CN110988110A - 一种磁致伸缩导波换能器 - Google Patents

一种磁致伸缩导波换能器 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测技术领域，并具体公开了一种磁致伸缩导波换能器，其为一个半圆柱形磁致伸缩导波换能器或由两个该半圆柱形磁致伸缩导波换能器组成的圆柱形磁致伸缩导波换能器；半圆柱形磁致伸缩导波换能器包括外壳、永久磁铁和螺线管线圈，其中，外壳包括骨架和保护壳，骨架截面为半圆环状，其上设置有接头；永久磁铁截面为半圆环状，其通过保护壳固定在骨架内部；螺线管线圈包括内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈，内侧螺线管线圈固定在骨架内侧，外侧螺线管线圈固定在骨架外侧，且内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈形成连通回路。本发明将磁致伸缩导波换能器设计为半圆柱形，能够组合使用，适用范围更广，且检测时拆装方便，检测效率高。

Description

一种磁致伸缩导波换能器
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种磁致伸缩导波换能器。
背景技术
磁致伸缩导波作为一种无损检测的新技术，由于其具有提离大、实现简单、不需要耦合剂等优点，因此被广泛应用于管道、缆索、钢绞线等构件的检测。
使用磁致伸缩导波技术进行检测时，首先需要对被测构件进行磁化，这一步通常使用磁轭式磁化器，随后，需在构件被磁化区域安装整圆式的激励线圈和接收线圈以实现导波的激励和接收。但由于磁轭式磁化器永磁体磁场方向与试件表面垂直，因此吸附力很大，拆装不便，且每次拆装换能器需先拆装磁化器，再拆装线圈，步骤繁琐，检测效率低。此外，对于某些只有部分外表面裸露在外的管状、棒状等构件，整圆式的线圈将不再适用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁致伸缩导波换能器，其目的在于，将磁致伸缩导波换能器设计为半圆柱形，能够组合使用，可实现基于整圆式的螺线管线圈工作也可实现基于半圆式的螺线管线圈工作，适用范围更广，同时将螺线管线圈与永久磁铁集成在一起，检测时拆装方便，检测效率高。
为实现上述目的，本发明提出了一种磁致伸缩导波换能器，为一个半圆柱形磁致伸缩导波换能器或由两个该半圆柱形磁致伸缩导波换能器组成的圆柱形磁致伸缩导波换能器；所述半圆柱形磁致伸缩导波换能器包括外壳、永久磁铁和螺线管线圈，其中：
所述外壳包括骨架和保护壳，所述骨架截面为半圆环状，其上设置有接头；所述永久磁铁截面为半圆环状，其通过所述保护壳固定在所述骨架内部；所述螺线管线圈包括内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈，所述内侧螺线管线圈固定在所述骨架内侧，所述外侧螺线管线圈固定在所述骨架外侧，且所述内侧螺线管线圈和所述外侧螺线管线圈形成连通回路。
作为进一步优选的，该换能器还包括连接构件，且所述半圆柱形磁致伸缩导波换能器上开设有通孔，通过所述连接构件与通孔配合完成两个半圆柱形磁致伸缩导波换能器的连接组合。
作为进一步优选的，所述骨架、所述保护壳和所述连接构件由非导电非导磁材料制成。
作为进一步优选的，所述骨架、所述保护壳由光敏树脂制成。
作为进一步优选的，所述内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈间的距离大于80mm。
作为进一步优选的，所述内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈的匝数为10～30匝。
作为进一步优选的，所述永久磁铁的磁场方向沿其轴向。
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，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将磁致伸缩导波换能器设计为半圆柱形，实现了换能器间的组装，可实现基于整圆式的螺线管线圈工作也可实现基于半圆式的螺线管线圈工作，适用范围更广，待测构件可为铁磁性材料的管状、棒状以及任何结构相似的构件。
2.本发明将螺线管线圈与永久磁铁集成在一起，在实际检测时拆装方便，检测效率高。
3.本发明永久磁铁的磁场方向沿其轴向，使其平行于待测构件轴线或表面，可在减少换能器吸附力的前提下对待测构件进行有效磁化。
4.本发明骨架、保护壳和连接构件均由非导电非导磁材料制成，以防止内侧螺线管线圈产生的磁场在骨架、保护壳和连接构件中耗散。
5.本发明内侧螺线管线圈和外侧螺线管线圈间的距离大于80mm，以防止外侧螺线管线圈中产生的交变磁场对内测螺线管线圈中产生的交变磁场产生干扰。
附图说明
图1为本发明实施例半圆柱形磁致伸缩导波换能器示意图；
图2为本发明实施例圆柱形磁致伸缩导波换能器示意图；
图3为本发明实施例骨架结构示意图；
图4为本发明实施例保护壳结构示意图；
图5为本发明实施例永久磁铁示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为A-A截面磁感应强度方向示意图；
图6为本发明实施例连接构件结构示意图；
图7为本发明实施例半圆柱形磁致伸缩导波换能器工作安装示意图；
图8为本发明实施例圆柱形磁致伸缩导波换能器工作安装示意图；
图9为本发明实施例半圆柱形磁致伸缩导波换能器工作布置图；
图10为本发明实施例圆柱形磁致伸缩导波换能器工作布置图；
图11为磁致伸缩导波换能器按图9中布置获得的检测信号时域波形图；
图12为磁致伸缩导波换能器按图10中布置获得的检测信号时域波形图。
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-骨架，2-保护壳，3-永久磁铁，4-外侧螺线管线圈，5-螺钉，6-接头，7-内侧螺线管线圈，8-通孔，9-连接构件，10-待测构件。
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。
本发明实施例提供的一种磁致伸缩导波换能器，为一个半圆柱形磁致伸缩导波换能器或由两个该半圆柱形磁致伸缩导波换能器组成的圆柱形磁致伸缩导波换能器。
如图1所示，所述半圆柱形磁致伸缩导波换能器包括外壳、永久磁铁3和螺线管线圈，其中：
所述外壳包括骨架1和保护壳2，如图3和图4所示，所述骨架1截面为半圆环状，其上设置有接头6，所述骨架1和保护壳2通过螺钉5连接；
如图5所示，所述永久磁铁3截面为半圆环状，其通过所述保护壳2固定在所述骨架1内部，并与骨架1同轴，用于对待测构件进行磁化，为了既能有效磁化待测构件并减少换能器的吸附力，故永久磁铁3的磁场方向沿其轴向，此时永久磁铁3和待测构件之间形成闭合磁路，在待测构件中的磁场主要沿其轴向；
所述螺线管线圈包括内侧螺线管线圈4和外侧螺线管线圈7，其均为半圆形，所述内侧螺线管线圈4固定在所述骨架1内侧，所述外侧螺线管线圈7固定在所述骨架1外侧，且所述内侧螺线管线圈4和所述外侧螺线管线圈7形成连通回路；具体的，磁致伸缩导波的激励和回波信号的接收均由所述内侧螺线管线圈7完成，所述外侧半圆形螺线管线圈4的存在仅仅是为了与所述内侧螺线管线圈7形成回路，更具体的，所述内侧螺线管线圈7作为工作线圈，当其为激励单元时，其交变电流产生交变磁场向下扩散进入待测构件，从而产生磁致伸缩导波，当其为接收单元时，其可以感应导波回波并将其转换为电压信号。
进一步的，所述内侧螺线管线圈4和外侧螺线管线圈7间的距离大于80mm，以防止所述外侧螺线管线圈4中产生的交变磁场对所述内测螺线管线圈7中产生的交变磁场产生干扰；优选的，所述内侧螺线管线圈4和外侧螺线管线圈7的匝数为10～30匝。
进一步的，所述骨架1、所述保护壳2和所述连接构件9由非导电非导磁材料制成，以防止所述内侧螺线管线圈7产生的磁场在骨架1、保护壳2和连接构件9中耗散，优选的，所述骨架1、所述保护壳2由光敏树脂制成。
上述半圆柱形磁致伸缩导波换能器上开设有通孔8，通过如图6所示的连接构件9与通孔8配合完成两个半圆柱形磁致伸缩导波换能器的连接，组合成圆柱形磁致伸缩导波换能器，如图2所示。
以下为具体实施例：
实施例1
待测构件10为一钢管，该钢管的材料为20号钢，外径为20mm，壁厚为1mm，长度为2500mm。激励端的换能器和接收端的换能器均采用半圆柱形磁致伸缩导波换能器，该半圆柱形磁致伸缩导波换能器的骨架1和保护壳2均由光敏树脂制成，厚度为30mm，骨架1最外部大圆直径为122mm，最内部小圆直径为24mm，保护壳内径为24mm，外径为68mm，厚度为5mm；磁化单元由一块牌号为N52的半圆形环形永久磁铁组成，永久磁铁3内径为28mm，外径为58mm，厚度为30mm，磁化方向如图5所示；内侧螺线管线圈7由线径为1.08mm的漆包线绕制而成，匝数为20匝，螺钉5规格为M4×10；所用连接构件9外螺纹规格为M6×8，螺母为国标下的M6通用螺母，接头6为BNC接头。
激励端和接收端的半圆柱形磁致伸缩导波换能器，其安装和布置方式如图7和图9所示，两端换能器通过接头6连接，激励端的换能器距离钢管左端部1000mm，接收端的换能器距离钢管右端部1000mm。工作时，将3个周期的中心频率为20kHz的正弦激励信号通过所述BNC接头施加在激励端换能器中的半圆形螺线管线圈上，此时激励端换能器中的内侧螺线管线圈7将会在钢管中激励出导波，接收端换能器中的内侧螺线管线圈7将会接收到导波信号并将其转换为电压信号，该接收信号如图11所示。
实施例2
激励端的换能器和接收端的换能器均采用圆柱形磁致伸缩导波换能器，每个圆柱形磁致伸缩导波换能器由两个半圆柱形磁致伸缩导波换能器拼装而成，该半圆柱形磁致伸缩导波换能器和待测构件10的参数与实施例1中相同。
激励端和接收端的圆柱形磁致伸缩导波换能器，其安装和布置方式如图8和图10所示，两端换能器通过接头6连接，激励端的换能器距离钢管左端部1000mm，接收端的换能器距离钢管右端部1000mm。工作时，采用与实施例1中相同的信号采集步骤，采集到的接收信号如图12所示。
如图11和图12，其中的波形噪声小，信号干净，波包与波之间区分明显，根据第一个波包的到达时间可以推测出导波的波速约为5200m/s，因此使用本发明提供的磁致伸缩导波换能器在激励频率为20kHz时成功激励出了L(0,1)模态的导波，说明本发明所提供的磁致伸缩导波换能器可以用于实际检测，其具有结构简单、磁化强度大、吸力小、拆装方便、适用范围广等优点。
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 (7)

1.一种磁致伸缩导波换能器，其特征在于，为一个半圆柱形磁致伸缩导波换能器或由两个该半圆柱形磁致伸缩导波换能器组成的圆柱形磁致伸缩导波换能器；所述半圆柱形磁致伸缩导波换能器包括外壳、永久磁铁(3)和螺线管线圈，其中：
所述外壳包括骨架(1)和保护壳(2)，所述骨架(1)截面为半圆环状，其上设置有接头(6)；所述永久磁铁(3)截面为半圆环状，其通过所述保护壳(2)固定在所述骨架(1)内部；所述螺线管线圈包括内侧螺线管线圈(4)和外侧螺线管线圈(7)，所述内侧螺线管线圈(4)固定在所述骨架(1)内侧，所述外侧螺线管线圈(7)固定在所述骨架(1)外侧，且所述内侧螺线管线圈(4)和所述外侧螺线管线圈(7)形成连通回路。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，该换能器还包括连接构件(9)，且所述半圆柱形磁致伸缩导波换能器上开设有通孔(8)，通过所述连接构件(9)与通孔(8)配合完成两个半圆柱形磁致伸缩导波换能器的连接组合。
3.如权利要求1所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，所述骨架(1)、所述保护壳(2)和所述连接构件(9)由非导电非导磁材料制成。
4.如权利要求1所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，所述骨架(1)、所述保护壳(2)由光敏树脂制成。
5.如权利要求1所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，所述内侧螺线管线圈(4)和外侧螺线管线圈(7)间的距离大于80mm。
6.如权利要求1所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，所述内侧螺线管线圈(4)和外侧螺线管线圈(7)的匝数为10～30匝。
7.如权利要求1-6任一项所述的磁致伸缩导波换能器，其特征在于，所述永久磁铁(3)的磁场方向沿其轴向。
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