrating magnet or coil
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/262—Linear objects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，尤其是一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，针对现有技术中存在磁致伸缩换能器的输出振子幅值低，与管道任意表面的耦合程度较低，结构较大，且换能器磁致伸缩材料与管道长期接触容易造成线圈漏电以及在外力作用下容易断裂，降低换能器使用寿命的问题，现提出如下方案，其包括换能器，换能器包括连接器、外壳顶盖、外壳底座、振子元件、弹性基底、螺线管线圈、永磁铁、背衬单元，由于本发明振子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换能器振子材料直接与管道接触造成换能器的损耗和失效，延长了使用寿命。

Description

一种管道检测复合振子结构导波激励换能器
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管道检测复合振子结构导波激励换能器。
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子，该振子通过变幅杆传递出去。该换能器振子由磁致伸缩材料产生，但产生的振子间接通过变幅杆传递，因此变幅杆的振子输出只占磁致伸缩材料振子的一部分，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
本发明的目的是为了解决现有技术中存在磁致伸缩换能器的输出振子幅值低，与管道任意表面的耦合程度较低，结构较大，且换能器磁致伸缩材料与管道长期接触容易造成线圈漏电以及在外力作用下容易断裂，降低换能器使用寿命缺点，而提出的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，包括换能器，所述换能器包括连接器、外壳顶盖、外壳底座、振子元件、弹性基底、螺线管线圈、永磁铁、背衬单元；
所述振子元件为铽镝铁Terfenol-D，形状为长方体，外部缠绕螺线管线圈，弹性基底与振子元件环氧树脂胶粘结成一体，形成上- 下复合结构型，弹性基底底部表面与管道表面耦合，通过振子元件振子传递，在长度方向上伸缩振子；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，外壳底座中设有振子元件、弹性基底、背衬单元、永磁铁；振子元件与背衬层采用环氧树脂胶粘结成一体；螺线管线圈密绕于振子元件之上，采用绝缘漆粘接及绝缘；永磁体对称置于振子元件的长度方向两端，永磁体的一端固定于振子元件的一端端面，永磁体的另一端与外壳底座连接；换能器内部有螺线管线圈、弹性基底、外壳底座、外壳顶盖、永磁铁和振子元件形成的封闭磁回路。
上述方案中，所述振子元件包括未粘结弹性基底部分用于缠绕线圈，所述振子元件与弹性基底连接，弹性基底底面用于与管道表面耦合传递振子，振子元件在其长度方向上伸缩振子，并通过连接约束将振子传递至弹性基底，振子元件宽度及厚度的尺寸应小于长度的 1/4～1/8，振子元件的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，
式1)中lT为材料长度，f0是谐振频率，ET为材料弹性系数，ρT为材料密度。
上述方案中，所述弹性基底采用铍青铜材料制成，基底厚度为 0.8mm，长度及宽度与振子元件相同。
上述方案中，所述背衬单元为高衰减、低阻抗的背衬层，配方采用碳化硅、钨粉、环氧树脂、聚硫橡胶按6∶1∶3∶2的比例配置而成。
上述方案中，所述背衬单元的长度和宽度尺寸与振子元件的尺寸一致，背衬单元的厚度按照以下衰减公式设计，背衬单元的高度尺寸为2mm。
式2)中，α表示背衬单元的材料能量衰减率，，d表示背衬单元的厚度。
上述方案中，所述永磁铁采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼，直径范围在5mm～8mm，厚度范围在2mm～6mm。
上述方案中，所述螺线管线圈采用漆包铜线，在背衬单元与振子元件(4)上密绕而成，螺线管线圈的直径范围在0.1mm～0.3mm，缠绕的层数在50～200匝。
上述方案中，所述螺线管线圈线圈占空比例的设计按照以下公式设计，将线圈占空比例控制在6.3％～25％范围内，使换能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，ST表示磁致伸缩材料横截面积，SC表示交变线圈横截面积，γ表示线圈占空比例。
上述方案中，所述外壳顶盖的底部开有矩形突台，所述矩形突台的中心开有第二圆形通槽；所述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；
所述矩形突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，所述螺线管线圈的两端通过第一圆形通槽与连接器连接。
上述方案中，所述连接器采用MCX连接器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.由于本发明振子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换能器振子材料直接与管道接触造成换能器的损耗和失效，延长了使用寿命。
2.由于本发明弹性基底的特殊结构，提高了换能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换能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。
3.换能器内部设计有背衬单元，是按一定配方调配的背衬吸波材料，能有效吸收振子元件与弹性基底组成的复合结构厚度方向上的振子，提高信号的信噪比。
4.所述磁回路由螺线管线圈-振子元件-弹性基底外-壳底座 -外壳顶盖-永磁铁-振子元件，形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。
5.所述连接器采用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。
图2为本发明换能器的俯视图。
图3为本发明换能器复合振子结构三视图。
图4为本发明换能器的外壳底座主视图。
图5为本发明换能器的外壳底座俯视图。
图6为本发明换能器的外壳顶盖主视图。
图7为本发明换能器的外壳顶盖左视图。
图8为本发明换能器的激励效果示意图。
图9为没有设计背衬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为直径为108mm的碳钢管道的相速度频散曲线。
图12为复合振子结构长度尺寸与长度方向谐振频率关系实验结果图。
图13为不同材料弹性基底与回波电压幅值实验结果图。
图14为永磁体不同布置方式实验结果图。
图15为永磁铁数量的实验结果图。
图16为螺线管线圈参数的实验结果图。
图17为占空比例与相对灵敏度关系实验结果图。
图18为常用的永磁材料的退磁曲线。
图19A为背衬高度为3mm的实验结果图。
图19B为背衬高度为2mm的实验结果图。
图19C为背衬高度为1mm的实验结果图。
图19D为没有背衬的实验结果图。
图中：1连接器、2外壳顶盖、3外壳底座、4振子元件、5弹性基底、6螺线管线圈、7永磁铁、8背衬单元、9矩形通槽、10第一圆形通槽、11凹槽、12第二圆形通槽、13矩形凸台、14弹性基底下表面。
具体实施方式
本发明设计了一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，由于振子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、低阻抗的背衬单元，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子，提高检测信号的信噪比；换能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；换能器连接器采用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。
下面结合附图对本发明作进一步说明
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。
参照图1、2、3、4、5、6和7为本发明所述的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器的一种实施方式，所述换能器包括振子元件4，与振子元件4上表面用环氧树脂胶粘接的背衬单元8，与振子元件4的下表面用环氧树脂胶粘接的U型弹性基底5，密绕在背衬单元8与振子元件4的外表面上的螺线管线圈6，安装于振子元件4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3，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2的圆形通槽12里的MCX 连接器1。
所述振子元件4的上表面与背衬单元8采用环氧树脂胶粘接，在振子元件4的外表面缠绕螺线管线圈6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；振子元件4的下表面用环氧树脂胶粘接的U型弹性基底5的下底面与管道表面耦合，在管道长度方向伸缩振子；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3的凹槽11中装有振子元件4、弹性基底5、背衬单元8、永磁铁7；永磁体7的一端固定在振子元件4的端面，永磁体7的另一端靠吸力与铁磁性材料做成的外壳底座3相吸，永磁体7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，所述磁回路由螺线管线圈6-振子元件4-弹性基底5-外壳底座3-外壳顶盖2-永磁铁7-振子元件4形成，防止磁场的泄露。
所述换能器的振子元件4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；振子元件4与背衬单元8粘接，采用卡速特环氧树脂；振子元件4下表面采用环氧树脂胶与弹性基底5粘接形成复合振子结构；如图3所示：该振子元件4在驱动磁场及偏置磁场的共同作用下，产生振子并将振子传递给弹性基底5，通过弹性基底下表面14与管道表面的耦合，振子元件4与弹性基底下表面14在长度方向伸缩振子，产生导波用于检测，振子元件4长度方向振子，要求振子元件4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11所示，对L(0， 2)模态(17)而言，其相速度在50～160kHz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50KHZ～160KHZ左右，则振子元件4的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，
式1)中lT为材料长度，f0是谐振频率，ET为材料弹性系数，ρT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6.1～20mm。考虑到高频时计算得到的振子长度过短会导致激励能量的不足，同时由于后续弹性基底5 及线圈等组件会导致中心频率的上升，而检测频率过高会加剧导波的频散而带来检测距离的缩短，所以在铽镝铁元件尺寸的计算时，应设置较低的谐振频率进行设计，因此选择50kHz进行铽镝铁长度尺寸的计算，代入式(1)得出铽镝铁振子的长度尺寸为20mm。在方形磁致伸缩振子以轴向伸缩进行振子时，按照四分之一波长理论，方形磁致伸缩振子的宽与高应小于其长度值的四分之一，因此本文超磁致伸缩换能器的铽镝铁振子的长宽高尺寸设置为20mm*4mm*1mm。
所述换能器的弹性基底5是一种长方体结构，其弹性基底下表面 14长度与宽度与振子单元4相同，基底壁厚取0.8mm。对不同材料基底的振子制作的换能器进行试验研究，分析弹性基底材料对换能器激励性能的影响。如图13所示，采用铍青铜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焊缝回波系数最大。
所述背衬单元8为高衰减、低阻抗的材料，配方采用碳化硅、钨粉、环氧树脂、聚硫橡胶按6∶1∶3∶2比例配置而成，采用环氧树脂胶与振子元件4的背面粘接，由于振子元件4产生的振子会向背面辐射，因此设计背衬单元8用于吸收振子元件4向背面辐射的能量，从而使振子元件4尽快停止振子，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，采用高阻抗的背衬层对传播到检测介质中的能量影响大，因此采用低阻抗，高衰减的背衬层，加入背衬单元8的换能器激励效果，如图8所示，图9为没有背衬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，可以看出背衬单元8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，背衬单元8的长度和宽度与振子元件4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表示背衬层的材料能量衰减率；
根据测量，取背衬层衰减系数α＝3.2～6.5，则背衬单元高度为 1mm～3mm，并通过测试的回波信号的信噪比进行调整，图19A为背衬高度3mm，图19B为背衬高度2mm，图19C为背衬高度1mm，图19D 为没有背衬，通过试验选择背衬高度为1mm，此时信噪比较高，缺陷识别率较好。
附图5和附图6为所述换能器外壳顶盖2的主视图和俯视图，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3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中的第二圆形通槽12周围粘接，防止松散，螺线管线圈6的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈6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。
所述换能器外壳底座3如附图4和附图5所示，采用高磁导率的金属材料制成，底部开有横向的凹槽11用于安装背衬单元8，振子元件4和弹性基底5，并用环氧树脂胶固定，外壳底座3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3的装配，并在外壳顶盖2的下表面和外壳底座3的上表面涂有环氧树脂胶，实现固定。
图18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14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 120KHz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15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2～8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。
所述螺线管线圈6采用漆包铜线在背衬单元8与振子元件4上密绕而成，采用绝缘漆绝缘，环氧树脂胶粘接，螺线管线圈6的直径范围在0.1mm～0.3mm，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6的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈6的另一端与连接器的另一引脚焊接作为负极，螺线管线圈6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400～12000e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8所示，实验采用直径 0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，层数2～5层的漆包铜线，图16可以看出，在直径为0.15mm，匝数为150时回波系数最高。
所述换能器的磁路由螺线管线圈6-振子元件4-弹性基底5- 外壳底座6-外壳顶盖2-永磁铁7-振子元件4形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。
所述螺线管线圈线圈占空比例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，所述螺线管线圈线圈占空比例的设计按照以下公式设计，将线圈占空比例控制在6.3％～16％范围内，使换能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，ST表示磁致伸缩材料横截面积，SC表示交变线圈横截面积，γ表示线圈占空比例，线圈占空比例参数通过实验的方法来确定螺线管的参数，观察下图17可知，不同占空比例的回波系数变化趋势基本一致，都是先增大后减小，在中心频率120kHz左右达到最高，其次，可以看出占空比例越大缺陷回波系数越高，且试验选取的16％占空比例试验效果最好，11％其次，8％与6.3％两者试验效果较差，基本很难识别出缺陷的回波信号，可以推断占空比例小于8％时便基本失去检测能力，总的来说占空比例应越大越好，因策占空比例为16％。
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连接器母头内，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6中产生交变磁场，在永磁铁7提供的偏置磁场和螺线管线圈6提供的交变磁场的共同作用下，振子元件4产生周期性的振子并传递到弹性基底5上，该振子通过弹性基底5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。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，包括换能器，其特征在于，所述换能器包括连接器(1)、外壳顶盖(2)、外壳底座(3)、振子元件(4)、弹性基底(5)、螺线管线圈(6)、永磁铁(7)、背衬单元(8)；
所述振子元件(4)与弹性基底(5)构成了复合结构；
所述振子元件(4)为铽镝铁Terfeno1-D，形状为长方体型；
所述弹性基底(5)为铍青铜，形状为长方体，厚度为0.8mm，长度为10mm，且与振子元件(4)采用环氧树脂粘结、烘烤成一体，弹性基底(5)底部与管道表面耦合；
所述背衬单元(8)的高度尺寸为1mm～3mm；螺线管线圈(6)绕于振子元件(4)之上，采用绝缘漆粘接及绝缘，螺线管线圈(6)的直径范围在0.1mm～0.3mm，缠绕的层数在50～200匝；
所述永磁体(7)对称置于振子元件(4)的两侧，永磁铁(7)的一端固定于振子元件(4)的端面，另一端与外壳底座(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，其特征在于，所述振子元件(4)的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，振子元件(4)宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4～1/8；
式1)中lT为材料长度，f0是谐振频率，ET为材料弹性系数，ρT为材料密度。
3.根据权利要求1所述的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，其特征在于，所述背衬单元(8)为高衰减、低阻抗的背衬层，配方采用碳化硅、钨粉、环氧树脂、聚硫橡胶按6∶1∶3∶2的比例配置而成，所述背衬单元(8)的长度和宽度尺寸与振子元件(4)的尺寸一致，背衬单元(8)的厚度按照衰减公式式2)设计；
式2)中，α表示背衬单元(8)的材料能量衰减率，，d表示背衬单元(8)的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，其特征在于，所述螺线管线圈(6)采用漆包铜线，在背衬单元(8)与振子元件(4)上密绕而成，所述螺线管线圈(3)线圈占空比例的设计按照式3)设计，将线圈占空比例控制在6.3％～25％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，ST表示GMM材料横截面积，SC表示交变线圈横截面积，γ表示线圈占空比例。
5.根据权利要求1所述的一种管道检测复合振子结构导波激励换能器，其特征在于，所述永磁铁(7)采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼，直径范围在5mm～8mm，数量范围在2～8片。
CN201910868425.7A 2019-09-12 2019-09-12 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器 Pending CN110614213A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910868425.7A CN110614213A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910868425.7A CN110614213A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110614213A true CN110614213A (zh) 2019-12-27

Family

ID=68922923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910868425.7A Pending CN110614213A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110614213A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114002315A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 广东工业大学 一种多模检测探头
CN114101016A (zh) * 2021-11-04 2022-03-01 之江实验室 一种磁控柔性超声换能装置
CN114989565A (zh) * 2022-06-17 2022-09-02 清华大学 复合材料及制备方法、元件、换能器、检测系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106814140A (zh) * 2017-03-03 2017-06-09 江苏大学 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器
CN109444271A (zh) * 2018-12-03 2019-03-08 南京江淳机电装备科技有限公司 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器
CN211217399U (zh) * 2019-09-12 2020-08-11 南京江淳机电装备科技有限公司 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106814140A (zh) * 2017-03-03 2017-06-09 江苏大学 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器
CN109444271A (zh) * 2018-12-03 2019-03-08 南京江淳机电装备科技有限公司 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器
CN211217399U (zh) * 2019-09-12 2020-08-11 南京江淳机电装备科技有限公司 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
程磊;文玉梅;李平;卞雷祥;曾婕;: "采用弹性基底的磁电复合结构有限元分析", 传感技术学报, no. 08, 15 August 2008 (2008-08-15), pages 1358 - 1360 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114002315A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 广东工业大学 一种多模检测探头
CN114101016A (zh) * 2021-11-04 2022-03-01 之江实验室 一种磁控柔性超声换能装置
CN114101016B (zh) * 2021-11-04 2022-08-23 之江实验室 一种磁控柔性超声换能装置
CN114989565A (zh) * 2022-06-17 2022-09-02 清华大学 复合材料及制备方法、元件、换能器、检测系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4127035A (en) Electromagnetic transducer
CN110614213A (zh) 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器
US7546770B2 (en) Electromagnetic acoustic transducer
US8749101B2 (en) Contact SH-guided-wave magnetostrictive transducer
Cho et al. Megahertz-range guided pure torsional wave transduction and experiments using a magnetostrictive transducer
US4691572A (en) Transducing device for contactless ultrasonic inspection of pipelines or tubings
TW200946887A (en) Apparatus for measuring pressure in a vessel using acoustic impedance matching layers
CN106814140B (zh) 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器
CN111871747B (zh) 一种感容式电磁超声波换能器
CN109444262B (zh) 一种基于倾斜静磁场的斜入射式电磁声传感器
CN110152963B (zh) 一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器
CN211217399U (zh) 一种管道检测复合振子结构导波激励换能器
CN113155977A (zh) 用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器及检测方法
CN107452365B (zh) 一种指向性四边型弯张换能器
CN113176342B (zh) 一种内插式电磁超声螺旋导波换能器及其工作方法
CN113866265A (zh) 一种电磁铁式横波电磁声换能器
CN108020155A (zh) 一种基于Halbach原理的双线圈电磁超声换能器
CN114441641B (zh) 一种纵波式电磁超声探头及检测方法
CA2510799C (en) Electromagnetic ultrasound probe
US8624589B2 (en) Magnetostrictive probes for surface wave testing of thick walled structures
CA2510992A1 (en) Electromagnetic ultrasound converter
CN115032279A (zh) 宽频磁致伸缩sh0模态导波监测换能器
CN213068725U (zh) 一种电磁超声换能器
CN118294535B (zh) 一种管道周向高频磁致伸缩导波传感器
CN109444271A (zh) 一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波小型换能器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination