[發明專利]一種縱向模態磁致伸縮陣列傳感器

有效

• 申請號: 201410669590.7
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN104483382A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 劉增華;胡亞男;樊軍偉;曹瑾瑾;何存富;吳斌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 紀佳

技術領域

本發明為一種縱向模態磁致伸縮陣列傳感器，屬于超聲無損檢測領域，可在管道中激勵出縱向模態L(0,2)，實現對管道的無損檢測。

背景技術

超聲導波技術是一種新興的無損檢測新技術，相比傳統的檢測方法，其具有檢測范圍大、效率高、衰減小等優點，對于結構表面缺陷和內部缺陷都相當敏感，因此超聲導波技術廣泛應用于多類工程結構的無損評價和健康監測。其中，使用軸對稱的縱波模態和扭轉波模態的導波方法可以實現管道的快速、高效的檢測，由于軸對稱縱向導波L(0,2)模態傳播速度快，故能比其他模態的導波更快的到達導波接收裝置，因此更易于在時域內與其他模態進行區分，而且L(0,2)模態導波在傳播過程中的離面位移相對較小，傳播過程中的能量泄露現象也相應地減小，傳播距離相對較長，故可檢測更長的距離，使得L(0,2)模態導波對管道長距離檢測具有一定優勢。

目前，常用的激勵超聲導波主要兩種方式，一種方式是基于材料壓電效應的壓電傳感器。壓電傳感器在激勵接收超聲波時，通過耦合劑與被測件接觸，而且往往需要對試件表面進行預處理，因此檢測效率較低；而且壓電傳感器頻率帶寬相對較窄，容易激勵出多個導波模態，在缺陷信息提取上有一定難度。另一種方式是基于電磁耦合機理的電磁聲傳感器(Electro-magnetic?Acoustic?Transducer，EMAT)，無需接觸和耦合劑，可直接在導體或鐵磁性材料中激勵接收超聲波，具有非接觸、無需耦合劑、對被測件表面要求不高、重復性好、適于高溫、高速檢測等優點。

電磁聲傳感器一般主要包括磁鐵和線圈兩部分。通過改變磁鐵和線圈的結構形式，可設計出不同類型的電磁聲傳感器。H.Ogi等利用不等間距的蛇形線圈和永磁鐵，設計了一種線聚焦SV波電磁聲傳感器。S.H.Cho和K.H.Sun等設計制作了一種方向可調的磁致伸縮傳感器，用于非鐵磁性金屬和非金屬的檢測。H.Kwun和C.M.Teller在鋼桿中進行了激勵和檢測超聲波的實驗，通過改變傳感器的結構和偏執磁場的分布，在磁致伸縮效應及其逆效應的作用下激勵出了超聲導波。K.H.Sun和C.Dynes等研究了利用縱向模態的磁致伸縮傳感器對管道中缺陷進行檢測和描述的問題，對不同的檢測結構的不同類型的缺陷(刻槽和腐蝕)進行了檢測，為缺陷描述和健康狀態評估的實現提供了實驗基礎。在國內，馮紅亮等設計的磁致伸縮傳感器成功的在碳鋼式樣內部激勵出縱向模態和扭轉模態的導波。王躍民等分析了縱向模態導波的激勵機理，成功的在圓管中激勵出縱向模態超聲導波。

目前，國內在導波理論研究上取得了一定的進展，但是在商業應用上大多數被檢測的構件是不規則，而且缺陷未知，要求傳感器易于安裝、檢測和拆卸，因此，要優化設計已有的磁致伸縮傳感器或研制新型磁致伸縮傳感器。目前，管道超聲導波專用探頭全部由國外廠商生產，國內還處于研發階段，距離工程成熟還有一些問題值得深入研究和探討。

發明內容

本發明的目的是設計一種縱向模態磁致伸縮陣列傳感器，基于鐵磁性材料鎳帶的磁致伸縮效應，將鎳帶的磁致伸縮變形通過粘接方式機械地耦合進入需要檢測管道，從而有效激勵出L(0,2)模態超聲導波，實現管道中缺陷的檢測。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種縱向模態磁致伸縮陣列傳感器，包括銣鐵硼磁鐵1，雙層簇狀回折線圈2，鎳帶3；所述的雙層簇狀回折線圈2設置于柔性電路板中，鎳帶3粘接或固定于檢測檢測管道外表面一周，4片設置有雙層簇狀回折線圈2的柔性電路板放置在鎳帶3上，沿著檢測管道環向均勻布置一周，且與鎳帶3緊密接觸鎳帶3兩端分別放置4塊銣鐵硼磁鐵1，所述銣鐵硼磁鐵1側面的法線方向沿著管道長度方向，鎳帶(3)兩端的銣鐵硼磁鐵1側面兩兩相對，且相對側面極性相反；

銣鐵硼磁鐵1側面截面形貌為扇形，沿兩側面極化，且沿環向均勻布置管道外表面的周向。

所述的柔性電路板中包含雙層簇狀回折線圈2，采用陣列式回折布線方式，使導線呈簇型分布，底上雙層布線，相鄰兩簇線圈間距D等于設計的磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對應的半波長λ/2；

鎳帶3長度為管道外表面周長，寬度為研制的縱向模態磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的寬度，鎳帶3的邊緣打磨變薄。

所述的鎳帶3可以更替為其他磁致伸縮系數較高的材料的薄帶

本發明可以獲得如下有益效果：

1、柔性電路板中包含雙層簇狀回折線圈2，相鄰兩簇線圈間距D等于設計的磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對應的L(0,2)模態的半波長λ/2，通過改變相鄰兩簇線圈間距D，可以設計出不同中心頻率的縱向模態磁致伸縮陣列傳感器；