[发明专利]基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器

说明书

技术领域：

基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，属于超声无损检测技术领域，其作用是在圆管、圆杆等结构中激励和接收扭转模态超声导波。

背景技术：

超声导波技术在工程应用中显示出巨大的潜力，可实现对板、壳、管道、杆等结构的全面、快速扫查，大大提高检测效率。此外，导波检测所获取的缺陷信号辨识度高，结合信号分析方法，还可实现缺陷的高精度定位。随着具有高磁致伸缩系数的合金带材的使用，在管道等结构中激励产生扭转模态超声导波较为容易，常规的磁致伸缩传感器已被广泛研究和应用于试验与工程测试，但主要用于缺陷的轴向定位。虚拟相控与时间反转聚焦算法可基于多通道检测信号，实现对管道全结构的扫描成像，以确定缺陷在管道的实际位置和大小。实现上述算法的重要前提是磁致伸缩传感器获取高质量的多通道的导波检测信号。这要求磁致伸缩传感器应具备沿圆周方向分布的多个阵元，且各阵元均可实现扭转模态的激励与接收，并具有较好的一致性。基于常规磁致伸缩传感器结构，现已有初步的阵列式传感器的研究报道，但其结构复杂、阵元间的一致性较差。因此，新型阵列式磁致伸缩传感器成为该领域的研究热点和难点之一。

发明内容：

本发明的目的是为了研制一款适用于圆管、圆杆等结构的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，有效激励和接收扭转模态超声导波。铁钴合金条带作为传感元件，正交环绕于铁钴合金条带的两组线圈分别用于产生正交的静态偏置磁场和动态磁场。基于魏德曼效应，可在铁钴合金条带中产生剪切形变，并形成应力波。环氧树脂作为声阻抗匹配层，可提升铁钴合金条带与管道表面材料间应力波的传递效率；机械夹持装置可增强传感元件与管道表面材料的载荷，进一步提升应力波的传递效率。由此，本发明公布的具有新型结构的磁致伸缩传感器可实现扭转模态的高效率激励。

铁钴合金条带上的环绕式矩形线圈可通过串联方式，实现阵元数量的控制，从而形成一致性较好的圆周阵列式传感器。

基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器的工作原理如图1所示。圆形线圈1中通入直流信号，产生稳定的静态偏置磁场B_DC，其方向沿铁钴合金条带2的宽度方向。环绕式矩形线圈3绕制在铁钴合金条带2上，并在其中通入交流信号，产生交变的动态磁场B_AC，其方向沿铁钴合金条带2的圆周方向。磁场B_AC与B_DC方向正交，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带2中将产生剪切形变，并形成应力波。

同理，图2中当环绕式矩形线圈3中通入直流信号，圆形线圈1中通入交流信号时，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带2中同样将产生剪切形变，并形成应力波。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，传感器包括两个半圆柱壳形状的检测单元8、排线式圆形线圈14和机械夹持装置，其中检测单元如图3所示，由铁钴合金条带2、环绕式矩形线圈3、橡胶层5组成；环绕式矩形线圈3预先绕制在铁钴合金条带2上，并经环氧树脂4粘接，与外侧的橡胶层5固化形成半圆柱壳形状的检测单元8。其中橡胶层5的作用是在机械加压耦合时作为缓冲层，避免因压力过大导致环绕式矩形线圈3损坏。

如图4所示环绕式矩形线圈3可沿检测单元环向等分成N(1≤N≤8)组矩形线圈6，当环绕式矩形线圈3作为直流励磁线圈时，两个检测单元中共2N组矩形线圈6串联连接，用于提供静态磁场对铁钴合金条带2进行磁化；当环绕式矩形线圈3作为交流传感线圈时，两个检测单元8中共2N组矩形线圈6各自独立，形成圆周阵列式结构，均可在被测结构中激励与接收扭转模态超声导波。

所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，排线式圆形线圈14缠绕方向与环绕式矩形线圈3方向保持正交。

两个检测单元8可对接扣合在圆管、圆杆等结构表面，以机械耦合方式进行工作，此时传感器可实现现场拆装；或采用环氧树脂粘贴在圆管、圆杆等结构表面，用于管道的长期监测。采用导电插销7可实现两个检测单元8中矩形线圈6的连接，如图5所示。