CN111665266B - 一种管道磁致伸缩扭转波传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道磁致伸缩扭转波传感器及其检测方法，该管道磁致伸缩扭转波传感器包括第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体、夹持装置、第一线圈、第二线圈，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体用于包裹在待测管道的外侧，所述夹持装置用于固定第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体，所述第一线圈绕于第一瓦片形永磁体的外侧，所述第二线圈绕于第二瓦片形永磁体的外侧，所述第一线圈和第二线圈分别通过连接器连成通路；所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反。本发明的技术方案有效利用磁致伸缩扭转波实现管道非接触检测；传感器结构简洁，安装方便，缺陷检测分辨率高。

Description

一种管道磁致伸缩扭转波传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种管道磁致伸缩扭转波传感器及其检测方法。

背景技术

由于扭转波频散少，管道内外介质对其衰减小，使得其在导波检测中得到广泛关注。为了在管道中产生扭转波，需要提供周向的静态励磁和轴向的动态励磁，但是管道周向上为封闭式结构，因此难以在周向上实现均匀一致的励磁状态。目前关于扭转波多聚焦于带磁致伸缩片传感器的研究。通过在管道表面使用高磁致伸缩系数的材料能够增加磁致伸缩激励效率，但是失去了磁致伸缩导波传感器非接触的特性。而且磁致伸缩片需要通过耦合剂黏贴在管道表面，因此需要在检测前移除管道的包覆层，防腐漆等材料，还需要对管道表面进行打磨处理，以重复使用传感器，每次传感器粘贴状态难以保持一致，因此增加了传感器成本，使得检测信号复杂化。而对于非接触式扭转模态导波传感器的研究主要集中在使用周期性排布的磁极（Periodicpermanent Magnet，PPM）的扭转波传感器。当管道直径或是表面积较小时，就会限制永磁体的摆放数量。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种管道磁致伸缩扭转波传感器及其检测方法，利用带瓦片形永磁体的磁致伸缩导波传感性能能够对小直径管道进行扭转波的激励和检测，实现在管道不产生轴向静态磁场的前提下，在周向上产生均匀的磁场，提高了管道缺陷检测能力。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种管道磁致伸缩扭转波传感器，其包括第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体、夹持装置、第一线圈、第二线圈，所述第一瓦片形永磁体 、第二瓦片形永磁体用于包裹在待测管道的外侧，所述夹持装置用于固定第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体，所述第一线圈绕于第一瓦片形永磁体的外侧，所述第二线圈绕于第二瓦片形永磁体的外侧，所述第一线圈和第二线圈分别通过连接器连成通路；所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反。

采用此技术方案，在待测管道上安装所述管道磁致伸缩扭转波传感器，使得第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体包裹在待测管道的外侧，且第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反；采用激励传感器在管道上激发扭转波，其中第一线圈和第二线圈的电流方向相反，扭转波沿着管道轴向进行传播；在激励传感器的一侧设置检测传感器，当扭转波遇到缺陷时，部分导波发生反射，当缺陷反射的导波传播至检测传感器处时，检测传感器上产生感应电压，可以通过检测到的感应电压信号的时间和幅值来判断缺陷的位置和大小。

作为本发明的进一步改进，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体为两个或以上，两个或以上的第一瓦片形永磁体用于包裹在待测管道一半的外表面上，两个或以上的第二瓦片形永磁体用于包裹在待测管道另一半的外表面上。

作为本发明的进一步改进，两个或以上的第一瓦片形永磁体/第二瓦片形永磁体的N极、S极相对设置 ；所述第一线圈绕于两个或以上的第一瓦片形永磁体的外侧；所述第二线圈绕于两个或以上的第二瓦片形永磁体的外侧。

作为本发明的进一步改进，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体为两个，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的周向角度为90°。

作为本发明的进一步改进，相邻的第一瓦片形永磁体与第二瓦片形永磁体之间的间距为2~10mm。进一步的，相邻的第一瓦片形永磁体与第二瓦片形永磁体之间的间距为4mm。

作为本发明的进一步改进，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的励磁强度为3500Oe ；所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的材质为NdFe40。

作为本发明的进一步改进，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的内侧弧面与待测管道同轴心设置，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的外径为12~18mm，内径为10~15mm，长度为80~120mm。

作为本发明的进一步改进，所述第一线圈和第二线圈固定在夹持装置内，所述夹持装置包括相对设置的第一夹持构件、第二夹持构件和连接件，所述第一瓦片形永磁体、第一线圈位于第一夹持构件内，所述第二瓦片形永磁体、第二线圈位于第二夹持构件内，所述第一夹持构件、第二夹持构件通过连接件连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一夹持构件和第二夹持构件均包括用于与待测管道表面接触的夹持部，所述夹持部的内侧面为弧形面。 进一步的，所述第一夹持构件和第二夹持构件均包括两个相对设置的夹持部，两个夹持部之间设有用于夹持管道的空间。进一步的，所述第一夹持构件和第二夹持构件通过连接件固定连接。

本发明还公开了如上任意一项所述的管道磁致伸缩扭转波传感器的检测方法，其包括：

步骤S1，在待测管道上安装所述管道磁致伸缩扭转波传感器，使得第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体包裹在待测管道的外侧，且第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反，沿管道轴向设置激励传感器和检测传感器，记录激励传感器和检测传感器的位置；

步骤S2，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，加载到激励传感器上，使所述第一线圈和第二线圈的电流方向相反，在管道上激发扭转波，进行导波检测；

步骤S3，通过检测传感器获得导波信号后，结合已知的激励传感器和检测传感器的位置、导波波速和导波飞行时间计算得到缺陷的位置信息；

步骤S4，通过获得的导波信号的幅值大小获得缺陷的大小信息。

作为本发明的进一步改进，步骤S2，所述信号发生器产生脉冲正弦信号通过功率放大后，加载到激励传感器上进行导波检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案利用瓦片形永磁体，能够在不借助磁致伸缩片的情况下实现管道周向励磁，有效利用磁致伸缩扭转波实现管道非接触检测；传感器结构简洁，安装方便，特别适合于小直径管道的检测。

第二，采用本发明的技术方案，通过控制线圈电流方向的不同，实现扭转波阵列传感，增加了导波缺陷周向分辨率。

第三，采用本发明的技术方案，结合相位合成和能量聚焦技术，增加磁致伸缩导波检测距离，提高检测缺陷分辨率。

附图说明

图1是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的结构示意图。

图2是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的截面结构示意图。

图3是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的另一结构示意图。

图4是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的第一夹持构件的夹持部的示意图。

图5是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器工作时的截面结构示意图。

图6是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的磁场示意图。

图7是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器的磁场仿真图。

图8是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器检测时的磁场仿真图。

图9是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器检测时导波检测钢管信号图。

图10是本发明一种管道磁致伸缩扭转波传感器检测时传感器位置示意图。

图11是本发明对比例采用PPM作为励磁结构的传感器的磁场仿真图。

图12是本发明对比例的传感器检测时的磁场仿真图。

附图标记包括：

1-第一瓦片形永磁体，2-第二瓦片形永磁体，3-夹持装置，4-第一线圈，5-第二线圈，6-第一夹持构件，7-第二夹持构件，8-连接件，9-夹持部，10-待测管道。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

实施例1

如图1~图4所示，一种管道磁致伸缩扭转波传感器，包括第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2、夹持装置3、第一线圈4、第二线圈5，所述第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2用于包裹在待测管道10的外侧，所述夹持装置3用于固定第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2，所述第一线圈4绕于第一瓦片形永磁体1的外侧，所述第二线圈5绕于第二瓦片形永磁体2的外侧，所述第一线圈4和第二线圈5分别通过连接器连成通路，所述第一线圈4和第二线圈5固定在夹持装置3内。所述第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2的磁场方向相反。

具体而言，所述第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2为两个，两个第一瓦片形永磁体1用于包裹在待测管道10一半的外表面上，两个第二瓦片形永磁体2用于包裹在待测管道10另一半的外表面上。两个第一瓦片形永磁体1/第二瓦片形永磁体2的N极、S极相对设置，即磁力线方向相同；所述第一线圈4绕于两个第一瓦片形永磁体1的外侧；所述第二线圈5绕于两个第二瓦片形永磁体2的外侧。所述第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2的周向角度为90°。优选的，本实施例中采用的第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2的励磁强度为3500Oe；材质为NdFe40，所述第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2的外径为12~18mm，内径为10~15mm，长度为80~120mm。

所述夹持装置3包括相对设置的第一夹持构件6和第二夹持构件7，所述第一瓦片形永磁体1、第一线圈4位于第一夹持构件6内，所述第二瓦片形永磁体2、第二线圈5位于第二夹持构件7内，所述第一夹持构件、第二夹持构件通过连接件8连接。所述第一夹持构件6和第二夹持构件7均包括用于与待测管道10表面接触的相对设置的两个夹持部9，所述夹持部9的内侧面为弧形面。

采用本实施例的管道磁致伸缩扭转波传感器进行管道检测的检测方法包括：

步骤S1，如图5所示，在待测管道10上安装所述管道磁致伸缩扭转波传感器，使得第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2包裹在待测管道10的外侧，使第一瓦片形永磁体1位于管道的上方，使第二瓦片形永磁体2位于管道的下方，且第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2的磁场方向相反，第一瓦片形永磁体1的磁场方向为逆时针方向，第二瓦片形永磁体2的磁场方向为顺时针方向。第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2通过夹持装置3控制其间距为4mm。磁场示意图如图6所示。夹持装置3主要有固定第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2和线圈的作用，同时采用夹持装置3可以克服第一瓦片形永磁体1、第二瓦片形永磁体2之间的斥力以在管道上扣合传感器实现扭转波的激励和检测，该传感器还可用于其它管状或棒状铁磁性结构的扭转波的激励和检测。沿管道轴向设置激励传感器和检测传感器，记录激励传感器和检测传感器的位置。

步骤S2，利用信号发生器产生脉冲正弦信号，通过功率放大后，加载到激励传感器上，使所述第一线圈4和第二线圈5的电流方向相反，在管道上激发扭转波，进行导波检测；

步骤S3，通过检测传感器获得导波信号后，结合已知的激励传感器和检测传感器的位置、导波波速和导波飞行时间计算得到缺陷的位置信息；

步骤S4，通过获得的导波信号的幅值大小获得缺陷的大小信息。

采用本实施例，检测管道时，采用一个激励传感器和一个检测传感器，沿管道轴向设置，两个传感器结构一致，并记录激励传感器和检测传感器的位置；利用激励传感器在管道上激发扭转波，扭转波沿着管道轴向进行传播，当其遇到缺陷时，会有部分导波发生反射，当缺陷反射的导波传播至检测传感器处时，检测传感器上能够产生感应电压，通过检测到的感应电压信号的时间和幅值来判断缺陷的位置和大小。

采用三维静态磁场仿真分析验证瓦片形永磁体在管道周向上的励磁结果。本实施例采用四片瓦片形永磁体作为静态励磁结构，其中两片为顺时针励磁方向，另两片为逆时针励磁方向。瓦片形永磁体仿真结果如图7和图8所示，图8中虚线方框为永磁体所在位置，箭头为磁场方向。由图7和图8可知，当采用瓦片形永磁体时，其能够在管道周向上产生两个顺时针方向磁场和两个逆时针方向磁场，磁场强度大小为0.15T。通过图7和图8可知，采用瓦片形永磁体仅在永磁体边缘产生的轴向磁场，且强度较小，因此当在永磁体中心位置布置线圈时，能够减小纵向导波的产生。利用瓦片形永磁体还不需借助磁致伸缩片作为导磁装置就能够实现管道周向上的均匀励磁。

为了验证仿真的正确性，对本实施例1的扭转波传感器对管道缺陷进行检测。激励信号为10kHz的2个周期的脉冲正弦波，脉冲周期为500ms，导波检测钢管信号如图9所示。当管道没有缺陷时，导波检测信号如图9所示，根据附图10所示的传感器位置，可以计算出导波的传播速度为2.4m/ms。

对比例1

采用PPM（Periodic Permanent Magnet 周期性永久磁铁）作为励磁结构，将四组永磁体均匀分布在管道周向上。每组为6个永磁体NS极交替排布，每块的永磁体长宽高分别19.6mm、16mm和2.5mm，励磁强度为3500Oe，永磁体材料为NdFe40，励磁方向为径向，PPM仿真结果如图11和图12所示。图11和图12中虚线方框为永磁体所在位置，箭头为磁场方向。由图11和图12可知，采用PPM时，其能够在管道上产生周期性顺时针方向和逆时针方向交替排布的周向磁场，再配合跑道形线圈，能够实现扭转波的激励和接收。但是在每组PPM永磁体之间还能管道上产生周期性交替排布的轴向磁场，由于该磁场与跑道形线圈产生的动态磁场平行，因此能够产生纵波，使得检测信号中包含多种模态的导波，增加了检测信号的复杂程度。

本实施例中，瓦片形永磁体在管道表面提供均匀周向的静态磁场，线圈提供轴向的动态磁场。而常见的瓦片形永磁体先比，其励磁方向多为轴向和厚度方向。该传感器不用依靠磁致伸缩片，同时由于管道直径较小，所需的永磁体个数和体积较小，因此能够满足管道周向励磁的要求，能够实现小直径管道扭转波的激励和检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：其包括第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体、夹持装置、第一线圈、第二线圈，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体用于包裹在待测管道的外侧，所述夹持装置用于固定第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体，所述第一线圈绕于第一瓦片形永磁体的外侧，所述第二线圈绕于第二瓦片形永磁体的外侧，所述第一线圈和第二线圈分别通过连接器连成通路；所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反。

2.根据权利要求1所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体为两个或以上，两个或以上的第一瓦片形永磁体用于包裹在待测管道一半的外表面上，两个或以上的第二瓦片形永磁体用于包裹在待测管道另一半的外表面上。

3.根据权利要求2所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：两个或以上的第一瓦片形永磁体/第二瓦片形永磁体的N极、S极相对设置；所述第一线圈绕于两个或以上的第一瓦片形永磁体的外侧；所述第二线圈绕于两个或以上的第二瓦片形永磁体的外侧。

4.根据权利要求3所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体为两个，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的周向角度为90°。

5.根据权利要求4所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：相邻的第一瓦片形永磁体与第二瓦片形永磁体之间的间距为2~10mm。

6.根据权利要求5所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的内侧弧面与待测管道同轴心设置，所述第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的外径为12~18mm，内径为10~15mm，长度为80~120mm。

7.根据权利要求4所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：所述第一线圈和第二线圈固定在夹持装置内，所述夹持装置包括相对设置的第一夹持构件、第二夹持构件和连接件，所述第一瓦片形永磁体、第一线圈位于第一夹持构件内，所述第二瓦片形永磁体、第二线圈位于第二夹持构件内，所述第一夹持构件、第二夹持构件通过连接件连接。

8.根据权利要求7所述的管道磁致伸缩扭转波传感器，其特征在于：所述第一夹持构件和第二夹持构件均包括用于与待测管道表面接触的夹持部，所述夹持部的内侧面为弧形面。

9.如权利要求1~8任意一项所述的管道磁致伸缩扭转波传感器的检测方法，其特征在于，其包括：

步骤S1，在待测管道上安装所述管道磁致伸缩扭转波传感器，使得第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体包裹在待测管道的外侧，且第一瓦片形永磁体、第二瓦片形永磁体的磁场方向相反；沿管道轴向设置激励传感器和检测传感器，记录激励传感器和检测传感器的位置；

步骤S2，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，加载到激励传感器上，使所述第一线圈和第二线圈的电流方向相反，在管道上激发扭转波；

步骤S3，通过检测传感器获得导波信号后，结合已知的激励传感器和检测传感器的位置、导波波速和导波飞行时间计算得到缺陷的位置信息；

步骤S4，通过获得的导波信号的幅值大小获得缺陷的大小信息。

10.根据权利要求9所述的管道磁致伸缩扭转波传感器的检测方法，其特征在于：步骤S2，所述信号发生器产生脉冲正弦信号通过功率放大后，加载到激励传感器上进行导波检测。

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