[发明专利]一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法

说明书

一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法，属于超声检测技术领域。所述磁致伸缩传感器包括线圈阵列和永磁铁阵列。线圈阵列由多个跑道型线圈并联而成，固定在管道的外表面一周，且沿管道周向均匀分布；永磁铁阵列由极性交错排列的永磁铁和磁铁底座构成，安装在线圈阵列的外侧，轴向相邻的永磁铁间距等于所激发扭转模态导波的半波长；基于磁致伸缩机制，在永磁铁阵列提供的轴向静态偏置磁场和线圈阵列提供的周向动态磁场的共同作用下，从而激励出扭转模态的管道超声导波。本发明可有效的在钢管中激励和接收扭转模态的超声导波，激励模态单一，信噪比高，便于实现对管道的全面检测。

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，特别涉及一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法。

背景技术

超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点，近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中，轴对称的扭转模态是管道超声导波中较为常用的检测模态，其优势在于：该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；质点的振动方向与导波的传播方向相垂直，对管道的轴向缺陷较为敏感；只有周向的振动位移，没有径向的位移，在导波传播过程中能量泄露较少，故对管道长距离检测具有一定的优势。

管道超声导波检测技术主要使用压电超声传感器和电磁超声传感器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激励和接收扭转模态的超声导波信号。然而，压电超声传感器存在一定的不足，主要体现在：通过耦合剂与被测试件接触，往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作，且安装较为复杂，检测效率较低，不利于现场的快速检测。而电磁超声传感器可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。

电磁超声传感器的工作原理主要有两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的传感器可应用于所有导体材料的管道检测中，但其换能效率较低，激励的导波信号幅值和信噪比较低；而磁致伸缩机制的传感器只能用于铁磁性材料的管道检测中，但其换能效率较高，可以产生高幅值和高信噪比的导波信号，传播距离更远，检测范围更广。因此在钢管检测中，常使用磁致伸缩传感器作为检测探头。

电磁超声传感器主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成，通过改变磁铁和线圈的结构形状，可设计出不同类型的超声传感器。现阶段，国内外在扭转模态磁致伸缩传感器的研究上取得了一定的进展，激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在传感器安装、拆卸不便，激励信号不理想，检测效率较低等问题，因此，优化设计已有的磁致伸缩传感器或研制新型的磁致伸缩传感器依旧是该领域研究的热点和难点之一。

发明内容

本发明的目的是设计一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法，该磁致伸缩传感器结构简单，安装便利，通过磁致伸缩机制，在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的周向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的扭转模态导波信号，实现对管道的全面检测。

本发明的技术方案如下：

一种扭转模态磁致伸缩传感器，包括：线圈阵列(1)，包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道(3)的外圆周面上的线圈；永磁铁阵列(2)，包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列(1)的径向外侧的永磁铁(21)，其中，每一永磁铁都沿管道(3)径向极化，且沿轴向和周向极性交错排列，并且，永磁铁(21)在周向的列数是线圈个数的两倍，且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。

优选地，每一线圈的形状为跑道形。

优选地，永磁铁阵列(2)还包括与管道(3)同轴布置的磁铁底座(22)，所述的磁铁底座(22)内壁为与管道(3)的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道(3)同轴的棱柱体，棱柱体的每个侧面沿轴向设置有多个与永磁铁尺寸匹配的磁铁插槽(221)。