[发明专利]一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器

说明书

技术领域

本发明为一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器，属于超声无损检测领域，可在管道中激励出纵向模态L(0,2)，实现对管道的无损检测。

背景技术

超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，相比传统的检测方法，其具有检测范围大、效率高、衰减小等优点，对于结构表面缺陷和内部缺陷都相当敏感，因此超声导波技术广泛应用于多类工程结构的无损评价和健康监测。其中，使用轴对称的纵波模态和扭转波模态的导波方法可以实现管道的快速、高效的检测，由于轴对称纵向导波L(0,2)模态传播速度快，故能比其他模态的导波更快的到达导波接收装置，因此更易于在时域内与其他模态进行区分，而且L(0,2)模态导波在传播过程中的离面位移相对较小，传播过程中的能量泄露现象也相应地减小，传播距离相对较长，故可检测更长的距离，使得L(0,2)模态导波对管道长距离检测具有一定优势。

目前，常用的激励超声导波主要两种方式，一种方式是基于材料压电效应的压电传感器。压电传感器在激励接收超声波时，通过耦合剂与被测件接触，而且往往需要对试件表面进行预处理，因此检测效率较低；而且压电传感器频率带宽相对较窄，容易激励出多个导波模态，在缺陷信息提取上有一定难度。另一种方式是基于电磁耦合机理的电磁声传感器(Electro-magnetic Acoustic Transducer，EMAT)，无需接触和耦合剂，可直接在导体或铁磁性材料中激励接收超声波，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适于高温、高速检测等优点。

电磁声传感器一般主要包括磁铁和线圈两部分。通过改变磁铁和线圈的结构形式，可设计出不同类型的电磁声传感器。H.Ogi等利用不等间距的蛇形线圈和永磁铁，设计了一种线聚焦SV波电磁声传感器。S.H.Cho和K.H.Sun等设计制作了一种方向可调的磁致伸缩传感器，用于非铁磁性金属和非金属的检测。H.Kwun和C.M.Teller在钢杆中进行了激励和检测超声波的实验，通过改变传感器的结构和偏执磁场的分布，在磁致伸缩效应及其逆效应的作用下激励出了超声导波。K.H.Sun和C.Dynes等研究了利用纵向模态的磁致伸缩传感器对管道中缺陷进行检测和描述的问题，对不同的检测结构的不同类型的缺陷(刻槽和腐蚀)进行了检测，为缺陷描述和健康状态评估的实现提供了实验基础。在国内，冯红亮等设计的磁致伸缩传感器成功的在碳钢式样内部激励出纵向模态和扭转模态的导波。王跃民等分析了纵向模态导波的激励机理，成功的在圆管中激励出纵向模态超声导波。

目前，国内在导波理论研究上取得了一定的进展，但是在商业应用上大多数被检测的构件是不规则，而且缺陷未知，要求传感器易于安装、检测和拆卸，因此，要优化设计已有的磁致伸缩传感器或研制新型磁致伸缩传感器。目前，管道超声导波专用探头全部由国外厂商生产，国内还处于研发阶段，距离工程成熟还有一些问题值得深入研究和探讨。

发明内容

本发明的目的是设计一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器，基于铁磁性材料镍带的磁致伸缩效应，将镍带的磁致伸缩变形通过粘接方式机械地耦合进入需要检测管道，从而有效激励出L(0,2)模态超声导波，实现管道中缺陷的检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器，包括铷铁硼磁铁1，双层簇状回折线圈2，镍带3；所述的双层簇状回折线圈2设置于柔性电路板中，镍带3粘接或固定于检测检测管道外表面一周，4片设置有双层簇状回折线圈2的柔性电路板放置在镍带3上，沿着检测管道环向均匀布置一周，且与镍带3紧密接触镍带3两端分别放置4块铷铁硼磁铁1，所述铷铁硼磁铁1侧面的法线方向沿着管道长度方向，镍带(3)两端的铷铁硼磁铁1侧面两两相对，且相对侧面极性相反；

铷铁硼磁铁1侧面截面形貌为扇形，沿两侧面极化，且沿环向均匀布置管道外表面的周向。

所述的柔性电路板中包含双层簇状回折线圈2，采用阵列式回折布线方式，使导线呈簇型分布，底上双层布线，相邻两簇线圈间距D等于设计的磁致伸缩阵列传感器理论中心频率对应的半波长λ/2；

镍带3长度为管道外表面周长，宽度为研制的纵向模态磁致伸缩阵列传感器线圈覆盖的宽度，镍带3的边缘打磨变薄。

所述的镍带3可以更替为其他磁致伸缩系数较高的材料的薄带

本发明可以获得如下有益效果：

1、柔性电路板中包含双层簇状回折线圈2，相邻两簇线圈间距D等于设计的磁致伸缩阵列传感器理论中心频率对应的L(0,2)模态的半波长λ/2，通过改变相邻两簇线圈间距D，可以设计出不同中心频率的纵向模态磁致伸缩阵列传感器；