CN114720563A - 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器 - Google Patents

一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器 Download PDF

Info

Publication number
CN114720563A
CN114720563A CN202210365705.8A CN202210365705A CN114720563A CN 114720563 A CN114720563 A CN 114720563A CN 202210365705 A CN202210365705 A CN 202210365705A CN 114720563 A CN114720563 A CN 114720563A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pipeline
magnetic field
bending mode
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
CN202210365705.8A
Other languages
English (en)
Inventor
伍文君
董浩
周宗和
吕松泽
谢海燕
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.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
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 Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202210365705.8A priority Critical patent/CN114720563A/zh
Publication of CN114720563A publication Critical patent/CN114720563A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2412—Probes using the magnetostrictive properties of the material to be examined, e.g. electromagnetic acoustic transducers [EMAT]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (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，公开了一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，包括以预定的螺旋夹角呈螺线状缠绕呈筒形的高磁致伸缩性条体；线圈套装在高磁致伸缩性条体上；多个永磁铁呈螺线状布置在线圈的外侧，将高磁致伸缩性条体缠绕在待测的管道上，给线圈中通交流电流时，线圈在管道的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁在高磁致伸缩性条体上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体的螺旋线方向，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁，在管道中激发出扭转‑弯曲模态导波。本发明适用于各种管道，结构简单，经济成本低，安装方便，操作容易。

Description

一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器。
背景技术
伴随着经济发展和社会现代化建设，管道在工业生产和日常生活中发挥着越来越重要的作用，因此，保证工业管道、城市管网等管路的安全可靠显得尤为必要。然而，由于管道多工作于地下、水中等条件中，受压力、防腐层损坏等因素影响，在时间累积下，管道会逐渐形成腐蚀与疲劳裂纹，最终导致管道开裂泄漏，引起财产损失、环境破坏、人员伤亡等重大问题，因此，需要定期对管道进行健康状态监测。
目前，对管道进行健康状态监测主要采用无损检测，无损检测时主要使用轴对称模态导波进行，轴对称模态导波主要包括纵向模态L(0,1)，L(0,2)和扭转模态T(0,1)。但是由于传统轴对称模态导波无法对缺陷进行周向定位和对裂纹方向进行识别，因此弯曲模态导波作为轴对称模态导波的有益补充，出现在超声导波无损检测技术的应用上。
现有的弯曲模态导波激发装置，设置了周向排列的多个压电探头，通过控制各个压电探头的激励时间延迟，实现了扭转-弯曲模态导波的聚焦，但这种阵列式换能器时间控制的准确度较低，很难激发出纯净的弯曲模态，且结构复杂，不易制作，安装过程繁琐，由于探头昂贵使得整体的经济成本较高，不能满足实际工程应用的需求。
发明内容
本发明提供一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，以克服上述现有技术中存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，包括：
高磁致伸缩性条体，以预定的螺旋夹角ɑ呈螺线状缠绕呈筒形；
线圈，套装在所述高磁致伸缩性条体上；
多个永磁铁，呈螺线状布置在所述线圈的外侧；
将高磁致伸缩性条体缠绕在待测的管道上，给线圈中通以交流电流时，线圈在管道的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁在高磁致伸缩性条体上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁，从而在管道中激发出扭转-弯曲模态导波。
优选的，所述高磁致伸缩性条体是铁钴镍条带。
优选的，所述螺旋夹角ɑ按下式计算：
Figure BDA0003586880300000021
式中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，cp是待测管道目标模态的相速度，f是激发频率，R是管道的外径，ɑ是螺旋夹角。
优选的，多个永磁铁的磁极方向一致。
优选的，线圈的宽度大于高磁致伸缩性条体的整体宽度。
优选的，多个永磁铁等间隔布置。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其有益效果是：
1、本发明适用于各种尺寸各种材质管道，可满足各种实际工程应用的需求；
2、本发明可激发出纯净的弯曲模态，且结构简单，易于制作，经济成本较低，安装方便，操作容易，实用性强，值得推广使用。
附图说明
图1是本发明的扭转-弯曲模态导波换能器全视图；
图2是本发明的扭转-弯曲模态导波换能器正视图；
图3是本发明的扭转-弯曲模态导波换能器侧视图；
图4是本发明的扭转-弯曲模态导波换能器永磁体排列图；
图5是本发明的实施例管道群速度频散曲线图；
图6是本发明的实施例目标弯曲模态T(1,1)Polar图；
图7是本发明的实施例管道螺旋夹角频散曲线图；
图8是本发明的实施例实验设置图；
图9是本发明的实施例频率f＝50kHz周向位移时域图；
图10是本发明的实施例目标模态纯净度结果图。
具体实施方式
下面结合附图的图1到图10，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，通过螺旋激励方式，在管道1中可激发单一纯净的扭转-弯曲模态。
其中，换能器的具体结构包括高磁致伸缩性条体2，高磁致伸缩性条体2以预定的螺旋夹角ɑ呈螺线状缠绕呈筒形，套装在管道1外壁上，螺旋夹角ɑ是指的是高磁致伸缩性条体2缠绕时与管道横截面所成的一定的夹角，高磁致伸缩性条体2与管道1的外壁之间用环氧树脂胶水进行粘接固定。在管道1上还套装有线圈3，线圈3位于高磁致伸缩性条体2外围，线圈3的宽度略大于高磁致伸缩性条体2的整体宽度，以便在高磁致伸缩性条体2上产生均匀的轴向交变磁场。线圈3的外围等间隔布置了多个永磁铁4，多个永磁铁4呈螺线状布置在高磁致伸缩性条体2的外侧，每两个永磁铁4之间相差的角度相等，以便在高磁致伸缩性条体2上产生沿螺旋方向的静磁场，永磁体4的排列图如图4所示。需要注意的是永磁体的NS极的方向，设置时要保证多个永磁铁4的磁极方向一致。
当线圈3中通以交流电流时，线圈3在管道1的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁4在高磁致伸缩性条体2上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体2的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体2在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道1外壁，从而在管道1中激发出扭转-弯曲模态导波。
进一步具体的，高磁致伸缩性条体2优选为铁钴镍条带。
进一步的，螺旋夹角ɑ按下式(1)计算：
Figure BDA0003586880300000041
式中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，cp是待测管道1的目标模态的相速度，f是激发频率，R是管道1的外径，ɑ是螺旋夹角。
具体的，设计制作某一管道的单一纯净扭转-弯曲导波换能器的方法包括以下步骤：
首先利用半解析有限元法计算得到该管道在不同频率下的各种模态的波结构和波数等参数，选取周向位移目标模态扭转-弯曲模态T(N,m)，其对应的螺旋夹角ɑ为：
Figure BDA0003586880300000051
计算得到不同频率下各个弯曲模态所对应的螺旋夹角ɑ，绘制得到螺旋夹角ɑ的频散曲线。根据螺旋夹角ɑ的频散曲线选取管道的最佳激发频率，目标弯曲模态T(N,m)及其相应的激发频率应选择目标弯曲模态与其他模态的螺旋夹角ɑ相差较大的频率点，以尽量抑制其他非目标模态的激发，提高目标模态的纯净度。
目标弯曲模态和激发频率的选取应满足：
A.目标弯曲模态应为扭转-弯曲模态T(N,m)，扭转弯曲模态通常在周向具有较大位移，而其他方向位移相对较小。采用半解析法有限元方法计算待测管道的频散曲线及其波结构特征，作为目标模态选取及频率选择的依据。
B.在管道1频散曲线的基础上，进一步绘制螺旋夹角ɑ的频散曲线图，目标弯曲模态及其相应的激发频率应选择目标弯曲模态与其他模态的螺旋夹角ɑ相差较大的频率点，以尽量抑制其他非目标模态的激发，提高目标模态的纯净度。
通过改变高磁致伸缩性条体2的夹角可以在管道1中激发出不同阶数的纯净单一扭转-弯曲模态。
如图8所示，整个装置主要由波形信号发生器5、功率放大器6、弯曲导波换能器7、厚度剪切型压电传感器8、信号采集卡9和笔记本电脑10组成。其中，信号发生器5用来产生不同周期和频率的激发脉冲，经过功率放大器6将脉冲施加到待测试的管道1上。将弯曲导波换能器7安装于外径89mm，壁厚5.5mm的牌号为AISI 316L的不锈钢钢管外壁上，取不锈钢钢管长度为3.3m，将弯曲导波换能器7安装位置在距离管道左端0.3m处。在距离激发点2m的位置，设置8个厚度剪切型压电传感器8，收集管道切向位移信号到信号采集卡9，并传到笔记本电脑10中进行信号的后处理和模态提取的工作。
根据待测试的管道1的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量等参数，采用半解析有限元法计算得到该管道的导波群速度频散曲线如图5所示，以及各模态导波波结构。依据选取原则，本例选取T(1,1)模态为目标扭转-弯曲模态，T(1,1)波结构如图6所示。
根据螺旋夹角ɑ的计算公式：
Figure BDA0003586880300000061
计算得到该管道的螺旋夹角ɑ的频散曲线，如图7所示。根据该频散曲线选择激发频率，使非目标模态的螺旋夹角ɑ与目标模态的螺旋夹角ɑ的角度差尽可能地大，同时考虑扭转-弯曲模态T(1,1,)在激发频率下的频散。
本例最终选取的激发频率为50kHz，其相应的目标模态螺旋夹角为12.8°。
使用时，将铁钴镍条带螺旋缠绕在待测管道的外壁，螺旋夹角为12.8°。波形信号发生器5发出经汉宁窗调制的10周期的正弦信号，经功率放大器6放大送至线圈3中产生交变磁场，基于磁致伸缩效应，紧贴在管道外壁上的铁钴镍条带会在沿螺旋方向即静磁场方向产生切变，将此形变传递到管道中激发出超声导波。
经沿周向均匀设置的8个厚度剪切型压电传感器8检测，并将检测到的信号经信号采集卡9传送给笔记本电脑10进行处理，笔记本电脑10上接收的周向位移信号时域图如图9所示，计算两个信号回波之间的时间间隔为:
Δt＝1.511ms-0.815ms＝0.696ms
cg＝Δs/Δt＝2m/0.696ms＝2873.563m/s
其中，cg为该波包群速度，Δs为导波首次经过信号接收处和第二次到达信号接收处之间的距离。
将此结果与如图5所示的群速度频散曲线对比，可以确定此导波为扭转-弯曲模态T(1,1)。
在上述实例的条件下激发出的不同模态幅值占目标模态T(1,1)的比值如图10所示，其他非目标模态的幅值占目标模态T(1,1)幅值最大仅为10％～15％，可以认为激发出了单一纯净的弯曲模态T(1,1)。
相比于其他的导波换能器，本发明可以在管道1中激发较为纯净的单一扭转-弯曲模态导波，且结构简单、制作安装简便、成本较低；另外，本发明给出了与目标弯曲模态相对应的螺旋夹角计算公式，通过改变螺旋缠绕的铁钴镍条带2的螺旋角度即可激发出不同的目标扭转-弯曲模态导波。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，适用于各种尺寸各种材质管道，其结构简单，易于制作，成本较低，安装方便，操作容易，实用性高，值得推广。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，包括：
高磁致伸缩性条体(2)，以预定的螺旋夹角ɑ呈螺线状缠绕呈筒形；
线圈(3)，套装在所述高磁致伸缩性条体(2)上；
多个永磁铁(4)，呈螺线状布置在所述线圈(3)的外侧；
将高磁致伸缩性条体(2)缠绕在待测的管道(1)上，给线圈(3)中通以交流电流时，线圈(3)在管道(1)的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁(4)在高磁致伸缩性条体(2)上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体(2)的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体(2)在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道(1)外壁，从而在管道(1)中激发出扭转-弯曲模态导波。
2.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，所述高磁致伸缩性条体(2)是铁钴镍条带。
3.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，所述螺旋夹角ɑ按下式(1)计算：
Figure FDA0003586880290000011
式中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，cp是待测管道目标模态的相速度，f是激发频率，R是待测管道的外径，ɑ是螺旋夹角。
4.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，多个永磁铁(4)的磁极方向一致。
5.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，线圈(3)的宽度大于高磁致伸缩性条体(2)的整体宽度。
6.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，多个永磁铁(4)等间隔布置。
CN202210365705.8A 2022-04-08 2022-04-08 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器 Pending CN114720563A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210365705.8A CN114720563A (zh) 2022-04-08 2022-04-08 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210365705.8A CN114720563A (zh) 2022-04-08 2022-04-08 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114720563A true CN114720563A (zh) 2022-07-08

Family

ID=82241957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210365705.8A Pending CN114720563A (zh) 2022-04-08 2022-04-08 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114720563A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116026934A (zh) * 2023-01-04 2023-04-28 南通和禾声学科技有限公司 一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116026934A (zh) * 2023-01-04 2023-04-28 南通和禾声学科技有限公司 一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器
CN116026934B (zh) * 2023-01-04 2024-01-12 武汉横渠声学科技有限公司 一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108872378B (zh) 一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法
CN103439418B (zh) 一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器
US10073065B2 (en) Segmented strip design for a magnetostriction sensor (MsS) using amorphous material for long range inspection of defects and bends in pipes at high temperatures
CN103245732A (zh) 一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法
CN104090034A (zh) 一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器
CN106124635B (zh) 用于管道超声导波探伤的压电换能器及其控制方法和应用
Kim et al. Higher torsional mode suppression in a pipe for enhancing the first torsional mode by using magnetostrictive patch transducers
Chen et al. Pipeline two-dimensional impact location determination using time of arrival with instant phase (TOAIP) with piezoceramic transducer array
JP4203045B2 (ja) テールパッチを利用した磁気変形トランスデューサと、それを利用した弾性波測定装置
CN114720563A (zh) 一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器
CN115389621A (zh) 管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法
CN116026934B (zh) 一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器
Wu et al. Defect detection in pipe structures using stochastic resonance of Duffing oscillator and ultrasonic guided waves
CN105548372A (zh) 基于巨磁致伸缩材料的管道导波传感器及制作和使用方法
Zenghua et al. Research progress of electromagnetic acoustic transducers for ultrasonic guided waves inspection
CN110658261A (zh) 一种基于超声导波的结构健康监测选频方法
Tu et al. Design and experimental study of electromagnetic ultrasonic single-mode guided wave transducer for small-diameter stainless steel tubes
Johnson et al. High-temperature (> 1000 C) acoustic emission sensor
Gao et al. Ultrasonic guided wave annular array transducers for structural health monitoring
CN204694680U (zh) 一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置
Puthusseri et al. Influence of magnetostrictive strip size in the generation of L (0, 2) and T (0, 1) wave mode using magnetostrictive patch transducer (MPT)
CN105784848A (zh) 一种基于面内剪切的压电传感器
Kim et al. Shear horizontal wave transduction in plates by magnetostrictive gratings
CN205958518U (zh) 一种用于管道超声导波探伤的压电换能器
Ce et al. Multi-channel wideband torsional mode MPT based on phased array technology for SHM of pipes

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