CN220289508U - 一种磁致伸缩sh导波检测装置 - Google Patents

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何成
魏然
闫一顺
王德栋
李策
王淑娟
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Abstract

本实用新型公开了一种磁致伸缩SH导波检测装置,所述装置包括海尔贝克永磁阵列、磁致伸缩带、线圈、被测金属试件,其中:所述磁致伸缩带沿被测金属试件的周向耦合在金属试件表面;所述海尔贝克永磁铁阵列沿金属试件的周向排列在磁致伸缩带上;所述海尔贝克永磁铁阵列以四块永磁铁为一组,充磁方向沿被测金属试件顺时针方向依次为逆时针方向、径向朝外、顺时针方向、径向朝内紧密排列;所述线圈以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,且逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁上的线圈绕向相反。该装置能够有效提升换能效率,降低换能器的设计成本,对长期健康监测的大范围应用具有推动作用,具有极为广阔的应用前景。

Description

一种磁致伸缩SH导波检测装置
技术领域
本实用新型属于无损检测技术领域,涉及一种SH导波磁致伸缩换能器。
背景技术
板材、管件等在服役过程中经常产生裂纹和腐蚀等缺陷,形成安全隐患。为了保证产品的安全运行和有效使用,无损检测在石油石化、轨道交通等领域已经成为一种强制性措施。超声导波技术因其信号衰减小和传播距离远,截面覆盖完全等特点,可以克服检测对象局限、检测要求高、检测效率低等不足,实现高效率、长距离的缺陷检测,适用于大型工业结构无损检测与健康监测。相比于电磁超声换能器,磁致伸缩贴片换能器激励频率更低,功率更大,可以实现在高温工况下的连续检测,还能够实现非铁磁性管道和有包裹层管道的超声导波检测,一次性检测范围可达上百米,检测效率大大提高,目前,长距离磁致伸缩超声导波检测系统已成功研发并在工业现场进行缺陷检测。
然而,目前工业常用的预磁化式磁致伸缩换能器换能效率较低,磁致伸缩贴片退磁而无法长期安装(VinogradovS.Magnetostrictivetransducerfortorsional guidedwavesinpipesandplates.MaterialsEvaluation2009;67(3):333–341.)。曲折线圈的结构无法适应多频扫描,需要人工更换线圈与适配器;只能对单次检测结果进行分析,无法获得伤损随时间的变化规律,寿命预测误差较大,不能实现全周期的智能化健康监测。为解决预磁式换能器易退磁的问题,采用永磁方式提供静磁场,但即使是目前换能效率较高的交替对向充磁结构仍然存在所用的磁铁体积较大、成本较高、不能安装在小口径管道以及狭窄空间的问题(ShujuanWang,CeLi,XiaohongMa,etal.Broadbandtorsionalguidedwave magnetostrictivepatchtransducerwithcircumferentialalternatingpermanentmagnet arrayforstructuralhealthmonitoring[J].Ultrasonics,Volume125,2022.)。
实用新型内容
为了进一步提升换能效率,降低换能器制作成本,拓宽应用范围,本实用新型提供了一种磁致伸缩SH导波检测装置,该装置能够有效提升换能效率,降低换能器的设计成本,对长期健康监测的大范围应用具有推动作用,具有极为广阔的应用前景。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
一种磁致伸缩SH导波检测装置,包括海尔贝克永磁阵列、磁致伸缩带、线圈、被测金属试件,其中:
所述磁致伸缩带沿被测金属试件的周向耦合在金属试件表面;
所述海尔贝克永磁铁阵列沿金属试件的周向排列在磁致伸缩带上;
所述海尔贝克永磁铁阵列以四块永磁铁为一组,充磁方向沿被测金属试件顺时针方向依次为逆时针方向、径向朝外、顺时针方向、径向朝内紧密排列;
所述线圈以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,且逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁上的线圈绕向相反。
本实用新型中,换能器的重点技术在于:
1、基于海尔贝克阵列式永磁结构磁致伸缩扭转导波换能器。将磁致伸缩带用环氧树脂耦合在被测试件表面;线圈采用线性结构,由单匝或多匝导线紧密并排绕制;线圈中通入交流电信号,产生纵向动态磁场,与磁致伸缩带中剩磁产生的静态偏置磁场共同作用使磁致伸缩带产生振动,振动传递到被测试件中产生SH0导波。
2、利用海尔贝克周向永磁铁阵列提供静态偏置磁场。以四块永磁铁为一组,充磁方向沿管道顺时针方向依次为逆时针方向、径向朝外、顺时针方向、径向朝内紧密排列,每组永磁铁沿管道周向方向循环排列,以提供垂直于声波传播方向的静态偏置磁场。
3、线圈采用线性结构。线圈以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,且逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁上的线圈绕向相反。
相比于现有技术,本实用新型具有如下优点:
1、本实用新型提供了一种基于魏德曼效应的磁致伸缩扭转导波换能器结构,该换能器由磁致伸缩贴片、耦合剂、永磁铁与线圈构成,换能器的结构设计简单,易于制作,扭转导波激励强度高,换能效率高。
2、本实用新型采用海尔贝克周向永磁铁阵列提供静态偏置磁场,能够通过控制永磁参数改变静态磁场的强度,使换能器的换能效率达到最佳值。
3、与交替对向充磁的永磁阵列相比,在固定磁场强度的情况下,海尔贝克永磁阵列所需永磁材料数量更少,尺寸更小,能够有效降低换能器的制作成本。同时,在小口径管道、狭窄空间等作业环境下,本实用新型设计的换能器将具有更大的优势。
附图说明
图1为海尔贝克磁体阵列结构示意图;
图2为海尔贝克永磁阵列式传感器;
图3为线圈示意图;
图4为海尔贝克永磁阵列式宽频SH导波磁致伸缩贴片换能器结构,θt表示周向方向充磁永磁铁对应的圆心角,θn表示径向方向充磁永磁铁对应的圆心角;
图5为换能器二维有限元模型;
图6为磁致伸缩贴片的HB曲线;
图7为不同θn下永磁铁径向尺寸与静态磁场分布的关系,(a)n=1°,(b)n=2.5°,(c)n=4°;
图8为不同θn下永磁铁提离距离与静态磁场分布的关系,(a)n=1°,(b)n=2.5°,(c)n=4°;
图9为3*3*3mm的铷铁硼磁铁海尔贝克阵列示意图;
图10为3*3*3mm的铷铁硼磁铁对向充磁阵列示意图;
图11为不同阵列磁场强度随位置变化;
图12为SH导波激励与接收实验装置示意图;
图13为接收信号波形图;
图14为信号频域图;
图15为海尔贝克与交替对向充磁换能器的导波信号波形图;
图16为海尔贝克永磁阵列接收的导波信号幅值与提离距离的关系;
图17为静态偏置磁场的周向分布。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本实用新型技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围,均应涵盖在本实用新型的保护范围中。
磁致伸缩扭转导波激励是魏德曼效应的典型应用,在互相垂直的静态偏置磁场与动态磁场的作用下,磁致伸缩材料将产生振动,将电信号转换为声波信号,激励出SH导波。其中,静态偏置磁场与导波传播方向垂直。同理可得,处于静态偏置磁场中的磁致伸缩材料因SH导波传播引起的振动使得磁场发生改变,感应线圈中的电流因此发生改变,将声波信号转变为电信号。这便是SH导波的激励与接收原理。
海尔贝克磁体阵列结构是工程上的近似理想结构,如图1所示。其基本原理是磁环分解后的平行磁场与径向磁场的相互迭加使得另一侧的磁场强度大幅度提升,该分向磁化的结果,明显增强了磁场强度。设计换能器时,在获得相同磁场强度的情况下,采用这种结构所需永磁铁的数量更少,剩磁与尺寸均更小,提升了永磁铁的利用率。
本实用新型提供的磁致伸缩SH导波检测装置由海尔贝克永磁阵列1、磁致伸缩带2、耦合剂3、线圈4、被测金属试件5构成,结构如图2和图3所示,其中:被测金属试件5为薄壁管型,壁厚为mm量级;磁致伸缩带2利用耦合剂3沿被测金属试件5的周向至少粘贴一周;海尔贝克永磁铁阵列1以圆周方式排列在磁致伸缩带2上;线圈4由单匝或多匝导线紧密并排绕制,以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,用于产生纵向动态磁场;所述耦合剂3选用环氧树脂,将磁致伸缩带2与被测金属试件5粘接,用于将磁致伸缩带2产生的振动传递到被测金属试件5上。
本实用新型中,利用上述装置进行磁致伸缩SH导波检测的方法如下:首先将装置按照图2所示方法安装在被测金属试件上,再在线圈中通入交变电流以产生沿管道长度方向传播的导波,导波在传播过程中遇到腐蚀裂纹等缺陷会产生反射回波,通过对反射回波进行处理与分析,最终能得到管道内部缺陷的位置与形状大小等特征。
本实用新型中,所述海尔贝克永磁阵列结构的周向排列方式如图4所示,以四块永磁铁为一组,充磁方向沿管道顺时针方向依次为逆时针方向、径向朝外、顺时针方向、径向朝内紧密排列,每组永磁铁沿管道周向方向循环排列,并保证永磁铁排列一周的组数不少于4组。其中,每一块永磁铁的尺寸相同,相邻永磁体之间的间距相同,且与磁致伸缩带的提离距离相同;在能排列下所有磁铁的前提下间距尽量最小,间距最小为线圈的厚度即紧密相贴,最大不超过10mm。
本实用新型中,所述线圈缠绕方式为以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,径向方向充磁的永磁铁上不绕线圈,且逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁上的线圈绕向相反。其中,以右手法则定义线圈的方向,该线圈的方向为沿管道的长度方向。如此以来,逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁正下方的磁致伸缩贴片中,静态偏置磁场的方向相反,强度相等;而动态磁场在每个时刻也方向相反,强度相等。
本实用新型中,所述线圈缠绕宽度为SH0导波波长的一半。
本实用新型中,所述线圈采用线性结构,即:相邻导线紧密接触缠绕,且缠绕在永磁铁的中间部分。以上结构使得激励出的SH导波有较宽的带宽,磁致伸缩材料能够在整个管道都激励或接收相位相同的宽频T(0,1)导波。
本实用新型中,所述磁致伸缩带的宽度与线圈的宽度相同,且磁致伸缩带位于永磁铁的中间部分。
本实用新型中,所述磁致伸缩带选用具有高饱和磁致伸缩系数的磁致伸缩材料,例如镍、铁钴合金、铁镓合金等。
实施例:
使用Ansys建立二维有限元模型,仿真探究海尔贝克永磁铁阵列的各参数对磁致伸缩贴片中周向方向静态磁场的影响,模型如图5所示。根据磁致伸缩贴片的HB曲线设置模型磁导率,如图6所示。管道外径为108mm,厚度为2mm,相对磁导率设置为1,对应的材料是铝;磁致伸缩贴片选用的材料为1J22,厚度为0.1mm;永磁铁剩磁为1.2T,径向尺寸为10mm。模型的圆心角为21度。探究静态偏置磁场的周向分布,探究结果如图17所示。
由图17可知,随着径向充磁永磁铁的圆心角的增大,静态偏置磁场的强度也增大,但均匀性变差。这是海尔贝克永磁铁阵列结构分向磁化的结果,使得一侧磁感应线越密集,另一侧越稀疏。且径向充磁永磁铁圆心角越大,分向磁化效应越明显。而同时,这种磁感应线的重新分布也导致静态偏置磁场的均匀性降低。因此,海尔贝克永磁铁阵列不仅能够成功产生周向静态偏置磁场,而且能够明显增强磁场强度。设计换能器时,在获得相同磁场强度的情况下,采用这种结构所需永磁铁的数量更少,剩磁与尺寸均更小。探究不同径向充磁磁铁对应圆心角θn下永磁铁径向尺寸与静态磁场分布的关系,结果如图7所示,结果表明,径向尺寸越大,静态磁场越强。探究不同θn下永磁铁提离距离与静态磁场分布的关系,结果如图8所示,结果表明,提离距离越小,静态磁场越强。
为了探究海尔贝克永磁阵列提供的静态偏置磁场强度与分布,并与相同数量尺寸的交替充磁永磁阵列进行对比,采用图9、图10所示磁铁阵列进行实验。以S指向N极为箭头方向,将尺寸为3*3*3mm的铷铁硼磁铁按上左右下依次排列八个构成海尔贝克永磁阵列;将相同磁铁两个为一组对向交替排列四组构成交替对向永磁阵列。用高斯计分别对两组永磁阵列上表面长度方向的磁场进行测量,从图中坐标1.5mm开始测量,步进值为1.5mm,采集15组数据。
实验结果如图11所示,海尔贝克永磁阵列的最大磁场强度为103mT,交替充磁永磁阵列的最大磁场强度为66.6mT,提供的静态偏置磁场强度提高了54.7%。由此证明了该换能器能够明显增强静态偏置磁场的强度。
为了检验本实用新型设计的海尔贝克永磁阵列式MPT激励SH导波的可行性,并探究对比海尔贝克永磁阵列式与对向充磁阵列换能效率。使用图12所示的实验装置激励接收SH导波。分别使用海尔贝克永磁阵列和对向充磁阵列提供静态偏置磁场,两种阵列均有3*3*3mm的铷铁硼磁铁构成。用直径为0.19mm的铜制漆包线绕制的5mm宽的线圈提供动态磁场。磁致伸缩贴片材质为铁钴合金,取5mm宽的磁致伸缩贴片用环氧树脂耦合在厚度1mm的铝板上,永磁铁提离距离为3mm。一个换能器用于激励信号,另一个换能器用于接收信号,两个换能器之间的距离为0.2m。使用RitecRAM-5000SNAP进行激励和接收,激励频率为300kHz。
实验结果如图13所示,从发射到接收信号的时间分别为63.2μs,声速为3162m/s,与SH导波的声速理论值基本一致。对接收信号进行频域换算如图14所示,发现信号的频率主要集中在300kHz处,与信号的激励频率一致。因此,该实验成功验证了本实用新型设计的换能器能激励接收SH导波。
与目前换能效率较高的交替对向充磁的永磁阵列相比,在其他条件相同时,海尔贝克永磁阵列激励出的导波信号幅值为5.0;交替对向充磁的永磁阵列激励出的导波幅值为2.7,两种永磁结构的导波信号波形图如图15所示。因此,海尔贝克永磁阵列的换能效率能增强70%以上。
综上所述,采用海尔贝克永磁阵列设计SH导波MPT,能够大幅度提升换能器的效率,并能够通过调节永磁铁的提离距离使换能器达到最佳效率点,海尔贝克永磁阵列接收的导波信号幅值与提离距离的关系如图16所示。

Claims (10)

1.一种磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述装置包括海尔贝克永磁阵列、磁致伸缩带、线圈、被测金属试件,其中:
所述磁致伸缩带沿被测金属试件的周向耦合在金属试件表面;
所述海尔贝克永磁阵列沿金属试件的周向排列在磁致伸缩带上;
所述海尔贝克永磁阵列以四块永磁铁为一组,充磁方向沿被测金属试件顺时针方向依次为逆时针方向、径向朝外、顺时针方向、径向朝内紧密排列;
所述线圈以螺线管的缠绕方式绕制在沿周向方向充磁的永磁铁上,且逆时针方向充磁的永磁铁与顺时针方向充磁的永磁铁上的线圈绕向相反。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述被测金属试件为薄壁管型,壁厚为mm量级。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述磁致伸缩带利用耦合剂沿被测金属试件的周向至少粘贴一周,所述耦合剂选用环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述永磁铁排列一周的组数不少于4组。
5.根据权利要求1或4所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述永磁铁的尺寸相同,相邻永磁体之间的间距相同,且与磁致伸缩带的提离距离相同。
6.根据权利要求5所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述间距最小为线圈的厚度即紧密相贴,最大不超过10mm。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述线圈缠绕宽度为SH0导波波长的一半。
8.根据权利要求1所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述磁致伸缩带的宽度与线圈的宽度相同,且磁致伸缩带位于永磁铁的中间部分。
9.根据权利要求1、7或8所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述线圈采用线性结构,即:相邻导线紧密接触缠绕,且缠绕在永磁铁的中间部分。
10.根据权利要求1、3或8所述的磁致伸缩SH导波检测装置,其特征在于所述磁致伸缩带选用镍、铁钴合金、铁镓合金中的一种。
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