基于磁致伸縮效應的導波傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁致伸縮效應的導波傳感器，可用于對構(gòu)件進行無損檢測，包括外殼(6)，波導管(8)，永久磁鐵(4)，永久磁鐵同軸容置在所述外殼(6)內(nèi)，且與中空筒狀的波導管(8)一端同軸貼合，還包括內(nèi)管(5)以及內(nèi)管壓塊(3)，位于內(nèi)管(5)和外殼(6)之間的波導管(8)上具有相隔距離的激勵線圈和接收線圈，對激勵線圈通入交流電后，激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場與永久磁鐵形成的偏置磁場共同作用使波導管(8)激發(fā)出超聲導波，將所述超聲導波傳入被檢測構(gòu)件(16)以對被檢測構(gòu)件進行無損檢測。本發(fā)明中通過波導管產(chǎn)生的超聲導波進行檢測，既可用于鐵磁性材料也可用于非鐵磁材料的檢測。
【專利說明】基于磁致伸縮效應的導波傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于磁致伸縮效應的導波傳感 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 相對于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)，超聲導波具有傳播距離遠，檢測速度快的特點，該 技術(shù)在大型構(gòu)件，如在役管道和復合材料的無損檢測中應用廣泛?；诖胖律炜s效應的導 波無損檢測技術(shù)的檢測原理為：鐵磁性構(gòu)件在外磁場中被磁化時，其外型尺寸會發(fā)生變化， 即產(chǎn)生磁致伸縮應變，從而在構(gòu)件內(nèi)激發(fā)應力波，這種應力波實際上是結(jié)構(gòu)導波，也是一種 彈性波。反過來，當構(gòu)件中存在缺陷時其聲阻將發(fā)生變化，從而引起導波的反射、透射等， 進而導致構(gòu)件內(nèi)磁感應強度發(fā)生變化，而變化的磁感應強度必定引起接收線圈中的電壓變 化，通過測量電壓信號即可檢測出構(gòu)件中是否存在腐蝕、裂紋等缺陷。
[0003] 目前，在磁致伸縮導波檢測中，為在被測構(gòu)件中激勵出導波，一方面采用適當 的磁路設(shè)計，以在被測構(gòu)件中形成靜態(tài)的軸向偏置磁場，另一方面同時利用纏繞在構(gòu) 件上的線圈產(chǎn)生交變磁場，進而利用磁致伸縮效應在構(gòu)件中激勵出導波，如授權(quán)號為 200710119319. 6中國專利公開的一種鋼絞線超聲導波檢測的磁致伸縮傳感器，在與鋼絞線 軸向平行的方向上安裝有永磁鐵和纏繞在鋼絞線上的線圈，分別用于形成偏置磁場和交變 磁場，利用磁致伸縮效應激勵出導波檢測鋼絞線中的缺陷。上述傳感器存在結(jié)構(gòu)復雜，體積 龐大的缺點，同時由于多磁路結(jié)構(gòu)，磁場的均勻性差，容易產(chǎn)生噪聲，并且上述傳感器僅能 用于檢測可被磁化的鐵磁性構(gòu)件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于磁致伸縮效應的導 波傳感器，其目的在于利用磁致伸縮效應首先在波導管中產(chǎn)生超聲導波，然后將其傳入被 測構(gòu)件進行無損檢測，由此彌補了傳統(tǒng)磁致伸縮導波不能對非鐵磁性構(gòu)件檢測的不足，同 時解決了換熱管等端部外露構(gòu)件難檢測的技術(shù)問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁致伸縮效應的導波傳感器，可用于對 構(gòu)件進行無損檢測，包括
[0006] 外殼，該外殼呈中空筒狀；
[0007] 波導管，該波導管呈中空筒狀，其一端置于所述外殼的中空腔內(nèi)并與所述外殼相 固定，所述波導管另一端伸出所述外殼；
[0008] 永久磁鐵，其呈中空筒狀，同軸容置在所述外殼內(nèi)，且與中空筒狀的波導管一端同 軸貼合；
[0009] 內(nèi)管，其為中心具有通孔的管狀，所述內(nèi)管的一段穿過所述永久磁鐵的中空腔部 且端部伸出所述永久磁鐵外，其另一段穿入所述波導管的中空腔部，其與所述永久磁鐵的 中空腔部的內(nèi)壁相接觸，以支撐所述永久磁鐵，防止其沿垂直于自身中心軸線的方向移 動；
[0010] 內(nèi)管壓塊，該內(nèi)管壓塊為開有通孔的圓環(huán)狀，其同軸套裝在所述內(nèi)管伸出永久磁 鐵外的端部上，且與所述永久磁鐵的端面緊密貼合，并與所述外殼相固定，可防止所述永 久磁鐵沿軸向移動；
[0011] 位于內(nèi)管和外殼之間的波導管上繞有激勵線圈和接收線圈，激勵線圈包括內(nèi)激勵 線圈和外激勵線圈，接受線圈包括內(nèi)接受線圈和外接受線圈，內(nèi)激勵線圈和內(nèi)接收線圈的 引線通過開設(shè)在所述內(nèi)管壁上的壁孔進入所述內(nèi)管中心通孔后引出，外激勵線圈和外接收 線圈的引線通過開設(shè)在外殼內(nèi)壁上的走線槽引出，對激勵線圈通入交流電后，所述激勵線 圈產(chǎn)生交變磁場，所述交變磁場與所述永久磁鐵形成的偏置磁場共同作用使所述波導管產(chǎn) 生磁致伸縮應變從而激發(fā)出超聲導波，將其傳入被檢測構(gòu)件以對被檢測構(gòu)件進行無損檢 測，帶有構(gòu)件信息的超聲導波反射回來使所述波導管內(nèi)磁感應強度變化，從而使所述波導 管上的接收線圈內(nèi)產(chǎn)生帶有檢測信息的電信號，根據(jù)所述電信號可獲得無損檢測結(jié)果。
[0012] 進一步的，所述激勵線圈包括纏繞在所述波導管外壁的外激勵線圈和纏繞在所述 內(nèi)管外壁上的內(nèi)激勵線圈，所述內(nèi)管外壁與所述波導管內(nèi)壁之間相距僅能容置所述內(nèi)激勵 線圈的距離，以使纏繞在所述內(nèi)管外壁的內(nèi)激勵線圈貼合在所述波導管內(nèi)壁。
[0013] 進一步的，所述接收線圈包括纏繞在所述波導管外壁的外接收線圈和纏繞在所述 內(nèi)管外壁上的內(nèi)接收線圈，所述內(nèi)管外壁與所述波導管內(nèi)壁之間相距僅能容置所述內(nèi)接收 線圈的距離，以使纏繞在所述內(nèi)管外壁的內(nèi)接收線圈貼合在所述波導管內(nèi)壁。
[0014] 進一步的，所述內(nèi)激勵線圈與外激勵線圈相串聯(lián)，所述內(nèi)接收線圈和外接收線圈 相串聯(lián)。
[0015] 進一步的，所述外殼遠離波導管的端部固定有外端蓋，所述外端蓋上安裝有激勵 線圈插座和接收線圈插座，分別與激勵線圈和接收線圈相連，以分別給所述激勵線圈通入 交流電和將接收線圈上的帶有檢測信息的電信號引出。
[0016] 進一步的，所述永久磁鐵的極化方向與波導管軸線方向平行。
[0017] 進一步的，所述波導管材料為純鐵或碳鋼。
[0018] 進一步的，所述外殼和內(nèi)管材料均為塑料。
[0019] 進一步的，所述外殼和內(nèi)管材料均為尼龍或/和聚四氟乙烯。
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果。
[0021] 1.本發(fā)明利用永久磁鐵的軸向磁場作為偏置磁場，波導管位于永久磁鐵端部，由 于永久磁鐵的軸向磁場均勻且方向一致，因而導波管中產(chǎn)生的導波模態(tài)單一純凈。
[0022] 2.本發(fā)明中波導管內(nèi)外表面均布置有激勵線圈，使波導管的趨膚層具有內(nèi)外兩 層，其趨膚層厚度增大，在偏置磁場的作用下，產(chǎn)生超聲波的能量也隨之增大，使檢測效率 和精確度提高。
[0023] 3.本發(fā)明中通過波導管產(chǎn)生的超聲導波進行檢測，由于超聲導波是一種聲波，該 聲波不僅可以在傳統(tǒng)的鐵磁性材料中傳播還可以在非鐵磁材料中傳播，因此可以用于非鐵 磁性構(gòu)件的檢測。
[0024] 4.當使用本發(fā)明中導波傳感器檢測鐵磁性構(gòu)件時，由于波導管處于偏置磁場內(nèi)， 具有磁性，可與鐵磁性構(gòu)件相互吸引，無須預緊力即可保證被檢測構(gòu)件與導波傳感器緊密 貼合，方便檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實施例的基于磁致伸縮效應的導波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為使用本發(fā)明實施例導波傳感器檢測被測構(gòu)件的系統(tǒng)示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明實施例使用的低碳鋼鋼管的缺陷分布示意圖；
[0028] 圖4為使用本發(fā)明實施例的導波傳感器檢測圖3中鋼管得到的信號波形圖；
[0029] 圖5為使用本發(fā)明實施例的導波傳感器檢測無缺陷非鐵磁性不銹鋼鋼管得到的 信號波形圖。
[0030] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
[0031] 1-激勵線圈插座 2-外端蓋 3-內(nèi)管壓塊
[0032] 4-永久磁鐵 5-內(nèi)管 6-外殼
[0033] 7-端蓋 8-波導管 9-內(nèi)接收線圈
[0034] 10-外接收線圈 11-內(nèi)激勵線圈12-外激勵線圈
[0035] 13-接收線圈插座14-導波傳感器15-耦合劑
[0036] 16-被檢測構(gòu)件 17-計算機 18-信號發(fā)生器
[0037] 19-A/D轉(zhuǎn)換器 20-功率放大器 21_信號預處理器

【具體實施方式】
[0038] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施例中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此 之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0039] 圖1為本發(fā)明實施例的基于磁致伸縮效應的導波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所 示，外殼6呈中空筒狀，波導管8也呈中空筒狀，波導管8 -端置于外殼6的中空腔內(nèi)，另一 端伸出外殼6。永久磁鐵4也呈中空筒狀，同軸放置在外殼6內(nèi)，且與中空筒狀的波導管8 一端同軸貼合，永久磁鐵4的極化方向與波導管8軸線方向平行。波導管8材料為低碳鋼， 但本發(fā)明中對其材料不進行具體限定。內(nèi)管5為中心具有通孔的管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)管5的一段 穿過永久磁鐵4的中空腔部且端部伸出永久磁鐵4外，另一段穿入所述波導管8的中空腔 部，并與波導管8相固定。內(nèi)管壓塊3為開有通孔的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其通過螺紋旋緊在內(nèi)管5 伸出永久磁鐵4外的左邊端部上并與永久磁鐵4的端面緊密貼合，還通過螺釘與外殼6相 固定，可防止永久磁鐵4沿軸向方向移動。內(nèi)管5右端與端蓋7通過螺紋連接，并通過螺釘 把外殼6、波導管8和端蓋7連接起來。本實施例中外殼6和內(nèi)管5材料均為尼龍，但本發(fā) 明不對其材料進行具體限定。
[0040] 位于內(nèi)管5和外殼6之間的波導管8上繞有激勵線圈和接收線圈，激勵線圈包括 纏繞在波導管8外壁的外激勵線圈12和纏繞在內(nèi)管5外壁上的內(nèi)激勵線圈11，接收線圈包 括纏繞在波導管8外壁的外接收線圈10和纏繞在內(nèi)管5外壁上的內(nèi)接收線圈9。內(nèi)激勵線 圈11與外激勵線圈12相串聯(lián)，內(nèi)接收線圈9和外接收線圈10相串聯(lián)。內(nèi)管5外壁與所述 波導管8內(nèi)壁之間的間距略大于線圈厚度，使纏繞在內(nèi)管外壁的內(nèi)接收線圈9和內(nèi)激勵線 圈11貼合在波導管內(nèi)壁，接收線圈和激勵線圈相隔一定距離，兩者無重合。內(nèi)激勵線圈11 和內(nèi)接收線圈9的引線通過開設(shè)在內(nèi)管5壁上的壁孔進入內(nèi)管中心通孔后引出，外激勵線 圈12和外接收線圈10的引線通過開設(shè)在外殼6內(nèi)壁上的走線槽引出。外殼6遠離波導管 的端部固定有外端蓋2,外端蓋2與外殼6通過螺釘固定起來。外端蓋2上安裝有激勵線圈 插座1和接收線圈插座13,分別與激勵線圈和接收線圈相連。
[0041] 通過激勵線圈插座1對激勵線圈通入交流電后，激勵線圈產(chǎn)生交變磁場,該交變 磁場與永久磁鐵形成的偏置磁場共同作用使波導管8產(chǎn)生磁致伸縮應變從而激發(fā)出超聲 導波，將超聲導波通過耦合劑15傳入被檢測構(gòu)件16進行無損檢測，帶有構(gòu)件信息的超聲導 波反射回來致使波導管內(nèi)磁感應強度變化，從而使波導管上的接收線圈內(nèi)產(chǎn)生帶有檢測信 息的電信號，根據(jù)該電信號可獲得無損檢測結(jié)果。
[0042] 圖2為使用本發(fā)明實施例導波傳感器檢測被測構(gòu)件的系統(tǒng)示意圖，如圖2所示，在 對被檢測構(gòu)件16的檢測過程中，磁致伸縮導波傳感器14與被檢測構(gòu)件16通過耦合劑15 連接在一起。計算機17控制信號發(fā)生器18產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)功率放大器20放大后輸給由 外激勵線圈12與內(nèi)激勵線圈11串聯(lián)組成的激勵線圈，利用磁致伸縮效應在波導管中產(chǎn)生 縱向模態(tài)的導波。外接收線圈10與內(nèi)接收線圈9串聯(lián)組成的接收線圈實現(xiàn)導波信號的接 收，該信號通過信號預處理器21放大和濾波后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器19轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送回計算機 17進行顯示、存儲和后期處理。
[0043] 圖3為本發(fā)明實施例使用的低碳鋼鋼管的缺陷分布示意圖，該鋼管為一個外徑 25mm，內(nèi)徑20mm的鐵磁性鋼管，其缺陷分布如圖3所示，管長為2. 8m，在距離左端部1. 4m 的位置有一個橫槽缺陷，距離左端部2m的位置有一個通孔缺陷。橫槽長12. 5mm，寬1mm，深 0. 5mm，等效截面積損失為3. 7%。通孔直徑為5mm，其等效截面積損失為7. 5%。
[0044] 圖4為使用本發(fā)明的磁致伸縮導波傳感器對圖3的鋼管進行無損檢測得到的波形 圖。圖5為使用本發(fā)明的磁致伸縮導波傳感器對外徑25mm，內(nèi)徑20mm，長2. 8m的無缺陷非 鐵磁性不銹鋼鋼管進行長度檢測得到的波形圖。在上述附圖中，Μ表示激勵線圈和接收線 圈直接耦合產(chǎn)生的電磁脈沖信號，S1表示橫槽缺陷反射的第一個回波信號，S2表示通孔缺 陷反射的第一個回波信號，D表示鋼管端部反射的第一個回波信號。從圖4中可以看出，本 發(fā)明的磁致伸縮導波傳感器可以檢測出鐵磁性鋼管構(gòu)件的橫槽和通孔缺陷，從圖5中可以 看出，利用本發(fā)明的傳感器，可以將磁致伸縮應用到非鐵磁材料的無損檢測中。
[0045] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 基于磁致伸縮效應的導波傳感器，可用于對構(gòu)件進行無損檢測，其特征在于，包括 外殼（6)，該外殼呈中空筒狀； 波導管（8)，該波導管呈中空筒狀，其一端置于所述外殼（6)的中空腔內(nèi)并與所述外殼 相固定，所述波導管另一端伸出所述外殼； 永久磁鐵（4)，其呈中空筒狀，同軸容置在所述外殼￠)內(nèi)，且與中空筒狀的波導管（8) 一端同軸貼合； 內(nèi)管（5)，其為中心具有通孔的管狀，所述內(nèi)管的一段穿過所述永久磁鐵（4)的中空腔 部且端部伸出所述永久磁鐵外，其另一段穿入所述波導管（8)的中空腔部，其與所述永久 磁鐵的中空腔部的內(nèi)壁相接觸，以支撐所述永久磁鐵，防止其沿垂直于自身中心軸線的方 向移動； 內(nèi)管壓塊（3)，該內(nèi)管壓塊為開有通孔的圓環(huán)狀，其同軸套裝在所述內(nèi)管（5)伸出永久 磁鐵（4)外的端部上，且與所述永久磁鐵的端面緊密貼合，并與所述外殼（6)相固定，可防 止所述永久磁鐵沿軸向移動； 位于內(nèi)管（5)和外殼（6)之間的波導管上具有相隔距離的激勵線圈和接收線圈，對 激勵線圈通入交流電后，所述激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，所述交變磁場與所述永久磁鐵形成 的偏置磁場共同作用使所述波導管（8)產(chǎn)生磁致伸縮應變從而激發(fā)出超聲導波，將其傳入 被檢測構(gòu)件（16)以對被檢測構(gòu)件進行無損檢測，帶有構(gòu)件信息的超聲導波反射回來使所 述波導管內(nèi)磁感應強度變化，從而使所述波導管上的接收線圈內(nèi)產(chǎn)生帶有檢測信息的電信 號，根據(jù)所述電信號可獲得無損檢測結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所述激勵線圈 包括纏繞在所述波導管（8)外壁的外激勵線圈（12)和纏繞在所述內(nèi)管（5)外壁上的內(nèi)激 勵線圈（11)，所述內(nèi)管外壁與所述波導管內(nèi)壁之間相距僅能容置所述內(nèi)激勵線圈（11)的 距離，以使纏繞在所述內(nèi)管外壁的內(nèi)激勵線圈貼合在所述波導管內(nèi)壁。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所述接收線 圈包括纏繞在所述波導管（8)外壁的外接收線圈（10)和纏繞在所述內(nèi)管（5)外壁上的內(nèi) 接收線圈（9)，所述內(nèi)管外壁與所述波導管內(nèi)壁之間相距僅能容置所述內(nèi)接收線圈（9)的 距離，以使纏繞在所述內(nèi)管外壁的內(nèi)接收線圈（9)貼合在所述波導管內(nèi)壁。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所述內(nèi)激勵線 圈（11)與外激勵線圈（12)相串聯(lián)；所述內(nèi)接收線圈（9)和外接收線圈（10)相串聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所述內(nèi)激勵 線圈（11)和內(nèi)接收線圈（9)的引線通過開設(shè)在所述內(nèi)管（5)壁上的壁孔進入所述內(nèi)管中 心通孔后引出，所述外激勵線圈（12)和外接收線圈（10)的引線通過開設(shè)在外殼（6)內(nèi)壁 上的走線槽引出。
6. 如權(quán)利要求1-5之一所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所述外 殼（6)遠離波導管（8)的端部固定有外端蓋（2)，所述外端蓋上安裝有激勵線圈插座（1)和 接收線圈插座（13)，分別與激勵線圈和接收線圈相連，以分別給所述激勵線圈通入交流電 和將接收線圈上的帶有檢測信息的電信號引出。
7. 如根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所 述永久磁鐵（4)的極化方向與波導管（8)軸線方向平行。
8. 如根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所 述波導管（8)材料為純鐵或碳鋼。
9. 如根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所 述外殼（6)和內(nèi)管（5)材料均為塑料。
10. 如根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的基于磁致伸縮效應的導波傳感器，其特征在于，所 述外殼（6)和內(nèi)管（5)材料均為尼龍或聚四氟乙烯。
【文檔編號】G01N29/04GK104122327SQ201410349737
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】武新軍, 丁秀莉, 孫鵬飛 申請人:華中科技大學