CN203535018U - 一种可调节磁致伸缩导波传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种可调节磁致伸缩导波传感器，包括四个磁回路和柔性印刷感应线圈，四个磁回路均布于受热面管圆周方向上，与受热面管构成闭合环状磁路，柔性印刷感应线圈至少一次缠绕于受热面管上；其中，每一磁回路包括轭铁、永磁铁和鞍铁，永磁铁设置于鞍铁上方，轭铁设置于永磁铁上方，鞍铁为拱形结构，其与永磁铁接触的表面的长度分别为永磁铁的宽度和轭铁的宽度的二倍；柔性印刷感应线圈的宽度为激励频率下激励纵向L（0，2）模态波长的一半，可在沿受热面管轴线方向上的磁回路内调节。通过改变柔性印刷感应线圈沿受热面管磁回路内的位置，可以接收激励信号能量较高及波包结构相对简单反射回波信号，判别适合该受热面管的传感器结构位置关系，使得传感器能够对该受热面管进行非接触长距离检测，检测信号简单明了、便于分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力检测领域，尤其涉及对电站的受热面管的检测领域，具体的讲是一种对受热面管进行检测的可调节磁致伸缩导波传感器。
背景技术
电站需要使用大量的受热面管，这些管道工作于高温、高压状态下，容易出现各种裂纹缺陷，由其导致的爆管，严重影响管道的安全运行。对受热面管的检测主要采用逐点扫查的方法，如电磁法、常规超声法和射线检测法等，这些方法对受热面管的表面状况要求高，需要打磨特别处理，导致检测效率低，耗时费力，难以进行大批量的检查。同时受热面管空间分布紧凑，长度长，管道很多部位难以接近而无法进行检测，采用普通检验方法难以全面有效检查。因此需要设计一种用于受热面管检测的传感器，来满足受热面管检测的工程要求。
超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，其具有检测快速、高效的特点。纵向导波是管道中常被激励的导波模态。刘增华等在机械工程学报发表的《基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究》中设计并研制了适应于钢绞线磁致伸缩传感器，传感器使用了三个磁路对钢绞线提供偏置磁场，由套筒式螺线管线圈在钢绞线上产生交变磁场，偏置磁场和交变磁场的共同作用下，激励出了纵向导波。吴斌等发明的一种频率可调节的纵向模态磁致伸缩传感器，可对钢杆、钢索等波导结构进行缺陷检测。在钢杆、钢索等波导结构上的交变磁场是由传感器中的三段式的柔性印刷感应线圈提供的，解决了在现场应用时不存在端面的难题。
实用新型内容
现有的上述传感器设计思路对在管、杆和类管结构上激励纵向导波是有效的。利用材料的磁致伸缩效应激励纵向导波，是偏置磁场和交变磁场共同作用的结果，而磁致伸缩传感器的能量转换效率主要由偏置磁场强度决定。由永磁铁构建的磁路内在沿轴线方向的圆柱形波导上偏置磁场强度变化是均匀的，而现有的传统的磁致伸缩传感器都是将套筒式螺线管线圈或者三段式柔性印刷感应线圈布满整个磁路内，忽略了沿轴向方向上偏置磁场强度变化的影响。在现场对受热面管进行检测时，不能将套筒式螺线管线圈套入受热面管，需要使用柔性印刷感应线圈替代；再加上受热面管所处的工况的复杂条件，为使磁致伸缩传感器有相对较高的能量转换效率，且比较简易，需要设计一种用于受热面管检测，具有调节功能的磁致伸缩纵向导波传感器。
为了达到上述目的，本实用新型实施例提供一种可调节磁致伸缩导波传感器，包括四个磁回路和柔性印刷感应线圈，所述四个磁回路均布于受热面管圆周方向上，与所述受热面管构成闭合环状磁路，所述柔性印刷感应线圈至少一次缠绕于所述受热面管上；其中，每一磁回路包括轭铁、永磁铁和鞍铁，所述永磁铁设置于所述鞍铁上方，所述轭铁设置于所述永磁铁上方，所述鞍铁为拱形结构，其与所述永磁铁接触的表面的长度分别为所述永磁铁的宽度和所述轭铁的宽度的二倍；所述柔性印刷感应线圈的宽度为激励频率下激励纵向L（0，2）模态波长的一半，可在沿所述受热面管轴线方向上的磁回路内调节。
进一步地，在一实施例中，所述四个磁回路用于产生均匀变化的偏置磁场，每一磁回路包括一块轭铁、两块永磁铁以及两块鞍铁，所述两块永磁铁对应设置在所述两块鞍铁上方，所述轭铁对应设置在所述两块永磁铁上方，并与所述两块永磁铁的外侧一端对齐。
进一步地，在一实施例中，所述轭铁的长为130mm，宽为20mm，厚度为10mm；所述永磁铁的长为20mm，宽为20mm，厚度为10mm；所述鞍铁的与所述永磁铁接触的表面的长为40mm，宽为20mm。
进一步地，在一实施例中，所述柔性印刷感应线圈通过两端的连接器设置在所述受热面管上。
本实用新型实施例的可调节磁致伸缩导波传感器使用四个磁回路，在受热管周向截面上形成的偏置磁场更加均匀，对于激励轴对称纵向L(0,2)导波模态非常有利。通过改变柔性印刷感应线圈沿受热面管磁回路内的位置，可以接收激励信号能量较高及波包结构相对简单反射回波信号，以便信号分析及缺陷的定位，从而判别适合该受热面管的传感器结构位置关系，使得传感器能够对该受热面管进行非接触长距离检测，检测信号简单明了、便于分析，进而降低检测成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的可调节磁致伸缩导波传感器的结构示意图；
图2为利用本实用新型的可调节磁致伸缩传感器进行受热面管缺陷检测的检测系统的实施例的结构示意图；
图3为
(单位：mm)的受热面管的纵波模态的频散曲线；
图4（a）、图4（b）、图4（c）分别为磁致伸缩导波传感器的柔性印刷感应线圈在不同位置时反射回波信号波形图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1为本实用新型实施例的可调节磁致伸缩导波传感器的结构示意图。如图所示，本实施例的可调节磁致伸缩导波传感器包括四个磁回路和柔性印刷感应线圈B。所述四个磁回路均布于受热面管A的圆周方向上，与所述受热面管A构成闭合环状磁路，所述柔性印刷感应线圈至少一次缠绕于所述受热面管A上。
其中，每一磁回路包括轭铁C、永磁铁D和鞍铁E，所述永磁铁D设置于所述鞍铁E上方，所述轭铁C设置于所述永磁铁D上方，所述鞍铁E为拱形结构，其与所述永磁铁D接触的表面的长度分别为所述永磁铁D的宽度和所述轭铁C的宽度的二倍；所述柔性印刷感应线圈B的宽度为激励频率下激励纵向L（0，2）模态波长的一半，可在沿所述受热面管B轴线方向上的磁回路内调节。
如图1所示，在本实施例中，所述四个磁回路用于产生均匀变化的偏置磁场，每一磁回路包括一块轭铁、两块永磁铁以及两块鞍铁，所述两块永磁铁对应设置在所述两块鞍铁上方，所述轭铁对应设置在所述两块永磁铁上方，并与所述两块永磁铁的外侧一端对齐。
在本实施例中，由于用导波检测缺陷时，检测信号属于微弱信号，所以在传感器的接收端要减少外部电源、电磁场引入带来的干扰。因此在选择何种方式加载偏置磁场时，考虑到线圈产生的磁场信号干扰大，信噪比低，所以本实用新型选择用永磁体方式来提供偏置磁场。用永磁体产生的偏置磁场，不仅稳定，产生的纯净噪声小，而且磁路简单。
在本实施例中，所述柔性印刷感应线圈通过两端的连接器设置在所述受热面管上，以避免检测时没有端面的情况。
图2为利用本实用新型的可调节磁致伸缩传感器进行受热面管缺陷检测的检测系统的实施例的结构示意图。如图2所示，该检测系统包括如图1所示的可调节磁致伸缩传感器、阻抗匹配网络F，USB-UT350超声脉冲激励卡G以及工控机H。
其中，可调节磁致伸缩传感器与阻抗匹配网络F相连接，阻抗匹配网络F与USB-UT350超声脉冲激励卡G相连接，USB-UT350超声脉冲激励卡G与工控机H相连接。
在本实施例中，针对受热面管的缺陷检测，采用激励纵向L(0,2)模态磁致伸缩传感器，其结构与图1中的相同。在本实施例中，所述受热面管A的规格为
(单位：mm)的受热面管，其材质为12Cr1MoV，密度为7.85g/cm3，泊松比为2.7。图3中给出了上述参数下受热面管A的纵向模态的频散曲线。
在本实用新型中，根据频散曲线，如果选定了频率点及相应模态，就可以根据波速和频率的关系，计算激励此模态的波长，而感应线圈的宽度正是由波长决定的。由图3可以看出，所述柔性印刷感应线圈B的感应线圈的宽度激励为L(0,2)纵向模态波长的一半，激励频率选择130kHz，此处的L(0,2)模态频散较小，速度大于L(0,1)模态，有利于信号分析。所对应的感应线圈长270mm，宽20mm，可缠绕受热面管两周，通过安装在线圈两端的连接器进行连接。
因此，本实施例中，所述四个磁回路中的组件，轭铁C为长130mm，宽为20mm，厚度为10mm，永磁铁D为长为20mm，宽为20mm，厚度为10mm，鞍铁E为拱形结构，其与永磁铁接触的表面长为40mm，宽为20mm。
如图2所示，可调节磁致伸缩传感器与阻抗匹配网络F相连接，阻抗匹配网络F与USB-UT350超声脉冲激励卡G相连接，USB-UT350超声脉冲激励卡G与工控机H相连接，将可调节磁致伸缩传感器安装于受热面管A的左面端头。各距受热面管A两端200mm处有一个周向缺陷，左端周向缺陷深度为1.5mm，右端周向缺陷深度为2mm。
所述阻抗匹配网络F为RITEC公司进行阻抗匹配的元器件，由于激励电路中同时存在电阻和电抗部分，需要外加电感或电容来调节传感器的输入阻抗，使得电路中的电抗成分尽量小，以减少激励信号传输中的无功分量，该传感器在工作时，匹配的电容大小为8.3nF。
所述USB-UT350超声脉冲激励卡G是将超声波脉冲发射接收和高速模数转换都集成在一张卡上，并采用USB接口与工控机H连接。USB-UT350超声脉冲激励卡G产生一个激励脉冲，本实施例的可调节磁致伸缩传感器将电脉冲转换成超声波脉冲，就可以进入受热面管A中。同时可调节磁致伸缩传感器也会接收来自在受热面管中经过反射的超声波脉冲，并将其转换为电脉冲输入到接收模块和模数转换模块。在这个过程中，通过在所述工控机H上的LabVIEW程序对其参数进行调整，包括：脉冲电压，脉冲宽度，脉冲回波，脉冲的激励方式，接收增益，整流值，采样值，触发方式，触发延迟等。
激励信号通过阻抗匹配网络F，在带缺陷的受热面管内产生纵向L(0,2)模态；L(0,2)模态在受热面管A中传播，经受热面管中缺陷和端部反射后，由可调节磁致伸缩传感器接收，在工控机H上的LabVIEW程序显示。
通过调节柔性印刷感应线圈B位置，如图2所示，柔性印刷感应线圈B距左端面的距离d，在20mm-90mm范围内，以步长为5mm，读取反射回波信号的波形图。通过比较各个反射回波信号中第一次端面回波的峰峰值及波包结构，选取峰峰值大，波包结构简单的信号时柔性印刷感应线圈B的位置，作为该受热面管A检测时所使用的传感器结构。如图4(a),图4(b),图4(c)所示，分别对应了d=30mm、d=45mm、d=60mm处的接收到的反射回波信号进行分析。图4(a)和图4(b)第一次端面回波的峰值电压相比较，图4(a)为51.54mv，图4(b)为63.49mv，而且图4(a)中两次端面回波间除了存在缺陷回波外，还存在方块圈出的波包，由此看出柔性印刷感应线圈B处在d=45mm时相对于d=30mm时，能量转换效率高，信号分析简单。而图4(c)中当d=60mm时，端面波包与激励信号的波包结构相差较大，缺陷难定位，不利于工程应用检测。通过比较在20mm-90mm范围内的反射回波信号，从而确定当柔性印刷感应线圈B在距端面45mm处时，适于对该受热面管A进行检测。图4(b)中，两次端面回波峰值所对应的时间为0.366ms，传播路程为2000mm，计算其传播速度为5469m/s。通过读取信号波形中两次缺陷回波的峰值时间，分别为0.445ms和0.666ms，计算其传播距离为5469×(0.445-0.366)=432mm，和5469×(0.666-0.366)=1641mm与实际第一次缺陷回波400mm和第二次缺陷回波1600mm，相差不大，说明可以实现对受热面管A上两个周向缺陷进行定位。
通过上述检测实验，本实用新型实施例的可调节磁致伸缩传感器可以调节接收到的导波信号，使得接收到的反射回波信号能量转换效率高，波包清晰，对信号分析十分有利。通过分析调节后的磁致伸缩传感器对受热面管的反射回波信号，可以实现对缺陷的定位。而且传感器安装方便，对受热面管表面状况要求不高，检测过程方便快捷，能够适应实际工程现场检测要求。
本实用新型实施例的可调节磁致伸缩导波传感器使用四个磁回路，在受热管周向截面上形成的偏置磁场更加均匀，对于激励轴对称纵向L(0,2)导波模态非常有利。通过改变柔性印刷感应线圈沿受热面管磁回路内的位置，可以接收激励信号能量较高及波包结构相对简单反射回波信号，以便信号分析及缺陷的定位，从而判别适合该受热面管的传感器结构位置关系，使得传感器能够对该受热面管进行非接触长距离检测，检测信号简单明了、便于分析，进而降低检测成本。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (4)
1.一种可调节磁致伸缩导波传感器，其特征在于，所述可调节磁致伸缩导波传感器包括四个磁回路和柔性印刷感应线圈，所述四个磁回路均布于受热面管圆周方向上，与所述受热面管构成闭合环状磁路，所述柔性印刷感应线圈至少一次缠绕于所述受热面管上；
其中，每一磁回路包括轭铁、永磁铁和鞍铁，所述永磁铁设置于所述鞍铁上方，所述轭铁设置于所述永磁铁上方，所述鞍铁为拱形结构，其与所述永磁铁接触的表面的长度分别为所述永磁铁的宽度和所述轭铁的宽度的二倍；
所述柔性印刷感应线圈的宽度为激励频率下激励纵向L（0，2）模态波长的一半，可在沿所述受热面管轴线方向上的磁回路内调节。
2.根据权利要求1所述的可调节磁致伸缩导波传感器，其特征在于，所述四个磁回路用于产生均匀变化的偏置磁场，每一磁回路包括一块轭铁、两块永磁铁以及两块鞍铁，所述两块永磁铁对应设置在所述两块鞍铁上方，所述轭铁对应设置在所述两块永磁铁上方，并与所述两块永磁铁的外侧一端对齐。
3.根据权利要求2所述的可调节磁致伸缩导波传感器，其特征在于，
所述轭铁的长为130mm，宽为20mm，厚度为10mm；
所述永磁铁的长为20mm，宽为20mm，厚度为10mm；
所述鞍铁的与所述永磁铁接触的表面的长为40mm，宽为20mm。
4.根据权利要求2所述的可调节磁致伸缩导波传感器，其特征在于，所述柔性印刷感应线圈通过两端的连接器设置在所述受热面管上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20140409 Effective date of abandoning: 20151202 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |