基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器與裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，包括：設(shè)置多個與管道同軸布置的環(huán)形磁鐵，在管道表面上的產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場；在各環(huán)線磁鐵陣列的兩側(cè)同軸套設(shè)螺線管線圈，使得待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流；在周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，并在遇到缺陷時會發(fā)生反射，反射回波經(jīng)過傳感線圈時即可引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，即可判斷管道中是否存在缺陷。本實用新型還公開了一種檢測裝置。本實用新型充分利用了磁鐵陣列邊緣徑向磁場，不需要產(chǎn)生均勻徑向磁場，從而降低了傳感器的復(fù)雜度；同時，可得到單一的縱向模態(tài)回波信號，減小缺陷信號分析難度，檢測過程快速高效。
【專利說明】基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及超聲波無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種管道缺陷檢測傳感器與
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油、化工、能源等行業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)管道在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營中發(fā)揮著日益重要的作用。在生產(chǎn)運(yùn)營的過程中，工業(yè)管道常因為高溫、高壓、沖刷、腐蝕性介質(zhì)等原因，出現(xiàn)腐蝕、穿孔或壁厚減薄等失效形式，導(dǎo)致泄露或者爆炸事故。為避免工業(yè)管道的實效對工業(yè)生產(chǎn)、社會安全造成危害，需要對工業(yè)管道進(jìn)行定期檢測維護(hù)。
[0003]超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有單點(diǎn)激勵即可檢測一端距離的優(yōu)點(diǎn)，十分適合于管道檢測。管道檢測中常用到兩種軸對稱模態(tài)導(dǎo)波:縱向模態(tài)導(dǎo)波和扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波。
[0004]目前，用于管道檢測的導(dǎo)波傳感器主要有壓電傳感器和電磁超聲傳感器。相比于傳統(tǒng)的壓電式傳感器，電磁超聲傳感器具有非接觸、管道表面無需打磨處理、檢測效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0005]電磁超聲傳感器的工作原理有兩種:洛倫茲力和磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮式導(dǎo)波傳感器只能用于鐵磁性材料的管道檢測，且受到管道材料磁致伸縮性能影響，換能效率較低。洛倫茲力式電磁超聲導(dǎo)波傳感器具有激勵接收效率高、信噪比高、受管道材料影響小的優(yōu)點(diǎn)，適用于導(dǎo)電材料管道的檢測，如不銹鋼管、碳鋼管、鋁管等，應(yīng)用范圍廣。
[0006]US7886604B2中公開了一種用于換熱管內(nèi)檢測的扭轉(zhuǎn)模態(tài)電磁超聲傳感器，其為一種洛倫茲力式超聲導(dǎo)波傳感器，可實現(xiàn)換熱管內(nèi)檢測。Ogi等人[Mode Convers1n andTotal Reflect1n of Tors1nal Waves for Pipe Inspect1n,Japanese Journal ofApplied Physics, 2013, 52:07HC14.]提出了一種用于鋁管外檢測的電磁超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳感器，汪玉剛等[電磁超聲扭轉(zhuǎn)波檢測鋼管缺陷的實驗研究.傳感器與微系統(tǒng)，2014，02:23-25.]在鐵磁性鋼管上實現(xiàn)了電磁超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的激勵與接收。
[0007]但是，上述洛倫茲力式超聲導(dǎo)波傳感器是在管道中激勵和接收扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，但扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波對周向裂紋敏感度不高，而且傳播速度不高，不適用于長距離檢測。
[0008]相比于扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，縱向模態(tài)導(dǎo)波對周向裂紋缺陷更為敏感，且在管道中傳播速度更快，適合于長距離檢測。US4471658B中公開了一種電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅?，利用相斥布置的圓柱形磁鐵和放置于磁鐵中間的鐵氧體在鐵氧體放置產(chǎn)生均勻的徑向靜態(tài)磁場，在磁鐵放置區(qū)域產(chǎn)生軸向靜態(tài)磁場。同時在每個鐵氧體中心和磁鐵中心均放置螺線管線圈，利用多個串聯(lián)的螺線管線圈產(chǎn)生周向渦流，周向渦流和徑向靜態(tài)磁場作用產(chǎn)生軸向交變洛倫茲力，周向渦流和軸向靜態(tài)磁場作用產(chǎn)生徑向交變洛倫茲力。利用交替分布的軸向洛倫茲力和徑向洛倫茲力，在小直徑管道內(nèi)部激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。
[0009]但是，該電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅骼脙煞N方向的洛倫茲力來激勵縱向模態(tài)導(dǎo)波，一方面所需磁鐵和螺線管線圈數(shù)量多，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另一方面，兩種方向的洛倫茲力共同作用，會導(dǎo)致激勵出的超聲導(dǎo)波模態(tài)不純，產(chǎn)生多個模態(tài)的缺陷回波信號，最終加大缺陷信號分析的難度。
實用新型內(nèi)容
[0010]針對以上問題，本實用新型的目的在于提供一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器與裝置，該裝置和傳感器利用磁鐵邊緣產(chǎn)生的徑向偏置磁場和螺線管線圈的周向渦流產(chǎn)生軸向交變洛倫茲力，在管道中激勵和接收縱向模態(tài)導(dǎo)波，實現(xiàn)對管道缺陷的檢測。該裝置和方法由于只需要一種方向的洛倫茲力作用，所需磁鐵數(shù)量少，簡化了傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器與管道間無需物理接觸，檢測時不需要對管道表面進(jìn)行處理，檢測效率高，信噪比高。
[0011]按照本實用新型的一個方面，提供一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，通過該裝置激勵的縱向模態(tài)導(dǎo)波在管道內(nèi)的發(fā)射信號實現(xiàn)對管道缺陷的判斷，其特征在于，該傳感器包括:
[0012]沿著待檢測管道軸線方向設(shè)置的多個與管道同軸布置的環(huán)形磁鐵，且所述環(huán)形磁鐵中所有磁鐵極化方向均與軸向方向平行，用于對管道進(jìn)行磁化，從而在管道表面上的所述環(huán)形磁鐵兩側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場；
[0013]在各所述環(huán)線磁鐵陣列的兩側(cè)同軸套設(shè)的螺線管線圈，且各螺線管線圈依次串聯(lián)，各螺線管線圈的中心橫截面與對應(yīng)的環(huán)形磁鐵的端面重合，用于在對所述各傳感線圈通以正弦脈沖電流時可在待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流；
[0014]在所述周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，該縱向模態(tài)導(dǎo)波沿著管道軸線方向傳播并在遇到缺陷時會發(fā)生反射，反射回波經(jīng)過所述傳感線圈時即可引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
[0015]作為本實用新型的改進(jìn)，所述相鄰環(huán)形磁鐵的極化方向相反，位于兩個環(huán)形磁鐵之間的兩個螺線管線圈繞向相反，位于同一個環(huán)形磁鐵兩側(cè)的兩個螺線管線圈繞向相同。
[0016]作為本實用新型的改進(jìn)，相鄰環(huán)形磁鐵的極化方向相同，相鄰的所述兩螺線管線圈的繞向相反。
[0017]作為本實用新型的改進(jìn)，相鄰的環(huán)形磁鐵的中心間距等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長。
[0018]作為本實用新型的改進(jìn)，相鄰螺線管線圈的中心間距均等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長的一半。
[0019]作為本實用新型的改進(jìn)，所述各螺線管線圈內(nèi)徑小于或等于環(huán)形磁鐵內(nèi)徑，且大于管道外徑，以用于從管道外部檢測缺陷。
[0020]作為本實用新型的改進(jìn)，所述各螺線管線圈外徑大于或等于環(huán)形磁鐵外徑，小于管道內(nèi)徑，以用于從管道內(nèi)部檢測缺陷。
[0021]按照本實用新型的另一方面，提供一種電磁超聲縱向?qū)Рz測裝置，其設(shè)置在管道外以用于檢測管道缺陷，其特征在于，該傳感器包括由半圓環(huán)狀體的兩磁化模塊組合形成的中空圓柱體以及設(shè)置在該圓柱體上的傳感模塊，所述待檢測的管道套裝于所述中空圓柱體上，其中
[0022]所述磁化模塊包括由半圓形的外殼和內(nèi)殼相互套接形成的半圓環(huán)殼體和多個軸向排列設(shè)置在該半圓環(huán)殼體內(nèi)的磁化組件，各磁化組件之間設(shè)置有用于固定和支撐該磁化組件的支撐組件；
[0023]所述磁化組件具有磁鐵，各磁鐵的極化方向均與管道軸向方向平行，兩磁化模塊對應(yīng)的磁化組件上的磁鐵組成環(huán)形磁鐵，其在相應(yīng)的磁鐵兩側(cè)的管道表面區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場，從而對管道進(jìn)行磁化；
[0024]所述傳感模塊包括接線器、插頭和并排固定在所述半圓環(huán)殼體上與管道同軸的多個線圈，其中，每個磁化組件兩側(cè)均對應(yīng)設(shè)置有兩個沿軸向布置的所述線圈，各線圈的中心橫截面與對應(yīng)的磁化組件中的磁鐵軸向端面重合，所述多個線圈通過接線器電連接而組成串聯(lián)的螺線管線圈，用于在對所述傳感線圈通以正弦脈沖電流時可在待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流，所述插頭固定于接線器上，并與插頭出線電連接；
[0025]在所述周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，該縱向模態(tài)導(dǎo)波沿著管道軸線方向傳播并在遇到缺陷時會發(fā)生反射，反射回波經(jīng)過所述傳感線圈時即可引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
[0026]作為本實用新型的改進(jìn)，所述兩磁化模塊之間通過搭扣和合頁連接形成開合結(jié)構(gòu)。
[0027]按照本實用新型的又一方面，提供一種電磁超聲縱向?qū)Рz測裝置，其設(shè)置在管道內(nèi)以用于檢測管道缺陷，其特征在于，該傳感器包括同軸依次串接的左定位體、激勵傳感器、中定位體、接收傳感器和右定位體，其中，
[0028]所述激勵傳感器和接收傳感器分別用于激勵產(chǎn)生縱向模態(tài)導(dǎo)波和接收經(jīng)該縱向模態(tài)導(dǎo)波在管道內(nèi)的反射信號，兩傳感器結(jié)構(gòu)相同，均包括:
[0029]由圓筒形殼體、套裝在該圓筒形殼體內(nèi)且間隔布置的多個環(huán)形磁鐵、設(shè)置在各環(huán)形磁鐵之間用于支撐環(huán)形磁鐵的多個支撐機(jī)構(gòu)、以及纏繞在圓筒形殼體外周面的環(huán)槽中以用于激勵或接收縱向模態(tài)導(dǎo)波的多個螺線管線圈，其中，各環(huán)形磁鐵極化方向均與軸向方向平行，從而在管道表面上的所述環(huán)形磁鐵兩側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場對管道進(jìn)行磁化，每個環(huán)形磁鐵兩側(cè)對應(yīng)設(shè)置兩個同軸套裝的所述螺線管線圈，且各螺線管線圈依次串聯(lián)形成傳感線圈，各螺線管線圈的中心橫截面與對應(yīng)的環(huán)形磁鐵的端面重合；
[0030]通過所述激勵傳感器中各傳感線圈通以正弦脈沖電流產(chǎn)生的周向感應(yīng)渦流和各環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的徑向靜態(tài)磁場的共同作用，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，其在所述管道中傳播反射后被所述接收傳感器中的傳感線圈轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓信號，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
[0031]作為本實用新型的改進(jìn)，還包括蓋板、激勵插頭、接收插頭、箱體、端部壓緊體、端部浮動機(jī)構(gòu)、尾部浮動機(jī)構(gòu)和尾部壓緊體，其中所述激勵插頭和接收插頭固定于蓋板上，分別與激勵傳感器和接收傳感器的傳感線圈出線電連接，所述蓋板與箱體、箱體與端部壓緊體通過螺釘連接，所述端部浮動機(jī)構(gòu)安裝于端部壓緊體上，端部壓緊體與左定位體通過螺紋連接，所述尾部浮動機(jī)構(gòu)安裝于尾部壓緊體上，所述尾部壓緊體與右定位體通過螺紋連接。
[0032]本實用新型中，通過N個環(huán)形磁鐵對待檢測管道進(jìn)行磁化。環(huán)形磁鐵軸線與管道軸線重合。環(huán)形磁鐵中所有磁鐵的極化方向與軸線方向平行。相鄰環(huán)形磁鐵的中心間距等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長，單獨(dú)一個環(huán)形磁鐵的寬度等于波長的一半。當(dāng)激勵頻率下縱向?qū)РúㄩL小于等于1mm時，相鄰環(huán)形磁鐵的極化方向相反；當(dāng)縱向?qū)РúㄩL大于1mm時，相鄰環(huán)形磁鐵的極化方向相同。
[0033]本實用新型中，在每個相鄰環(huán)形磁鐵的兩側(cè)各布置一個螺線管線圈，每個螺線管線圈的中心橫截面均于對應(yīng)環(huán)形磁鐵的一個端面重合，共布置2N個螺線管線圈串聯(lián)組成傳感線圈。相鄰兩個螺線管線圈中心間距等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長的一半。
[0034]本實用新型中，對傳感線圈通以正弦脈沖電流，在鋼管中激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波沿管道軸線方向傳播，經(jīng)過缺陷時被缺陷反射。反射回波經(jīng)過傳感線圈時，使傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。通過觀察傳感線圈感應(yīng)電壓隨時間的變化，判斷管道內(nèi)是否有缺陷，并對缺陷進(jìn)行定位。
[0035]本實用新型中，所述檢測方法用于激勵波長大于20mm的縱向?qū)Р〞r，相鄰兩個環(huán)形磁鐵的極性相同，相鄰兩個螺線管線圈的繞向相同。
[0036]本實用新型中，所述檢測方法用于激勵波長小于等于20mm的縱向?qū)Р〞r，相鄰兩個環(huán)形磁鐵的極性相反，位于兩個環(huán)形磁鐵之間的兩個螺線管線圈繞向相反，位于同一個環(huán)形磁鐵兩側(cè)的兩個螺線管線圈繞向相同。
[0037]本實用新型中，用于通過上述檢測方法的電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測裝置進(jìn)行檢測的系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、檢測傳感器、信號預(yù)處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)。其中信號發(fā)生器用于產(chǎn)生正弦脈沖電流，經(jīng)過功率放大器放大后輸入到檢測傳感器，在管道中激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播過程中經(jīng)過檢測傳感器時被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)過信號預(yù)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器后，進(jìn)入計算機(jī)的采集模塊，完成對管道的檢測過程。
[0038]本實用新型中，第一種檢測傳感器結(jié)構(gòu):由結(jié)構(gòu)一樣的激勵傳感器和接收傳感器組成。激勵傳感器和接收傳感器均包括:位置對稱結(jié)構(gòu)相同的兩個磁化模塊、傳感模塊、合頁和搭扣。
[0039]本實用新型中，所述磁化模塊包括:外殼、N個磁化組件、N+1個支撐組件和內(nèi)殼。磁化組件、支撐組件和內(nèi)殼均固定于外殼上。磁化組件和支撐組件相間排列在外殼和內(nèi)殼之間。N為正整數(shù)。
[0040]本實用新型中，所述磁化組件由磁鐵殼體、磁鐵蓋體、若干磁鐵組成。磁鐵殼體為半圓環(huán)形，內(nèi)部開有用于安裝磁鐵的凹槽，磁鐵蓋體與磁鐵殼體間通過螺釘連接。
[0041]本實用新型中，所述兩個磁化模塊通過合頁和搭扣連接并形成開合機(jī)構(gòu)。當(dāng)所述兩個磁化模塊閉合時，2N個磁化組件內(nèi)的磁鐵組成N個環(huán)形磁鐵。
[0042]本實用新型中，所述傳感模塊包括:2N個柔性排線，接線器和插頭。柔性排線環(huán)繞并固定在兩個磁化模塊的內(nèi)殼上，2N個柔性排線與接線器電連接，形成2N個串聯(lián)的螺線管線圈。
[0043]本實用新型中，第二種檢測傳感器結(jié)構(gòu):包括蓋板、激勵插頭、接收插頭、箱體、端部壓緊體、端部浮動機(jī)構(gòu)、左定位體、激勵傳感器、中定位體、接收傳感器、右定位體、尾部壓緊體和尾部浮動機(jī)構(gòu)組成。
[0044]本實用新型中，所述激勵傳感器和接收傳感器結(jié)構(gòu)相同，均由殼體、N+1個支撐機(jī)構(gòu)、N個磁鐵、2N個螺線管線圈組成。支撐機(jī)構(gòu)與磁鐵相間排列并固定在殼體內(nèi)部。殼體上開有2N個環(huán)槽，線圈纏繞在殼體的環(huán)槽中。2N個螺線管線圈串聯(lián)組成傳感線圈，以激勵或接收縱向模態(tài)導(dǎo)波。
[0045]本實用新型中，所述激勵插頭和接收插頭固定于蓋板上，分別于激勵傳感器和接收傳感器的傳感線圈出線電連接。蓋板與箱體、箱體與端部壓緊體通過螺釘連接。端部浮動機(jī)構(gòu)安裝于端部壓緊體上，端部壓緊體與左定位體通過螺紋連接。激勵傳感器通過緊定螺釘固定于左定位體和中定位體之間，接收傳感器通過緊定螺釘固定于中定位體和右定位體之間。尾部浮動機(jī)構(gòu)安裝于尾部壓緊體上，尾部壓緊體與右定位體通過螺紋連接。
[0046]本實用新型中，環(huán)形磁鐵可以是呈環(huán)形的單個磁鐵或多個磁鐵圍成環(huán)形形成的環(huán)形磁鐵陣列。
[0047]總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0048]本實用新型的管道缺陷電磁超聲縱向?qū)Рz測方法與裝置，布置于管道軸向平行布置的磁鐵陣列，在磁鐵陣列邊緣對應(yīng)的管道區(qū)域產(chǎn)生徑向偏置磁場。布置螺線管線圈在磁鐵陣列兩側(cè)，在徑向偏置磁場區(qū)域產(chǎn)生周向渦流。由徑向偏置磁場和周向渦流產(chǎn)生軸向交變洛倫茲力，在管道中激勵和接收縱向模態(tài)導(dǎo)波。該方法一方面充分利用了磁鐵陣列邊緣徑向磁場，不再需要相斥磁鐵和鐵氧體作用產(chǎn)生均勻徑向磁場，降低了傳感器中磁鐵的數(shù)量，從而降低了傳感器的復(fù)雜度；另一方面激勵縱向?qū)Рㄟ^程中只需要軸向交變洛倫茲力，不再需要徑向洛倫茲力，可得到單一的縱向模態(tài)回波信號，減小缺陷信號分析難度，檢測過程快速高效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]圖1是按照本實用新型實施例的檢測傳感器的原理示意圖；
[0050]圖2是按照本實用新型用于管道外檢測的檢測裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0051]圖3是按照本實用新型用于管道外檢測的電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖；
[0052]圖4是圖3傳感器中磁化組件的結(jié)構(gòu)圖；
[0053]圖5是按照本實用新型用于管道內(nèi)檢測的檢測裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0054]圖6是按照本實用新型用于管道內(nèi)檢測的電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖；
[0055]圖7是圖6傳感器中接收傳感器部位的局部剖視圖；
[0056]圖8是具體實施例中所用外徑25mm，內(nèi)徑20mm的管道變樣示意圖；
[0057]圖9是使用圖5所示檢測裝置所得檢測信號的波形圖。

【具體實施方式】
[0058]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0059]本實用新型實施例的檢測傳感器的原理示意圖如圖1所示。沿著待檢測管道軸線方向布置N個環(huán)形磁鐵I對管道進(jìn)行磁化。環(huán)形磁鐵I中所有磁鐵極化方向均與軸向方向平行，相鄰環(huán)形磁鐵I的極化方向相反。在這種布置下，環(huán)形磁鐵I在管道表面磁鐵陣列兩側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場。螺線管線圈2布置在相鄰磁鐵陣列I的兩側(cè)，且螺線管線圈2的中心橫截面與相鄰磁鐵陣列I的端面重合。2N個螺線管線圈2串聯(lián)在一起。相鄰螺線管線圈2的繞向相反。相鄰環(huán)形磁鐵I的中心間距等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長，相鄰螺線管線圈2的中心間距均等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長的一半。
[0060]對傳感線圈通以正弦脈沖電流時，待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流?；诼鍌惼澚π?yīng)，在周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，管道中將產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波沿著管道軸線方向傳播，遇到缺陷時會發(fā)生反射。反射回波經(jīng)過傳感線圈時會引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷。分別分析感應(yīng)電壓變化的時間和幅值，即可對缺陷進(jìn)行定位，對缺陷大小進(jìn)行評估。
[0061]該檢測傳感器即可用于管道外檢測，也可用于管道內(nèi)檢測。用于從管道外部檢測缺陷時，螺線管線圈2內(nèi)徑小于或等于環(huán)形磁鐵I內(nèi)徑，大于管道外徑。用于從管道內(nèi)部檢測缺陷時，螺線管線圈2外徑大于或等于環(huán)形磁鐵I外徑，小于管道內(nèi)徑。
[0062]用于外檢測的電磁超聲縱向?qū)Рü艿廊毕輽z測裝置如圖2所示。該裝置包括信號發(fā)生器8、功率放大器7、檢測傳感器4、信號預(yù)處理器11、A/D轉(zhuǎn)換器10和計算機(jī)9。其中檢測傳感器4由結(jié)構(gòu)一樣的激勵傳感器5和接收傳感器6組成，兩者均安裝在管道3外部。信號發(fā)生器8用于產(chǎn)生正弦脈沖電流，經(jīng)過功率放大器7放大后輸入到激勵傳感器5，在管道中激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播過程中經(jīng)過接收傳感器6時被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)過信號預(yù)處理器11和A/D轉(zhuǎn)換器10后，進(jìn)入計算機(jī)9的采集模塊，完成對管道的檢測過程。
[0063]圖3是按照本實用新型的用于管道外檢測的電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖。按照本實用新型的用于管道外檢測的電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅靼ㄉ洗呕K12、下磁化模塊13、傳感模塊15、搭扣14和合頁23。上下磁化模塊12、13結(jié)構(gòu)相同且位置對稱，均由外殼19、支撐組件20、磁化組件21和內(nèi)殼22組成。搭扣14和合頁23固定在外殼19上。上磁化模塊12和下磁化模塊13之間通過搭扣14和合頁23連接形成開合結(jié)構(gòu)。N+1個支撐組件20和N個磁化組件21相間排列，并固定于外殼19上。內(nèi)殼22與外殼19之間通過螺釘連接。傳感模塊15由線圈16、接線器17和插頭18組成。2N個線圈16并排固定在內(nèi)殼22的凹槽上，并與接線器17電連接而組成2N個串聯(lián)的螺線管線圈。插頭18通過螺紋固定于接線器17上，并與插頭18出線電連接。
[0064]圖4是圖3中傳感器的傳感模塊結(jié)構(gòu)圖。如圖4所示，磁化組件21包括磁鐵殼體24、若干個磁鐵25和磁鐵蓋體26。磁鐵殼體24中加工有凹槽以安裝磁鐵25，磁鐵蓋體26通過螺釘固定在磁鐵殼體24上。
[0065]用于內(nèi)檢測的電磁超聲縱向?qū)Рü艿廊毕輽z測裝置如圖5所示，該裝置包括信號發(fā)生器8、功率放大器7、檢測傳感器27、信號預(yù)處理器11、A/D轉(zhuǎn)換器10和計算機(jī)9。檢測傳感器27安裝在管道28端部。信號發(fā)生器8用于產(chǎn)生正弦脈沖電流，經(jīng)過功率放大器7放大后輸入到檢測傳感器27，在管道中激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播過程中經(jīng)過檢測傳感器27時被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)過信號預(yù)處理器11和A/D轉(zhuǎn)換器10后，進(jìn)入計算機(jī)9的采集模塊，完成對管道的檢測過程。
[0066]圖6是按照本實用新型的用于管道內(nèi)檢測的電磁超聲縱向?qū)Р▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖。檢測傳感器包括:包括蓋板29、激勵插頭30、接收插頭31、箱體32、端部壓緊體33、端部浮動機(jī)構(gòu)34、左定位體35、激勵傳感器36、中定位體37、接收傳感器38、右定位體39、尾部浮動機(jī)構(gòu)40和尾部壓緊體41。
[0067]圖7為接收傳感器的局部剖視圖。激勵傳感器36和接收傳感器38結(jié)構(gòu)相同，均由殼體42、N+1個支撐機(jī)構(gòu)43、N個磁鐵44、2N個螺線管線圈45組成。支撐機(jī)構(gòu)43與磁鐵44相間排列并固定在殼體42內(nèi)部。殼體42上開有2N個環(huán)槽，線圈45纏繞在殼體的環(huán)槽中。2N個螺線管線圈45串聯(lián)組成傳感線圈，用來激勵或接收縱向模態(tài)導(dǎo)波。
[0068]激勵插頭30和接收插頭31固定于蓋板29上，分別于激勵傳感器36和接收傳感器38的傳感線圈出線電連接。蓋板29與箱體32、箱體32與端部壓緊體33通過螺釘連接。端部浮動機(jī)構(gòu)34安裝于端部壓緊體33上，端部壓緊體33與左定位體35通過螺紋連接。激勵傳感器36通過緊定螺釘固定于左定位體35和中定位體37之間，接收傳感器38通過緊定螺釘固定于中定位體37和右定位體39之間。尾部浮動機(jī)構(gòu)41安裝于尾部壓緊體40上。尾部壓緊體41與右定位體通過螺紋連接39。
[0069]圖8為一個外徑25mm，內(nèi)徑20mm的管道標(biāo)樣示意圖，管長為2.8m，在距離左端部
1.4m的位置有一個橫槽缺陷，距離左端部2m的位置有一個通孔缺陷。橫槽長12.5mm,寬1mm，深0.5mm，等效截面積損失為3.7 %。通孔直徑為Φ 5，其等效截面積損失為7.5 %。
[0070]圖9為使用圖5所示的用于內(nèi)檢測的電磁超聲縱向?qū)Рü艿廊毕輽z測裝置，在標(biāo)樣管上檢測所得信號的波形圖。在圖9中，橫槽缺陷的回波用SI表示，通孔缺陷的回波用S2表示，橫槽缺陷回波經(jīng)過管道左端部反射后的二次回波用S3表示。
[0071]從實驗結(jié)果可看出，該電磁超聲縱向?qū)Рü艿廊毕輽z測裝置檢測精度良好，傳感器安裝方便快速，檢測過程方便快捷。
[0072]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，通過該裝置激勵的縱向模態(tài)導(dǎo)波在管道內(nèi)的反射信號實現(xiàn)對管道缺陷的判斷，其特征在于，該傳感器包括: 沿著待檢測管道軸線方向設(shè)置的多個與管道同軸套設(shè)的環(huán)形磁鐵(I)，且所述環(huán)形磁鐵(I)中所有磁鐵極化方向均與軸向方向平行，用于對管道進(jìn)行磁化，從而在管道表面上的所述環(huán)形磁鐵(I)兩側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場； 各所述環(huán)形磁鐵陣列(I)的兩側(cè)同軸套設(shè)的螺線管線圈(2)，且各螺線管線圈(2)依次串聯(lián)形成傳感線圈，各螺線管線圈(2)的中心橫截面與對應(yīng)的環(huán)形磁鐵(I)的端面重合，用于在對所述傳感線圈通以正弦脈沖電流時可在待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流； 在所述周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，該縱向模態(tài)導(dǎo)波沿著管道軸線方向傳播并在遇到缺陷時會發(fā)生反射，反射回波經(jīng)過所述傳感線圈時即可引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，相鄰的兩環(huán)形磁鐵(I)的極化方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，位于兩個環(huán)形磁鐵(I)之間的兩個螺線管線圈(2)繞向相反，位于同一個環(huán)形磁鐵(I)兩側(cè)的兩個螺線管線圈(2)繞向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，相鄰兩環(huán)形磁鐵(I)的極化方向相同，相鄰兩個螺線管線圈(2)的繞向相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，相鄰的兩環(huán)形磁鐵(I)的中心間距等于激勵頻率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，相鄰兩螺線管線圈(2)的中心間距等于環(huán)形磁鐵(I)的軸向?qū)挾惹覟榧铑l率下縱向模態(tài)導(dǎo)波波長的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，所述各螺線管線圈⑵內(nèi)徑小于環(huán)形磁鐵⑴內(nèi)徑，且大于管道外徑，以用于從管道外部檢測缺陷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種基于電磁超聲縱向?qū)Рǖ墓艿廊毕輽z測傳感器，其中，所述各螺線管線圈(2)外徑大于環(huán)形磁鐵(I)外徑，小于管道內(nèi)徑，以用于從管道內(nèi)部檢測缺陷。
9.一種電磁超聲縱向?qū)Рz測裝置，其設(shè)置在管道外以用于檢測管道缺陷，其特征在于，該檢測裝置包括由半圓環(huán)狀的兩磁化模塊(12、13)組合形成的中空圓柱體以及設(shè)置在該圓柱體上的傳感模塊(15)，待檢測的管道套裝于該中空圓柱體上，其中， 所述磁化模塊(12、13)包括由半圓形的外殼(19)和內(nèi)殼(22)相互套接形成的半圓環(huán)殼體和多個軸向排列設(shè)置在該半圓環(huán)殼體內(nèi)的磁化組件(21)，各磁化組件(21)之間設(shè)置有用于固定和支撐該磁化組件(21)的支撐組件(20)； 所述磁化組件(21)具有磁鐵(25)，各磁鐵(25)的極化方向均與管道軸向方向平行，兩磁化模塊對應(yīng)的磁化組件(21)上的磁鐵(25)組成環(huán)形磁鐵，其在相應(yīng)的磁鐵(25)兩側(cè)的管道表面區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場，從而對管道進(jìn)行磁化； 所述傳感模塊(15)包括接線器(17)、插頭(18)和并排固定在所述半圓環(huán)殼體上與管道同軸的多個線圈(16)，其中，每個磁化組件(21)兩側(cè)均對應(yīng)設(shè)置有兩個沿軸向布置的所述線圈(16)，各線圈(16)的中心橫截面與對應(yīng)的磁化組件(21)中的磁鐵(25)軸向端面重合，所述多個線圈通過接線器(17)電連接而組成串聯(lián)的螺線管線圈，用于在對所述傳感線圈通以正弦脈沖電流時可在待檢測管道中產(chǎn)生周向感應(yīng)渦流，所述插頭(18)固定于接線器(17)上，并與插頭(18)出線電連接； 在所述周向感應(yīng)渦流和徑向靜態(tài)磁場的共同作用下，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，該縱向模態(tài)導(dǎo)波沿著管道軸線方向傳播并在遇到缺陷時會發(fā)生反射，反射回波經(jīng)過所述傳感線圈時即可引起傳感線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
10.—種電磁超聲縱向?qū)Рz測裝置，其設(shè)置在管道內(nèi)以用于檢測管道缺陷，其特征在于，該檢測裝置包括同軸依次串接的左定位體(35)、激勵傳感器(36)、中定位體(37)、接收傳感器(38)和右定位體(39)，其中，所述激勵傳感器(36)和接收傳感器(38)分別用于激勵產(chǎn)生縱向模態(tài)導(dǎo)波和接收經(jīng)該縱向模態(tài)導(dǎo)波在管道內(nèi)的反射信號，兩傳感器結(jié)構(gòu)相同，均包括: 由圓筒形殼體(42)、套裝在該圓筒形殼體(42)內(nèi)且間隔布置的多個環(huán)形磁鐵(44)、設(shè)置在各環(huán)形磁鐵(44)之間用于支撐環(huán)形磁鐵(44)的多個支撐機(jī)構(gòu)(43)、以及纏繞在圓筒形殼體(42)外周面的環(huán)槽中以用于激勵或接收縱向模態(tài)導(dǎo)波的多個螺線管線圈(45)，其中，各環(huán)形磁鐵(44)極化方向均與軸向方向平行，從而在管道表面上的所述環(huán)形磁鐵(44)兩側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生徑向靜態(tài)磁場對管道進(jìn)行磁化，每個環(huán)形磁鐵(44)兩側(cè)對應(yīng)設(shè)置兩個同軸套裝的所述螺線管線圈(45)，且各螺線管線圈(45)依次串聯(lián)形成傳感線圈，各螺線管線圈(45)的中心橫截面與對應(yīng)的環(huán)形磁鐵(44)的端面重合； 通過所述激勵傳感器(36)中各傳感線圈通以正弦脈沖電流產(chǎn)生的周向感應(yīng)渦流和各環(huán)形磁鐵(44)產(chǎn)生的徑向靜態(tài)磁場的共同作用，在待檢測管道中產(chǎn)生軸向的交變洛倫茲力，從而激勵出縱向模態(tài)導(dǎo)波，其在所述管道中傳播反射后被所述接收傳感器(38)中的傳感線圈(44)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓信號，通過觀察該感應(yīng)電壓隨時間的變化，即可判斷管道中是否存在缺陷及實現(xiàn)對缺陷的定位和評估。
【文檔編號】G01N29/34GK204008560SQ201420405473
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】武新軍, 孫鵬飛 申請人:華中科技大學(xué)