[发明专利]一种弯曲模态导波传感器

说明书

本发明属于无损检测领域，并具体公开了一种弯曲模态导波传感器，其包括偶数个沿构件圆周方向布置的磁化模块及螺线管线圈，多个磁化模块连接成链状以提供空间上交替变化的静态偏置磁场，螺线管线圈作为激励线圈时在构件中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，永久磁铁下方沿构件径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用产生轴向交变洛伦兹力，相邻永久磁铁间沿构件圆周方向的静态偏置磁场与轴向交变磁场相互作用产生圆周方向交变磁致伸缩力，在轴向交变洛伦兹力与圆周方向交变磁致伸缩力的共同作用下构件中产生质点振动，以在构件中形成周向阶数为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。本发明具有结构简单，易于制作，成本较低的优点。

技术领域

本发明属于无损检测领域，更具体地，涉及一种弯曲模态导波传感器。

背景技术

钢丝、管道等圆柱状结构在道路桥梁、游乐设施和流体物料运输等方面有着非常广泛的应用。然而，复杂工作环境的作用会导致构件在服役过程中出现结构损伤，因此需要对构件进行缺陷检测。在常见的无损检测技术中，导波检测技术具有单点激励即可实现长距离检测、不可达区域检测和检测效率高等优势。

圆柱状构件中沿轴向传播的导波可分为扭转模态、纵向模态和弯曲模态。其中，扭转模态和纵向模态是轴对称模态，振动形式简单且传感器易于设计，已经被学者广泛研究并应用于构件缺陷检测；而弯曲模态振动形式较为复杂，难以设计合适的传感器结构激励出较为纯净的弯曲模态导波，因此对弯曲模态导波的研究和应用较少。构件缺陷一般为非轴对称结构，其反射回波为弯曲模态导波，并且目前的轴对称模态导波传感器在激励轴对称模态导波时不可避免的会同时激励出弯曲模态导波，因此对弯曲模态导波进行研究具有重要意义。

本领域的相关技术人员已经对弯曲模态导波进行了研究，例如Shin等[Guidedwaves by axisymmetric and non-axisymmetric surface loading on hollowcylinders.Ultrasonics,1999,37(5):355-363.]使用梳状传感器激励弯曲模态导波，通过改变梳状传感器的加载角度，改变传感器在构件中激励出的弯曲模态导波；陈乐等[周向局部加载型磁致伸缩传感器导波特性.海军工程大学学报,2016,28(5):86-90.]使用周向局部加载型磁致伸缩传感器在实验样管中激励出纵向模态和弯曲模态的组合模态，此类局部加载形式的弯曲模态导波传感器难以激励出较为纯净的单一弯曲模态导波；Zhang等[Excitation of dominant flexural guided waves in elastic hollow cylindersusing time delay circular array transducers.Wave Motion,2016,62:41-54.]提出了一种周向阵列的多通道导波传感器，通过控制各个通道的激励延迟时间实现较为纯净的单一弯曲模态导波激励，并将周向阵列的多通道磁致伸缩式导波传感器应用于螺旋焊缝管的导波检测；Sun等[Flexural torsional guided wave mechanics and focusing inpipe.Journal of Pressure Vessel Technology,2005,127(4):471-478.]使用周向阵列的压电探头，通过控制各个通道的激励延迟时间实现了与轴对称扭转模态同族的弯曲模态导波的聚焦，此类周向阵列形式的多通道弯曲模态导波传感器结构复杂，各个通道间的一致性差，难以控制，并且探头的成本较高，不利于现场应用；Cho等[The optimal designand experimental verification of the bias magnet configuration of amagnetostrictive sensor for bending wave measurement.Sensors&Actuators APhysical,2003,107(3):225-232.]设计了一种磁致伸缩式弯曲模态导波传感器，通过拓扑算法对永久磁铁和磁轭进行优化，获得了较为纯净的弯曲模态导波，但传感器结构复杂，难以现场应用。

发明内容