一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的制造方法
【專利摘要】一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，屬于超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。根據(jù)板中SH波振動(dòng)模式與管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)相類似的現(xiàn)象，提出了一種適用于管道布置和陣列的MPSA線圈，設(shè)計(jì)并研制一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，實(shí)現(xiàn)在管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器在管道上激勵(lì)T(0,1)模態(tài)，試驗(yàn)測(cè)試了該傳感器的頻率響應(yīng)特性，使用該傳感器快速有效檢測(cè)出對(duì)合金鋼管中缺陷位置，且定位精度較高，為進(jìn)一步利用該傳感器并結(jié)合相控陣原理，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷二維成像奠定了基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，屬于超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，可在管道結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)的超聲導(dǎo)波。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲導(dǎo)波因其檢測(cè)范圍大、效率高、衰減小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)表面缺陷和內(nèi)部缺陷都相當(dāng)敏感，可實(shí)現(xiàn)板、殼、管道、桿等結(jié)構(gòu)的有效檢測(cè)，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。由于超聲導(dǎo)波的傳播特性(如頻散、多模態(tài)和衰減等)直接關(guān)系其檢測(cè)效果?；趯?dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性，選擇合適的檢測(cè)模態(tài)和頻率范圍相當(dāng)重要。在管道結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)τ(0，1)波包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有非頻散特性，能傳播更長(zhǎng)的距離且有較小的衰減。相比與管道結(jié)構(gòu)中其他模態(tài)對(duì)于缺陷檢測(cè)有著很大潛力和優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前，常用的激勵(lì)超聲導(dǎo)波主要兩種方式，一種方式是基于材料壓電效應(yīng)的壓電傳感器。壓電傳感器在激勵(lì)接收超聲波時(shí)，通過(guò)耦合劑與被測(cè)件接觸，而且往往需要對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理，因此檢測(cè)效率較低；而且壓電傳感器頻率帶寬相對(duì)較窄，容易激勵(lì)出多個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，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(jī)理的電磁聲傳感器(Electro-magnetic Acoustic Transducer, EMAT),無(wú)需接觸和稱合劑,可直接在導(dǎo)體或鐵磁性材料中激勵(lì)接收超聲波，具有與被測(cè)試件非接觸、無(wú)需耦合介質(zhì)、對(duì)被測(cè)件表面要求不高、重復(fù)性好、適于高溫、高速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]EMAT工作原理主要基于兩種物理效應(yīng)。一種基于洛倫茲力，當(dāng)載有交變激勵(lì)電流的線圈靠近被測(cè)金屬表面時(shí)，將在金屬內(nèi)感應(yīng)出渦流，若此時(shí)存在一個(gè)偏置靜磁場(chǎng)，將在金屬中產(chǎn)生交變的洛倫茲力，這種變化的力將激發(fā)出超聲波；另一種基于磁致伸縮效應(yīng)，僅適用鐵磁質(zhì)或磁性材料的檢測(cè)，通過(guò)載有交變激勵(lì)電流線圈產(chǎn)生交變的動(dòng)磁場(chǎng)和偏置靜磁場(chǎng)的共同作用，使磁性材料體積發(fā)生變化，形成材料內(nèi)部的振動(dòng)，并最終以聲波形式將振動(dòng)向外傳播。
[0005]EMAT的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性很高，改變線圈和磁鐵的組合形式，可以激發(fā)多種類型的超聲導(dǎo)波。更容易激勵(lì)出多種模態(tài)類型且模態(tài)單一的超聲導(dǎo)波，提高缺陷辨識(shí)能力和定位精度。但EMAT與壓電傳感器相比，換能效率較低。一般情況下磁致伸縮型EMAT，也稱作磁致伸縮傳感器(Magnetostrictive sensor, MsS),比洛倫茲力型EMAT的換能效率低,然而對(duì)于鐵磁性材料的檢測(cè)，磁致伸縮型EMAT的換能效率更高。在設(shè)計(jì)磁致伸縮型EMAT時(shí)，檢測(cè)對(duì)象為非鐵磁性材料結(jié)構(gòu)時(shí)，可將鐵磁性材料薄片作為媒介，粘接或者固定在檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面，不僅有效的激勵(lì)出超聲導(dǎo)波，還可以極大增強(qiáng)接收信號(hào)的能量。這使得EMAT應(yīng)用不僅限于金屬或鐵磁性材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，擴(kuò)展了 EMAT的應(yīng)用范圍。
[0006]最早將MsS應(yīng)用到管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵(lì)接收的是Hegeon Kwun等，2002年申請(qǐng)的美國(guó)專利((Method and apparatus generating and detecting torsional wave inspectionof pipes or tubes》,將鐵磁性材料粘接在管道表面,并纏繞螺線管線圈,激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)。Yoon Young Kim 等，2005 年在《Journal of the Acoustical Society of America》中發(fā)表的《Torsional wave experiments with a new magnetostrictive transducer configuration》，Seung Hyun Cho 等，2005 年在《Applied Physics Letters))中發(fā)表的《Effects of theorientation of magnetostrictive nickel strip on torsional wave transductionefficiency of cylindrical waveguides))和 Chan II Park 等，2006 年在《Applied PhysicsLetters))中發(fā)表的〈〈Z-shaped magnetostrictive patch for efficient transduction of atorsional wave mode in a cylindrical waveguide》對(duì)Hegeon Kwun設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化鎳帶的形狀以及粘接方向，增強(qiáng)MsS傳感器的性能，并釆用激勵(lì)線圈產(chǎn)生一個(gè)偏置靜磁場(chǎng)，避免了繁瑣的鎳帶或鐵鈷帶等預(yù)磁化，提高了傳感器檢測(cè)效率和實(shí)用價(jià)值。
[0007]Thompson RB 等，在 1990 年《Physical Acoustics》中發(fā)表的《Physicalprinciples of measurements with EMAT transducers》，米用周期永磁鐵(PeriodicPermanent Magnet, PPM)構(gòu)成的EMAT在銀板中激勵(lì)出水平剪切模態(tài)SH。。Nurmalia等，2013 年在((Japanese Journal of Applied Physics))中發(fā)表的((Mode conversion and totalreflection of torsional waves for pipe inspection)),利用在板中激勵(lì)水平剪切波(Shear horizontal wave, SH)的PPM傳感器結(jié)構(gòu)作為陣列單元，在管道中激勵(lì)出了扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并研究了管道中模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。
[0008]Thompson R B，在 1979 年在《Applied Physics Letters))中發(fā)表的《Generationof horizontalIy polarized shear waves in ferromagnetic materials usingmagnetostrictiveIy coupled meander-coil electromagnetic transducers》，利用回折線圈在鐵磁性材料中來(lái)產(chǎn)生水平剪切模態(tài)SH。Hoe Woong Kim等，2010年在《IEEETransactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control)) 中發(fā)表的《Shear-horizontal wave-based pipe damage inspection by arrays of segmentedmagnetostrictive patches》和《Ultrasonics》中發(fā)表的《Circumferential phased arrayof shear-horizontal wave magnetostrictive patch transducers for pipe inspection〉〉，利用在板中激勵(lì)水平剪切波的磁致伸縮傳感器，釆用回折線圈，陣列置于管道上，激勵(lì)出了扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了管道中表面缺陷的二維成像。
[0009]Seung Hyun Cho 等，2006 年在《Apply Physics Letters))中發(fā)表的《Guidedwave transduction experiment using a circular magnetostrictive patch and afigure-of-eight coil in non-ferromagnetic plates》設(shè)計(jì)了一種用于非鐵磁性板結(jié)構(gòu)檢測(cè)的8字型線圈磁致伸縮傳感器；Thompson R B，1979年在《Applied Physics Letters》中發(fā)表的《Generation of horizontally polarized shear waves in ferromagnetic materialsusing magnetostrictiveIy coupled meander-coil electromagnetic transducers》利用回折線圈磁致伸縮傳感器在鐵磁性材料中來(lái)產(chǎn)生水平剪切模態(tài)。結(jié)合上述兩種傳感器線圈特點(diǎn)，Ju Seung Lee 等，2009 年在《Smart Material and Structures》中發(fā)表的《Beam-focusedshear-horizontal wave generation in a plate by a circular magnetostrictive patchtransducer employing a planar solenoid array))提出 了 一種新型的平面螺線管陣列(Planar Solenoid Array, PSA)線圈，進(jìn)一步提高磁致伸縮型傳感器性能，在非鐵磁性材料鋁板中激勵(lì)出低階的水平剪切波SHo。
[0010]本發(fā)明的基本思想是根據(jù)板中SH波振動(dòng)模式與管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)相類似的現(xiàn)象，參照并改進(jìn)平面螺線管陣列(PSA)線圈在板中激勵(lì)SH波的磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于管道布置和陣列的MPSA線圈，設(shè)計(jì)并研制一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，實(shí)現(xiàn)在管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)，為實(shí)際管道結(jié)構(gòu)的快速、高效檢測(cè)，提供有力的技術(shù)手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)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(yīng)，將磁致伸縮變形耦合進(jìn)入需要檢測(cè)管道，有效激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷的檢測(cè)。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0013]參照平面螺線管陣列(PSA)線圈結(jié)構(gòu)，提出了改進(jìn)后平面螺線管陣列ModifiedPlanar Solenoid Array,簡(jiǎn)稱MPSA線圈，并以采用MPSA線圈磁致伸縮傳感器作為環(huán)形陣列單元組成適用于管道檢測(cè)陣列傳感器，即扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，包括銣鐵硼磁鐵1，傳感器外殼2，MPSA線圈3，鎳帶4 ;鎳帶4粘接或固定于檢測(cè)管道外表面一周，銣鐵硼磁鐵I置于鎳帶4上且環(huán)向均勻布置管道外表面一周，傳感器外殼2由多個(gè)相同單元組成，不同的傳感器外殼2的組成單元的邊緣設(shè)置凸塊或凹槽，所述的凸塊或凹槽互相拼接進(jìn)行裝配，環(huán)向均勻布置于管道一周；將線圈纏繞在傳感器外殼2單元上分布的扇形臺(tái)階上，繞制成MPSA線圈3，銣鐵硼磁鐵I和MPSA線圈3沿管道周向依次分布；將所有傳感器外殼2單元上纏繞的MPSA線圈3并聯(lián)，保證不同傳感器外殼2單元上纏繞的MPSA線圈3中的電流，在同一時(shí)刻方向一致，基于磁致伸縮效應(yīng)，緊貼管道外表面布置的鎳帶4產(chǎn)生方向一致的剪切變形，并將這種剪切運(yùn)動(dòng)傳遞給管道，有效在管道中激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)。
[0014]所述的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:銣鐵硼磁鐵I形貌為扇形，沿兩側(cè)極化，環(huán)向均勻布置管道一周，在其表面附近產(chǎn)生環(huán)向分布靜磁場(chǎng)，相鄰的兩個(gè)銣鐵硼磁鐵I距離最近的側(cè)表面磁極相反，使磁場(chǎng)線沿環(huán)形方向一致(順時(shí)針或逆時(shí)針)傳遞；
[0015]所述的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:傳感器外殼2由4個(gè)相同單元組成，每個(gè)構(gòu)成傳感器外殼2的單元沿著管道的軸向分布5個(gè)等距扇形臺(tái)階，兩側(cè)分布有凸塊和凹槽，將不同傳感器外殼2單元環(huán)向連接，形成一個(gè)環(huán)形分布于管道的傳感器。所述傳感器外殼2中單元個(gè)數(shù)及每個(gè)單元上分布的扇形臺(tái)階的個(gè)數(shù)都可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)管道直徑等情況作以調(diào)整；
[0016]所述的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:MPSA線圈3選擇銅漆包線，將線圈纏繞在傳感器外殼2單元上分布的扇形臺(tái)階，每個(gè)扇形臺(tái)階上繞制線圈呈扇形螺線管狀，適用于管道布置和陣列，漆包線每繞完一個(gè)扇形臺(tái)階改變一次纏繞方向，即讓相鄰兩個(gè)扇形螺線管狀線圈一個(gè)為順時(shí)針?lè)较蚶p繞，另一個(gè)為逆時(shí)針?lè)较蚶p繞；相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D等于設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)λ /2。
[0017]所述的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:鎳帶4長(zhǎng)度為管道外表面周長(zhǎng)，寬度為研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的寬度，鎳帶4的邊緣需要打磨變薄。所述的鎳帶4可更替為其他磁致伸縮系數(shù)較高的材料的薄帶。
[0018]本發(fā)明可以獲得如下有益效果:
[0019]本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0020]1、基于磁致伸縮效應(yīng)在板中激勵(lì)水平剪切波的傳感器結(jié)構(gòu)用于管道上，實(shí)現(xiàn)了在管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)；[0021]2、采用扇形的銣鐵硼磁鐵1，能更好的與管壁貼合；磁鐵I沿著扇形對(duì)稱軸兩側(cè)極化，能提供一個(gè)沿管壁分布均勻的環(huán)形靜磁場(chǎng)；
[0022]3、利用傳感器外殼2中分布的扇形臺(tái)階來(lái)纏繞線圈，使繞制MPSA線圈3排布更加整齊，呈扇形螺線管狀，沿管道周向產(chǎn)生均勻分布且強(qiáng)度較高的動(dòng)磁場(chǎng)，提高信號(hào)的能量和信噪比；
[0023]4、傳感器外殼2單元中分布的扇形臺(tái)階上纏繞的相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D等于設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)λ /2，改變傳感器外殼2中分布的扇形臺(tái)階間距來(lái)繞制不同尺寸的MPSA線圈3，可以設(shè)計(jì)出不同中心頻率的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器；
[0024]5、采用粘貼等其他方式將鐵磁性材料鎳帶4固定在管道表面，基于磁致伸縮效應(yīng)，可以在不同材料屬性的管道中激勵(lì)出Τ(0，I)模態(tài)；
[0025]6、所有傳感器外殼2單元上纏繞的MPSA線圈3采用并聯(lián)連接方式，提高了信號(hào)能量和信噪比。
[0026]7、鎳帶4的邊緣打磨變薄，使鎳帶4與管道接觸邊界有一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，可以減少導(dǎo)波在鎳帶內(nèi)部來(lái)回反射的可能，降低的磁致伸縮型傳感器接收信號(hào)中常見(jiàn)的拖尾現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器組裝示意圖；
[0028]圖2扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器分解示意圖；
[0029]圖3伽鐵砸磁鐵不意圖；
[0030]圖4傳感器外殼單元及其上纏繞的MPSA線圈示意圖；
[0031 ] 圖5MPSA線圈纏繞方式；
[0032]圖6 042x5x1000 (單位:mm)合金鋼管群速度頻散曲線；
[0033]圖7低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感檢測(cè)合金鋼管中缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；
[0034]圖8扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線；
[0035]圖9低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感在激勵(lì)頻率在310kHz時(shí)接收信號(hào)波形；
[0036]圖中:1、銣鐵硼磁鐵，2、傳感器外殼，3、MPSA線圈，4、鎳帶，5高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-5000，6、計(jì)算機(jī)，7、數(shù)字示波器，8、激勵(lì)端阻抗匹配模塊，9、前置放大模塊，10、接收端阻抗匹配模塊，11、扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器作為激勵(lì)傳感器，12、扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器作為接收傳感器，13、合金鋼管，14、位于合金鋼管外表面的沿周向槽狀缺陷，深度為1.5_。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，且以下實(shí)施例只是描述性的不是限定性的，不能以此來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0038]如圖1，圖2為扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器組裝及分解示意圖。以改進(jìn)后平面螺線管陣列MPSA線圈的磁致伸縮傳感器為陣列單元組成適用于管道檢測(cè)環(huán)形陣列傳感器，即扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，包括銣鐵硼磁鐵1，傳感器外殼2，MPSA線圈3，鎳帶4。檢測(cè)對(duì)象為合金鋼管，規(guī)格為042x5x1000 (單位:_)，材質(zhì)為12CrlMoV的合金鋼管，密度為7.85g/cm3，泊松比為0.27。圖6中給出了上述參數(shù)下，合金鋼管13中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散曲線。使用環(huán)氧樹(shù)脂膠將鎳帶4粘接合金鋼管13外表面一周，將4個(gè)銣鐵硼磁鐵I置于鎳帶4上，且環(huán)向均勻布置合金鋼管13外表面一周，傳感器外殼2由4個(gè)相同單元組成，不同的傳感器外殼2的組成單元的邊緣設(shè)置凸塊或凹槽，所述的凸塊或凹槽互相拼接進(jìn)行裝配，環(huán)向均勻布置于合金鋼管13—周，將線圈纏繞在傳感器外殼2單元上分布的扇形臺(tái)階上，繞制成MPSA線圈3，銣鐵硼磁鐵I和MPSA線圈3沿管道周向依次分布。將所有傳感器外殼2單元上纏繞的MPSA線圈3并聯(lián)，保證不同的傳感器外殼2單元上纏繞的MPSA線圈3中的電流，在同一時(shí)刻方向一致?；诖胖律炜s效應(yīng)，緊貼管道外表面布置的鎳帶4產(chǎn)生方向一致的剪切變形，并將這種剪切運(yùn)動(dòng)傳遞給管道，在管道中有效的激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)。
[0039]所述的銣鐵硼磁鐵I如圖3所示，形貌為扇形，沿扇形對(duì)稱軸兩側(cè)極化；扇形的內(nèi)弧半徑A與檢測(cè)合金鋼管13外半徑相同即為21_，扇形張角Θ為16°，沿扇形徑向長(zhǎng)度h為IOmm,銣鐵硼磁鐵I的厚度I為26mm。銣鐵硼磁鐵I位置分布如圖1和圖2所示,環(huán)向均勻布置合金鋼管13外表面一周，在其表面附近產(chǎn)生環(huán)向分布靜磁場(chǎng)，相鄰的兩個(gè)銣鐵硼磁鐵I距離最近的側(cè)表面磁極相反，使磁場(chǎng)線沿環(huán)形方向一致(順時(shí)針或逆時(shí)針)傳遞。 [0040]所述的傳感器外殼2單元如圖4所示，布置5個(gè)等距扇形臺(tái)階，兩側(cè)分布有凸塊和凹槽，將不同傳感器外殼2單元環(huán)向連接，形成一個(gè)環(huán)形分布于管道的傳感器。
[0041]所述的MPSA線圈3纏繞方式如圖4、5所示，線圈選用直徑為0.3mm的銅漆包線，將漆包線纏繞在傳感器外殼2單元上分布的扇形臺(tái)階，每個(gè)扇形臺(tái)階上繞制線圈呈扇形螺線管狀，適用于管道布置和陣列，漆包線每繞完一個(gè)扇形臺(tái)階改變一次纏繞方向，即讓相鄰兩個(gè)扇形螺線管狀線圈一個(gè)為順時(shí)針?lè)较蚶p繞，另一個(gè)為逆時(shí)針?lè)较蚶p繞；相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈之間間隙為d，相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D，保證d/D ^ 0，則相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D等于設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)λ /2，該傳感器外殼2單元中分布的扇形臺(tái)階上纏繞的相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D =
5.3mm，對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的理論中心頻率f。為309kHz。
[0042]所述的鎳帶4如圖2所示，沿檢測(cè)對(duì)象合金鋼管13粘接一圈，長(zhǎng)度為合金鋼管13外表面周長(zhǎng)I = π X42~132_，寬度為研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的寬度26mm，厚度為0.1mm，并將鎳帶的邊緣進(jìn)行打磨變薄。
[0043]利用參數(shù)確定后的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，(檢測(cè)其它規(guī)格、材料管道，可根據(jù)此實(shí)例對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整)。提供了一種使用低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)τ(0，I)模態(tài)無(wú)損檢測(cè)合金鋼管缺陷的方法:
[0044]圖7低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感檢測(cè)合金鋼管中缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，包括高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-50005，計(jì)算機(jī)6、數(shù)字示波器7、激勵(lì)端阻抗匹配模塊8、前置放大模塊9、接收端阻抗匹配模塊10、激勵(lì)傳感器11、接收傳感器12、檢測(cè)對(duì)象合金鋼管13。計(jì)算機(jī)6用來(lái)控制RAM-50005的運(yùn)行，產(chǎn)生高能超聲信號(hào)；數(shù)字示波器6用于信號(hào)的觀測(cè)和存儲(chǔ)，同時(shí)配置前置放大模塊9，實(shí)現(xiàn)傳感器接收信號(hào)的放大；為了使傳感器線圈從激勵(lì)電源獲取最大能量，增強(qiáng)傳感器換能效率，在激勵(lì)傳感器和接收傳感器前添加了阻抗匹配模塊8和10。激勵(lì)傳感器11和接收傳感器12都為扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，激勵(lì)傳感器11置于距離檢測(cè)對(duì)象合金鋼管13左端385mm，接收傳感器12位于激勵(lì)傳感器11右側(cè)，兩者之間距離s為205mm，人工模擬周向槽狀缺陷14位于距離管道左端210m處，深度為1.5mm。[0045]利用RAM-50005產(chǎn)生高能量信號(hào)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器11，在帶有缺陷的合金鋼管13中激勵(lì)出低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0，I)，根據(jù)波傳播的路程，可以預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器12依次接收到激勵(lì)傳感器直達(dá)波，缺陷反射回波，左端面的反射回波。
[0046]首先根據(jù)上述參數(shù)所確定的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器能有效產(chǎn)生低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0，I)。激勵(lì)信號(hào)為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波，圖9為激勵(lì)頻率在310kHz時(shí)接收信號(hào)波形，可以分辨4個(gè)回波波包，第I個(gè)波包為傳感器激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生串?dāng)_信號(hào)，與激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間幾乎一致;第2個(gè)波包為接收傳感器接收到的直達(dá)波信號(hào)；激勵(lì)和接收傳感器相距205mm，利用時(shí)間飛行法(Time ofFlight, ToF),計(jì)算第2個(gè)波包的實(shí)際傳播速度或群速度vg= s/t = 3227.8m/s。由使用商用Disperse軟件得到頻散曲線圖6可知，T(0，I)模態(tài)在合金鋼管13中理論相速度3276.0m/s，由于低階的扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0，I)沒(méi)有頻散，理論群速度和相速度相同，都為3276.0m/s，與通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得到實(shí)際傳播速度Vg相比，相對(duì)誤差為1.5%，可以確定設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器可以產(chǎn)生低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0，I)。
[0047]接著，根據(jù)上述參數(shù)所確定的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器中心頻率。激勵(lì)信號(hào)依然為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波，將激勵(lì)頻率以步長(zhǎng)IOkHz從220kHz增加到400kHz，提取各個(gè)頻率接收信號(hào)中直達(dá)波峰值，得出扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線如圖8所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別用圓圈表示，通過(guò)曲線擬合，可以看出扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的實(shí)際中心頻率為310kHz,與上述參數(shù)所確定的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率f。為309kHz基本吻合，相差0.3%。
[0048]最后，根據(jù)上述參數(shù)所確定的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器能有效檢測(cè)合金鋼管13中存在的缺陷。通過(guò)分析圖9為激勵(lì)頻率在310kHz時(shí)接收信號(hào)中直達(dá)波包以外第3個(gè)和第4個(gè)波包，利用第2個(gè)直達(dá)波包計(jì)算出的合金鋼管13中T (0，I)模態(tài)的實(shí)際傳播速度Vg (3227.8m/s)，來(lái)反推第3和第4個(gè)波包的傳播的路程分別為550.4mm和973.5mm。與實(shí)際缺陷回波的傳播路程545mm和左端面回波的傳播路程975mm相比，相對(duì)誤差分別為0.99%和0.15%，可以確定第3個(gè)波包為缺陷回波，第4個(gè)波包為左端面的反射回波，與之前預(yù)測(cè)接收扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器依次接收到激勵(lì)傳感器接收信號(hào)相吻合。
[0049]總之，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器可以有效激勵(lì)出低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)τ(0，I)，其中心頻率與傳感器外殼2單元中分布的扇形臺(tái)階間距上纏繞的相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D有一定定量關(guān)系，該傳感器利用環(huán)向均勻分布的扇形的銣鐵硼磁鐵I提供一個(gè)偏置靜磁場(chǎng)，采用通入交變電流的MPSA線圈3能夠產(chǎn)生動(dòng)磁場(chǎng)，基于磁致伸縮效應(yīng)，在合金鋼管中有效激勵(lì)出低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0，I)，快速有效對(duì)合金鋼管中缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且定位精度較高，為進(jìn)一步利用該傳感器并結(jié)合相控陣原理，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷二維成像奠定了基礎(chǔ)。
【權(quán)利要求】
1.一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，采用改進(jìn)后平面螺線管陣列(ModifiedPlanarSolenoid Array, MPSA)線圈的磁致伸縮傳感器為陣列單元,其包括銣鐵硼磁鐵(I)，傳感器外殼(2)，MPSA線圈(3)，鎳帶(4);鎳帶(4)粘接或固定于檢測(cè)管道外表面一周，銣鐵硼磁鐵(I)置于鎳帶(4)上且環(huán)向均勻布置管道外表面一周，傳感器外殼(2)由多個(gè)相同單元組成，不同的傳感器外殼(2)的組成單元的邊緣設(shè)置凸塊或凹槽，所述的凸塊或凹槽互相拼接進(jìn)行裝配，環(huán)向均勻布置于管道一周；將線圈纏繞在傳感器外殼(2)單元上分布的扇形臺(tái)階上，繞制成MPSA線圈(3)，銣鐵硼磁鐵(I)和MPSA線圈(3)沿管道周向依次分布；將所有傳感器外殼(2)單元上纏繞的MPSA線圈(3)并聯(lián)，保證不同傳感器外殼(2)單元上纏繞的MPSA線圈(3)中的電流，在同一時(shí)刻方向一致，基于磁致伸縮效應(yīng)，緊貼管道外表面布置的鎳帶(4)產(chǎn)生方向一致的剪切變形，并將這種剪切運(yùn)動(dòng)傳遞給管道，有效在管道中激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:銣鐵硼磁鐵(1)形貌為扇形，沿兩側(cè)極化，環(huán)向均勻布置管道一周，在管道表面附近產(chǎn)生環(huán)向分布靜磁場(chǎng)，相鄰的兩個(gè)銣鐵硼磁鐵(I)距離最近的側(cè)表面磁極相反，使磁場(chǎng)線沿環(huán)形方向一致即順時(shí)針或逆時(shí)針傳遞。
3.如權(quán)利要求1所述的一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:傳感器外殼(2)由4個(gè)相同單元組成，每個(gè)構(gòu)成傳感器外殼(2)的單元沿著管道的軸向分布5個(gè)等距扇形臺(tái)階，兩側(cè)分布有凸塊和凹槽，將不同傳感器外殼(2)單元環(huán)向連接，形成一個(gè)環(huán)形分布于管道的傳感器。所述傳感器外殼(2)中單元個(gè)數(shù)及每個(gè)單元上分布的扇形臺(tái)階的個(gè)數(shù)都根據(jù)實(shí)際檢測(cè)管道直徑調(diào)整。
4.如權(quán)利要求1所述的一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:MPSA線圈(3)選擇銅漆包線，將線圈纏繞在傳感器外殼(2)單元上分布的扇形臺(tái)階，每個(gè)扇形臺(tái)階上繞制線圈呈扇形螺線管狀，適用于管道布置和陣列，漆包線每繞完一個(gè)扇形臺(tái)階改變一次纏繞方向，即讓相鄰兩個(gè)扇形螺線管狀線圈一個(gè)為順時(shí)針?lè)较蚶p繞，另一個(gè)為逆時(shí)針?lè)较蚶p繞；相鄰兩個(gè)扇形螺線管線圈間距D等于設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)λ/2。
5.如權(quán)利要求1所述的一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于:鎳帶(4)長(zhǎng)度為管道外表面周長(zhǎng)，寬度為研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的寬度，鎳帶(4)的邊緣需要打磨變??；所述的鎳帶(4)可更替為其他磁致伸縮系數(shù)較高的材料的薄帶。
【文檔編號(hào)】G01N29/07GK104007180SQ201410213487
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】劉增華, 樊軍偉, 胡亞男, 張禎, 何存富, 吳斌 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)