[發(fā)明專利]一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器、管道檢測系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810132244.3
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108508085B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫斐然;孫振國;陳強(qiáng);張文;丁雨林
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);浙江清華長三角研究院
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊;張超艷

一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器、管道檢測系統(tǒng)及方法，屬于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域。所述磁致伸縮傳感器包括線圈陣列和永磁鐵陣列。線圈陣列由多個(gè)跑道型線圈并聯(lián)而成，固定在管道的外表面一周，且沿管道周向均勻分布；永磁鐵陣列由極性交錯(cuò)排列的永磁鐵和磁鐵底座構(gòu)成，安裝在線圈陣列的外側(cè)，軸向相鄰的永磁鐵間距等于所激發(fā)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的半波長；基于磁致伸縮機(jī)制，在永磁鐵陣列提供的軸向靜態(tài)偏置磁場和線圈陣列提供的周向動態(tài)磁場的共同作用下，從而激勵出扭轉(zhuǎn)模態(tài)的管道超聲導(dǎo)波。本發(fā)明可有效的在鋼管中激勵和接收扭轉(zhuǎn)模態(tài)的超聲導(dǎo)波，激勵模態(tài)單一，信噪比高，便于實(shí)現(xiàn)對管道的全面檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器、管道檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有超聲波傳播距離遠(yuǎn)、聲波衰減率低、在短時(shí)間內(nèi)能夠覆蓋大部分的檢測范圍等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于管道無損檢測領(lǐng)域。其中，軸對稱的扭轉(zhuǎn)模態(tài)是管道超聲導(dǎo)波中較為常用的檢測模態(tài)，其優(yōu)勢在于：該模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度在一定的頻率范圍內(nèi)基本不受頻率變化的影響，即具有良好的非頻散特性；質(zhì)點(diǎn)的振動方向與導(dǎo)波的傳播方向相垂直，對管道的軸向缺陷較為敏感；只有周向的振動位移，沒有徑向的位移，在導(dǎo)波傳播過程中能量泄露較少，故對管道長距離檢測具有一定的優(yōu)勢。

管道超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)主要使用壓電超聲傳感器和電磁超聲傳感器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激勵和接收扭轉(zhuǎn)模態(tài)的超聲導(dǎo)波信號。然而，壓電超聲傳感器存在一定的不足，主要體現(xiàn)在：通過耦合劑與被測試件接觸，往往需要對試件的表面進(jìn)行打磨、清洗等預(yù)處理工作，且安裝較為復(fù)雜，檢測效率較低，不利于現(xiàn)場的快速檢測。而電磁超聲傳感器可直接在導(dǎo)體或鐵磁性材料中激勵超聲導(dǎo)波信號，具有非接觸、無需耦合劑、對被測件表面要求不高、重復(fù)性好、適用于高溫環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)快速檢測等優(yōu)點(diǎn)。

電磁超聲傳感器的工作原理主要有兩種：洛倫茲力機(jī)制和磁致伸縮機(jī)制。洛倫茲力機(jī)制的傳感器可應(yīng)用于所有導(dǎo)體材料的管道檢測中，但其換能效率較低，激勵的導(dǎo)波信號幅值和信噪比較低；而磁致伸縮機(jī)制的傳感器只能用于鐵磁性材料的管道檢測中，但其換能效率較高，可以產(chǎn)生高幅值和高信噪比的導(dǎo)波信號，傳播距離更遠(yuǎn)，檢測范圍更廣。因此在鋼管檢測中，常使用磁致伸縮傳感器作為檢測探頭。

電磁超聲傳感器主要由提供靜態(tài)偏置磁場的磁鐵和提供動態(tài)交變磁場的線圈組成，通過改變磁鐵和線圈的結(jié)構(gòu)形狀，可設(shè)計(jì)出不同類型的超聲傳感器。現(xiàn)階段，國內(nèi)外在扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器的研究上取得了一定的進(jìn)展，激勵機(jī)制的研究已經(jīng)較為成熟。但在工程應(yīng)用中仍然存在傳感器安裝、拆卸不便，激勵信號不理想，檢測效率較低等問題，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)已有的磁致伸縮傳感器或研制新型的磁致伸縮傳感器依舊是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器、管道檢測系統(tǒng)及方法，該磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝便利，通過磁致伸縮機(jī)制，在永磁鐵提供的軸向靜態(tài)偏置磁場和線圈提供的周向動態(tài)交變磁場的共同作用下，有效的激勵出高信噪比的扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波信號，實(shí)現(xiàn)對管道的全面檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器，包括：線圈陣列(1)，包括多個(gè)以并聯(lián)的方式沿周向均勻布置在管道(3)的外圓周面上的線圈；永磁鐵陣列(2)，包括多個(gè)沿周向均勻布置在線圈陣列(1)的徑向外側(cè)的永磁鐵(21)，其中，每一永磁鐵都沿管道(3)徑向極化，且沿軸向和周向極性交錯(cuò)排列，并且，永磁鐵(21)在周向的列數(shù)是線圈個(gè)數(shù)的兩倍，且任一線圈的中心與其在周向?qū)?yīng)的兩列永磁鐵的中心在同一徑向直線上。

優(yōu)選地，每一線圈的形狀為跑道形。

優(yōu)選地，永磁鐵陣列(2)還包括與管道(3)同軸布置的磁鐵底座(22)，所述的磁鐵底座(22)內(nèi)壁為與管道(3)的外徑尺寸相配合的內(nèi)圓，外壁是一個(gè)與管道(3)同軸的棱柱體，棱柱體的每個(gè)側(cè)面沿軸向設(shè)置有多個(gè)與永磁鐵尺寸匹配的磁鐵插槽(221)。