基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法

  

  1.一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征是，包括：导磁结构、螺旋管

  线圈或放置式线圈、瓦片形永磁体、以及用于固定所述瓦片形永磁体和排线并克服永磁体

  之间的斥力的外壳，所述外壳包括可拆卸连接的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体内

  2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征是，所述上

  3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征是，所述上

  4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征是，所述上

  5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征

  在于，当被测管道中可安装全封闭式传感器时，将所述上壳体和所述下壳体连接，通过四片

  瓦片形永磁体增强管道中的静态磁场强度以增强导波幅值；当被测管道中不适合安装封闭

  式传感器时，则通过在所述上壳体或下壳体内安装两片瓦片形永磁体，实现扭转波的激励

  6.一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测的新方法，其特征是，所描述的方法包括以下步骤：

  S10，根据被测管道情况安装对应的磁致伸缩扭转波传感器，记录激励传感器的位置L

  S20，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，通过功率放大加载到扭转波激励传感器

  上，通过磁致伸缩效应及洛伦磁力效应，激励传感器将电信号转化为机械信号的导波，使得

  S30，在检测传感器获得导波信号时，根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波传播

  7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测的新方法，其特征是，所述根据

  导波波速和导波飞行时间计算得到导波传播距离，再通过检验测试传感器的位置，获得管道缺

  8.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测的新方法，其特征是，所述脉冲

  注。为了在管道中产生扭转波，需要出示周向的静态励磁和轴向的动态励磁，但是管道周向

  上为封闭式结构，因此，难以在周向上实现均匀一致的励磁状态。目前关于扭转波多聚焦于

  带磁致伸缩片传感器的研究。通过在管道表面使用高磁致伸缩系数的材料能够增加磁致伸

  缩激励效率，但是失去了磁致伸缩导波传感器非接触的特性。磁致伸缩片一定要通过耦合剂

  黏贴在管道表面，因此就需要在检测前移除管道的包覆层，防腐漆等材料，还需要对管道表面

  进行打磨处理，以重复使用传感器，每次传感器黏贴状态难以保持一致，因此增加了传感器

  成本，使得检测信号复杂化。对于非接触式扭转模态导波传感器的研究大多分布在在使用周

  最早是Kwun利用预先磁化的磁致伸缩片来提供周向静态磁场，然后利用螺线管线

  圈提供轴向动态磁场，以此来产生扭转波进行管道检测。Kim及其团队在磁致伸缩扭转波检

  测中做了大量的研究工作。采用一系列倾斜45°的磁致伸缩片和螺线管线圈来产生扭转波。

  为了进一步提升扭转波激励效率，采用了V型和Z型磁致伸缩片，这两种磁致伸缩片仅中间

  45°倾斜的部分黏贴在管道上，其余部分仅做导磁作用。通过比对Kim和Kwun团队设计的扭

  转波实验装置，利用磁带作为磁致伸缩材料黏贴在管道上实现磁致伸缩扭转波检测，使得

  扭转波状态监测装置更便携，有利于实现长期结构健康监测。当采用折线形导线和磁致伸

  缩片进行激励时，控制导线之间的间距实现导波模态控制，结合兆赫兹的扭转波提高缺陷

  检测的分辨率，通过该传感器还能实现周向缺陷的检测。为了更好的提高管道检测缺陷能力，利用

  列，通过优化磁极个数、间距以及排布方式来提高的缺陷导波幅值，增强导波检测管道周向

  量化分析，决定检测性能的好坏。导波检测缺陷多采用反射波幅值映射缺陷大小，通过研究

  管道缺陷参数对导波反射系数的关系，以判断试件的状态，还能够最终靠导波幅值和频散曲

  线的变化判断试件的状态。通过对缺陷形状、深度、宽度与扭转波幅值的关系进行了深入研

  究，以便于对缺陷进行分类与识别。由于轴向缺陷的截面损失较小，因此采用传统的轴向和

  周向导波难以实现轴向缺陷检验测试，因此采用平面式八字形线圈传感器在管道中产生螺旋传

  播的扭转波，通过一系列分析接收的导波信号与无缺陷导波信号的差别能够判别出管道中是否存

  在轴向缺陷。由于轴向缺陷所占截面比率较小，使得其检测较为困难。通过研究之后发现，当轴

  向缺陷深度超过管厚度的70％时，在扭转波检测下能够有较好的回波信号，但检测信号包

  含尾随信号，利用尾随信号的特点能区分腐蚀和周向缺陷。通过压缩感知方法能够减小导

  波的采样率和数据量，实现长时间监测管道缺陷，还能够减小导波中的噪声信号。采用

  Gabor小波对导波信号做多元化的分析和信息提取，能发现裂纹反射信号幅值与裂纹深度成正

  当被测导磁材料被施加静态磁场时，磁致伸缩应变ε与磁场强度H间的关系如附图

  1所示，由附图1可知，当不施加静态磁场或者静态磁场过小时，磁致伸缩应变ε频率为动态

  磁场频率的二倍，其强度与动态H成正比，正弦波形有一定的畸变。当静态磁场处于中等强

  度时，ε频率与动态H频率一致，同时ε大小与H成正比，并根据附图1中对应曲线的斜率进行

  放大，且ε为标准的正弦波形。当静态磁场处于饱和时，H的频率与ε的频率相等，但是相位反

  相，正弦波形有一定的畸变。综上可知，在利用磁致伸缩导波进行仔细的检测时，其静态磁场应处

  于中等强度，使得动态磁场能够产生较大的磁致伸缩应变ε，增强导波激励效率。

  旨在实现在非接触的情况下实现扭转波检测管道缺陷，利用不一样的传感器组合实现扭转波

  括：导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈、瓦片形永磁体、以及用于固定所述瓦片形永磁体

  和排线并克服永磁体之间的斥力的外壳，所述外壳包括可拆卸连接的上壳体和下壳体，所

  述上壳体和下壳体内分别安装所述导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈以及两片瓦片形永

  磁体。当被测管道可安装全封闭式传感器时，将上壳体和下壳体连接，通过四片永磁体增强

  管道中的静态磁场强度来增强导波幅值；当被测管道中不适合安装全封闭式传感器时，则

  在上壳体或下壳体内放置两片永磁体，利用该传感器同样能实现扭转波的激励和检测。

  壳体和所述下壳体连接，通过四片瓦片形永磁体增强管道中的静态磁场强度以增强导波幅

  值；当被测管道中不适合安装封闭式传感器时，则通过在所述上壳体或下壳体内安装两片

  S10，根据被测管道情况安装对应的磁致伸缩扭转波传感器，记录激励传感器的位

  S20，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，通过功率放大加载到扭转波激励传感

  器上，通过磁致伸缩效应及洛伦磁力效应，激励传感器将电信号转化为机械信号的导波，使

  S30，在检测传感器获得导波信号时，根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波

  本发明进一步地技术方案是，所述脉冲正弦信号为20kHz的2个周期的脉冲正弦

  4)本发明能通过增强磁场强度增强导波幅值，有利于缺陷反射信号的幅值，增强

  5)本发明采用不一样类型的传感器进行组合，能够降低传感器重量，减少传感器成

  有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本

  发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以

  整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基

  于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其

  片形永磁体的磁致伸缩导波传感器对管道进行扭转波的激励和检测，实现在非接触的前提

  下，在管道中产生扭转波，检测管道缺陷，当被测管道不能安装全封闭式传感器时，采用放

  置式传感器，该传感器重量轻，磁材使用少，成本低，能够有效的在不同直径管道上激励和

  如图2至图9所示，本发明基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器较佳实施例包括

  形永磁体4增强管道中的静态磁场强度以增强导波幅值；当被测管道中不适合安装封闭式

  传感器时，则通过在上壳体或下壳体内安装两片瓦片形永磁体4，实现扭转波的激励和检

  本实施例中，外壳5主要有固定永磁体4和排线的作用，同时，克服永磁体4之间的

  斥力使得永磁体4安装在同一外壳5内该传感器还可用于其它管状或棒状铁磁性结构的扭

  全封闭式传感器时，将上壳体和下壳体连接，放置四片永磁体4，同时，采用螺线增强管道中的静态磁场强度来增强导波幅值；当被测管道

  中不适合安装全封闭式传感器时，则在上壳体或下壳体内放置两片永磁体4、螺线管线，利用该传感器同样能实现扭转波的激励和检测。

  本实施例的扭转波检测适用范围广，传感器重量轻，磁材使用少，成本低，不用依

  在检测管道时，采用一个激励传感器和一个检测传感器，可采用如附图2至6所示

  相同的传感器结构作为激励传感器和检测传感器，也可采用不同的传感器结构作为激励传

  感器和检测传感器。利用激励传感器在管道上激发扭转波，扭转波沿着管道轴向进行传播，

  当其遇到缺陷时，会有部分导波发生反射，当缺陷反射的导波传播至检测传感器处时，检测

  传感器上能够产生感应电压，通过检测到的感应电压信号的时间和幅值来判断缺陷的位置

  和大小。采用瓦片形永磁体4仅在永磁体4边缘产生的轴向磁场，且强度较小，因此当在永磁

  体4中心位置布置线圈时，能够减小纵向导波的产生。利用瓦片形永磁体4还不需借助磁致

  伸缩片作为导磁装置就能够实现管道周向上的均匀励磁。利用附图2至附图6所示的扭转波

  传感器对管道缺陷进行检测。激励信号为20kHz的2个周期的脉冲正弦波，脉冲周期为

  100ms，当然，在其他实施例中，对于脉冲信号的频率和周期并不限于20kHz和100ms。当管道

  没有缺陷时，不同组合扭转波传感器检测钢管信号如附图7至附图9所示。由附图7至附图9

  可知，当采用不同结构的传感器作为扭转波激励和检测传感器时，能够有效地在管道中激

  励和检测扭转波，实现管道的缺陷检测。根据传感器中永磁体4个数及线圈结果不同，其产

  生的扭转波幅值同样会不同，当静态磁场较强时，产生的导波幅值较大；当动态磁场能较好

  进一步地，本实施例中，上壳体和下壳体之间通过合页6可拆卸连接，上壳体和下

  ；然后利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，通过功率放大加载到扭转波激励传感器

  上，通过磁致伸缩效应及洛伦磁力效应，激励传感器将电信号转化为机械信号的导波，使得

  导波在被测管道中传播，其中，脉冲正弦信号为20kHz的2个周期的脉冲正弦波，脉冲周期为

  100ms，当然，在其他实施例中，对于脉冲信号的频率和周期并不限于20kHz和100ms；接着，

  在检测传感器获得导波信号时，根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波传播距离，再

  通过检测传感器的位置，获得管道缺陷的位置信息；最后，利用缺陷导波信号幅值大小获得

  导波传播距离，再通过检测传感器的位置，获得管道缺陷的位置信息时，根据激励传感器和

  4)本发明能通过增强磁场强度增强导波幅值，有利于缺陷反射信号的幅值，增强

  5)本发明采用不一样的传感器进行组合，能够降低传感器重量，减少传感器成

  明基于磁致伸缩扭转波的管道检测方法应用于如上实施例的基于磁致伸缩扭转波的管道

  检测传感器，如图10所示，本发明基于磁致伸缩扭转波的管道检测方法较佳实施例包括以

  S10，根据被测管道情况安装对应的磁致伸缩扭转波传感器，记录激励传感器的位

  构、螺旋管线圈或放置式线圈放入上壳体和/或下壳体内进行固定。当被测管道可安装全封

  闭式传感器时，将上壳体和下壳体连接，放置四片永磁体，同时，采用螺线管线圈或者放置

  式线圈，通过四片永磁体增强管道中的静态磁场强度来增强导波幅值；当被测管道中不适

  合安装全封闭式传感器时，则在上壳体或下壳体内放置两片永磁体、螺线管线圈或者放置

  S20，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，通过功率放大加载到扭转波激励传感

  器上，通过磁致伸缩效应及洛伦磁力效应，激励传感器将电信号转化为机械信号的导波，使

  其中，脉冲正弦信号为20kHz的2个周期的脉冲正弦波，脉冲周期为100ms，当然，在

  其他实施例中，对于脉冲信号的频率和周期并不限于20kHz和100ms。。

  S30，在检测传感器获得导波信号时，根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波

  可以理解的是，当导波遇到缺陷管道非连续结构时，会有部分导波信号发生反射，

  当检测传感器获得导波信号后，能够在线圈两端获得相应的感应电压，通过导波波速和导

  波飞行时间计算可得到导波传播的距离，在通过已知的检测传感器的位置，即可获得缺陷

  由此，即可实现对被测管道的缺陷检测，包括缺陷位置、缺陷大小信息。当缺陷越大、导波遇

  到该缺陷反射的能量越多，因此，导波幅值越大；反之，缺陷越小，导波遇到该缺陷反射的能

  4)本发明能通过增强磁场强度增强导波幅值，有利于缺陷反射信号的幅值，增强

  5)本发明采用不一样类型的传感器进行组合，能够降低传感器重量，减少传感器成

  发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其

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