专利名称：一种用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器的制作方法
技术领域：
—种用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器技术领域[0001]本实用新型属于超声导波无损检测领域，具体涉及利用磁致伸缩效应激励并接收 纵向超声导波，以用于圆钢类的铁磁性圆杆结构如接地圆钢地线、锚杆、拉线棒等的缺陷检 测。
背景技术：
[0002]现今，对于圆钢等铁磁性圆杆结构部件的缺陷检测所采用的仪器多为压电式传感 器，此种传感器在使用时需要将被检对象端面打磨平整、光滑，一般需要专门的夹具将压电 传感器紧定在端面位置，并且检测过程中需要在端面涂抹耦合剂，给实际检测带来很多不 便。[0003]还有采用磁致伸缩传感器，磁致伸缩传感器由于其非接触、无需耦合剂，并且不需 要借助端面进行检测，在圆钢等铁磁性圆杆结构部件的检测中具有广阔的应用前景。[0004]磁致伸缩效应是指铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸会伸长、或缩短，去掉外磁 场后，又恢复原来的长度的现象。对铁磁性材料施加适当的交变磁�。么胖律焖跣в� 以产生超声波。超声波在介质中的不连续交界面上会产生多次往复反射，进而产生复杂的 干涉和几何弥散从而形成超声导波。相反的，铁磁性材料的机械变形会使磁场发生变化，引 起磁场中的线圈产生感应电流,这种现象叫做磁致伸缩逆效应。利用铁磁性材料这种磁力 换能效应可以对圆钢的缺陷位置及缺陷大小进行超声波检测。基于磁致伸缩效应的超声导 波检测方法具有如下优点检测范围大、无需耦合、非接触式检测，且检测精度高，并适应高 温腐蚀等恶劣环境下的在线检测与长期状态监测。此外，低频超声导波传播速度很快，可以 沿圆钢轴向传播数十米甚至上百米。由于传感器的性能直接影响到检测信号的优劣，因此， 国内众多学者对磁致伸缩传感器进行了深入的研究，例如[0005]中国申请号200710119319. 6，申请日2007-07-20，名称为〈〈一种用于钢绞线超声 导波检测的磁致伸缩传感器 >> 的专利，中国申请号200910083735. 4，申请日2009-05-08， 名称为〈〈一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器 >> 的专利，以及中国申请号 201020218119. 3，申请日2010-05-28，名称为〈〈基于一发一收法的用于钢绞线检测的单体 磁致伸缩传感器》的专利。上述专利的磁致伸缩传感器结构差别不大，磁路构成基本相 同，具有成本低、检测时重复性好等优点，但能量转化相率低，此外，装配时鞍片、磁铁、轭铁 等需要单独安装，操作不便，整体性差。而且，上述专利没有考虑闭合磁路数量及磁体数量 对磁致伸缩传感器性能的影响。再者，上述专利的磁致伸缩传感器中的磁体绕圆周吸附于 被测工件钢绞线同一高度处，它们与钢绞线相距较近且它们同极对，当加大磁体的磁力时， 磁体之间会互相干扰，所以上述专利中的磁致伸缩传感器的结构其实对其磁体的磁场强度 有一定的限制，这种限制，致使在将上述专利的磁致伸缩传感器应用于大直径的圆钢时，往 往由于无法提供足够的能量，而无法完成检测。实用新型内容[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以应用于圆钢等铁磁性圆杆结构 部件的缺陷检测、且安装方便整体性好的磁致伸缩传感器。本实用新型是在磁致伸缩传感 器的理论基础上，研制出的一种用于圆钢等铁磁性圆杆结构部件的缺陷检测的纵向超声导 波磁致伸缩传感器，利用磁致伸缩效应，在圆钢中激励并接收单一模态的L模态纵向导波， 利用缺陷回波判断腐蚀位置及腐蚀程度。[0007]为解决上述技术问题所采用的技术方案为一种用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传 感器，包括若干个磁回路组件，所述磁回路组件沿圆钢的轴线方向绕圆周均匀设置，与所述 圆钢构成闭合环状磁路；[0008]还包括线圈，所述线圈套装在所述圆钢上且处于磁回路组件与圆钢之间，每隔一 段距离形成一个分段区，每经过一个分段区线圈绕向改变一次；[0009]其特征在于，所述磁回路组件包括永磁体阵列和两个磁路元件，所述磁路元件呈L 型，两个磁路元件一端相对并通过所述永磁体阵列连为一体，另一端皆与圆钢的外表面垂 直相连，底部为与所述圆钢的外表面相适配的内凹的弧面，所述永磁体阵列由若干块永磁 体构成，且各块磁场方向相同且均平行于所述圆钢的轴线方向。[0010]本实用新型将永磁体置于磁回路组件中部，且磁极方向与圆钢的轴线方向平行， 所以可以采用磁性较强的永磁体阵列。现有技术的磁回路组件的吸附力一般只有3Kg左 右，本实用新型的采用了永磁体阵列的磁回路组件的吸附力可到IOKg左右，增大了磁体的 磁场强度，提高了磁致伸缩传感器的能量转换效率，进而提高了磁致伸缩传感器的检测范 围，使其能适应较大直径的圆钢等铁磁性圆杆结构部件的缺陷检测。[0011]作为本实用新型的具体实施例，所述磁路元件为由20号钢或其他低碳钢材料加 工而成。[0012]本实用新型的磁回路组件可选为2 4个，较佳实施方式为4个，增加磁回路组件的 数量从而增加了闭合磁路数量，有利于进一步提高磁致伸缩传感器的能量转换效率。[0013]作为本实用新型的优选实施方式，所述永磁体阵列由2 4块永磁体构成。试验证 明，适当增加永磁体数量，有利于改善磁致伸缩传感器的能量转换效率，但当永磁体数量达 到一定程度，继续增加时，呈现饱和状态。所述永磁体采用钕铁硼永磁体。[0014]本实用新型可以采用一层线圈或两层以上的线圈，线圈为两层以上时，同一分段 区内各层线圈绕向相同。本实用新型由于能量转化效率较高，可以采用单层线圈自激励自 接收，当然也可以选择两层以上的线圈结构，当线圈为两层以上时，可以分开激励线圈和接 收线圈。所述线圈采用PCB柔性线圈或手工绕制线圈。[0015]所述磁致伸缩传感器还包括由电磁屏蔽的金属材料制成的连接套筒，所述连接套 筒套装在所述磁回路组件上，两端分别与处于磁回路组件两侧的磁路元件固定连接，磁回 路组件的永磁体阵列被包裹在所述连接套筒内部，所述磁路元件与圆钢连接的一端从所述 连接套筒内穿出。所述连接连接套筒为铜合金。采用电磁屏蔽的金属材料制成连接套筒包 裹住永磁体阵列和磁路元件，减少线圈磁场与与磁回路组件内部磁场的干扰。[0016]原理说明本实用新型使用时，通过磁回路组件直接吸附于圆钢等铁磁性圆杆结 构部件上，线圈与外界超声激励接收仪如超声卡相连，超声激励接收仪激励周期的脉冲信 号，磁致伸缩传感器将此电脉冲转化成超声导波，导波在圆钢中传播，遇缺陷或端面时出现 反射回波，磁致伸缩传感器的线圈接收到超声导波后将其转换成电脉冲，并进一步输出到超声卡上的接收�？楹湍Ｊ荒？椋瞬�、信号放大后通过数据线传输给工控机，在 LabVIEW程序下进行波形显示及数据存储，通过回波的时间及幅值确定端面位置或缺陷大 小、位置。[0017]本实用新型的使用效果为本实用新型的磁致伸缩传感器采用磁极方向平行于圆 钢轴线、磁性较强的永磁体阵列，有利于提高磁致伸缩传感器的能量转换效率，扩大磁致伸 缩传感器的检测范围，本实用新型的磁致伸缩传感器与圆钢接触无需耦合剂，磁回路组件 直接吸附于圆钢上，安装方便整体性好，理论和实验表明，该磁致伸缩传感器能够对圆钢类 的铁磁性圆杆进行缺陷检测，且检测过程简单、高效，适应工程现场检测的要求；另外，本实 用新型采用多闭合磁路，能进一步提高磁致伸缩传感器的能量转换效率。
[0018]图1是本实用新型较佳实施例的磁致伸缩传感器的产品组装示意图；[0019]图2是本实用新型较佳实施例的磁回路组件的分解示意图；[0020]图3是本实用新型较佳实施例的磁致伸缩传感器检测圆钢缺陷时的连接示意图；[0021]图4是直径22mm的圆钢的频散曲线图；[0022]图5是磁致伸缩传感器检测2m长带腐蚀缺陷的圆钢所接收到的波形图；[0023]图中1、磁路元件，2、连接套筒，3、螺钉，4、永磁体阵列，5、线圈，6、圆钢，7、磁致 伸缩传感器，8、阻抗匹配，9、超声激励接收仪，10、工控机，A代表左端面，B代表缺陷位置，C 代表右端面。
具体实施方式
[0024]如图1，图2，本实用新型的磁致伸缩传感器，包括4个磁回路组件和一个自激励自 接收的单层线圈5，磁回路组件沿圆钢6的轴线方向绕圆周均匀设置，与圆钢6构成闭合环 状磁路，线圈5套装在圆钢6上且处于磁回路组件与圆钢6之间，线圈5总长度为激励导波 波长的1. 5倍，每经历O. 5个波长线圈绕向改变一次，采用手工绕制而成。[0025]每个磁回路组件包括永磁体阵列4、两个磁路元件I和一个连接套筒2，磁路元件 I呈L型，两个磁路元件I 一端相对并通过永磁体阵列4连为一体，另一端皆与圆钢6的外 表面垂直相连，底部为与圆钢6的外表面相适配的内凹的弧面,永磁体阵列4由两块方形的 永磁体构成，各块永磁体的磁场方向相同且均平行于圆钢6的轴线方向。本实施例的磁路 元件I由20号钢加工而成，永磁体采用钕铁硼永磁体，表面磁场达4500高斯。[0026]连接套筒2由铜合金(黄铜，铜含量>68%)制成，连接套筒2套装在磁回路组件上， 磁回路组件的永磁体阵列4被包裹在连接套筒2内部，连接套筒2两端设有开孔，磁回路组 件两侧的磁路元件I的相应处都设有螺孔，螺钉3穿过所述连接套筒2上开孔与磁路元件I 上螺孔连接，通过所述连接套筒2将两侧的磁路元件I和中部的永磁体阵列4固定起来连 为一体，磁路元件I与圆钢6连接的一端从连接套筒2内穿出。本实用新型采用连接套筒 2包裹住永磁体阵列4和磁路元件1，有利于减少线圈5的磁场与磁回路组件内部磁场的干 扰。图1、2中的连接套筒2可进一步加长，以便更好的包裹磁回路组件。[0027]图3为利用本实用新型检测圆钢缺陷时的连接示意图，为了实现更好的信噪比， 给磁致伸缩传感器7外加了阻抗匹配8，本实施例选择给线圈5并联3 nF的阻抗匹配电容。[0028]如图3所示，磁致伸缩传感器7安装在圆钢6的左端头，并依次与阻抗匹配8、超声 激励接收仪9 (本实用新型采超声卡USB-UT350)、工控机10串联。[0029]本实施例检测对象采用直径22mm、2m长的的圆钢，密度为7. 9g/cm3，泊松比为 O. 31。人工腐蚀缺陷B (采用王水腐蚀，断面缺失率约为5%)距离圆钢左端头O. 5m处。[0030]图4给出了直径22mm圆钢频散曲线。本磁致伸缩传感器工作频率在(TO. 3MHz低 频范围内，可激励单一 L模态纵向模态导波(由于传感器对称设计及偏置磁场的模态选择 特性，F模态导波在激励时被抑制)。综合考虑传感器结构、导波的频散特性以及群速度曲 线上群速度极大值对应着导波传播衰减极小值的特性，对应于直径22_圆钢，传感器频率 选择以50kHz的L (O, I)纵向导波模态以及235kHz的L (0,2)纵向导波模态为宜。检测 其他圆钢、锚杆等结构可根据此实例对传感器参数做相应调整。[0031]如下实施例的线圈5中心频率为235 kHz，在此频率下导波在22mm圆钢中理论波 速为4440m/s,设计线圈总长度为30mm,每经历IOmm线圈绕向改变一次,线圈采用的为直径 O. 16mm的漆包线。[0032]由超声激励接收仪9产生一个周期在f 32范围内可调，中心频率在(T300kHz范 围内可调的脉冲信号，在此范围内改变频率，使磁致伸缩传感器7产生激励信号能量处于 最大值，对应此时的频率为235kHz，则选取为工作频率。脉冲信号的强度和增益等都会对 超声导波产生影响。在实例中，由超声激励接收仪9产生激励电压250V，增益70dB，频率为 235kHz的20个周期的脉冲信号，经阻抗匹配8后，磁致伸缩传感器7将此脉冲信号转化成 纵向模态超声导波，导波在圆钢中传播，遇缺陷或端面时出现反射回波，再次通过阻抗匹配 8，由传感器接收到超声导波后将其转换成电脉冲，经滤波、信号放大后通过数据线传输给 工控机10，在其编制好的LabVIEW程序下进行波形显示及数据存储。[0033]通过分析接收信号中的反射回波到达接收点的时间，确定圆钢6中腐蚀缺陷位 置，设定左端面位置为A，缺陷位置为B，右端面位置为C。图5中分辨出第一次回波为腐 蚀缺陷回波，经历路程A-B-A，波峰时间位置O. 232ms (本次实验条件下以各波包峰值时间 作为信号起始及到达时间位置，由于波形图中零点为射频信号起发点，并非峰值时间，实 际计算时，取射频信号延后约O. 03ms作为实际起始零点位置，上述波峰时间已经过修正， 下同)，第二次回波为圆钢右端面回波，经历路程A-C-A，波峰时间位置O. 944ms，第三次回 波为缺陷经左端面反射后的二次回波，经历路程A-B-A-C-A，波峰时间位置1. 177ms，第四 次回波为缺陷经右端面反射后的二次回波，经历路程A-C-B-C-A，波峰时间位置1.640ms， 第五次回波为经右端面的二次回波，经历路程A-C-A-C-A，波峰时间位置1.884ms。由第 五次右端面二次回波(波峰明显，便于分辨)及第二次右端面回波时间差2. 218ms，及所 对应路程差4000mm，可算出此次实验实际波速为4255m/s，为L (0,2)纵向模态导波，与 理论波速(4440m/s)相对误差为4.2%。由实际波速及第一次回波时间反推缺陷位置， (O. 232msX4255m/s)/2,测得缺陷距离左端面494mm，与实际距离500mm相对误差仅为 1.2%。同理，也可通过第三次回波时间验证缺陷位置——距离左端面508mm，与实际距离 500_相对误差仅为1.6%。利用导波反射回波衰减强弱，根据缺陷波包的幅值还能分辨缺 陷大小。[0034]通过实验验证，该超声导波磁致伸缩传感器可以快速高效的对圆钢缺陷进行检 测，并且该传感器成本低，稳定性好而且可以重复使用，测量结果准确度高，可重复性好，检测过程方便快捷，适应实际工程现场检测的要求。
权利要求1.一种用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，包括若干个磁回路组件，所述磁回路组件沿圆钢的轴线方向绕圆周均匀设置，与所述圆钢构成闭合环状磁路；还包括线圈，所述线圈套装在所述圆钢上且处于磁回路组件与圆钢等铁磁性圆杆结构部之间，每隔一段距离形成一个分段区，每经过一个分段区线圈绕向改变一次；其特征在于，所述磁回路组件包括永磁体阵列和两个磁路元件，所述磁路元件呈L型，两个磁路元件一端相对并通过所述永磁体阵列连为一体，另一端皆与圆钢的外表面垂直相连，底部为与所述圆钢的外表面相适配的内凹的弧面，所述永磁体阵列由若干块永磁体构成，且各块磁场方向相同且均平行于所述圆钢的轴线方向。
2.根据权利要求1所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述磁回路组件为2 4个。
3.根据权利要求2所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述磁回路组件为4个。
4.根据权利要求1所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述永磁体阵列由2 4块永磁体构成。
5.根据权利要求4所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
6.根据权利要求1所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述线圈为一层或两层以上，线圈为两层以上时，同一分段区内各层线圈绕向相同。
7.根据权利要求6所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，线圈采用PCB柔性线圈或手工绕制线圈。
8.根据权利要求Γ7任一项所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩传感器还包括由电磁屏蔽的金属材料制成的连接套筒，所述连接套筒套装在所述磁回路组件上，两端分别与处于磁回路组件两侧的磁路元件固定连接，磁回路组件的永磁体阵列被包裹在所述连接套筒内部，所述磁路元件与圆钢连接的一端从所述连接套筒内穿出。
9.根据权利要求8所述的用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，其特征在于，所述连接套筒为铜合金的筒体。
专利摘要一种用于圆钢缺陷检测的磁致伸缩传感器，包括若干个磁回路组件，所述磁回路组件沿圆钢的轴线方向绕圆周均匀设置，与所述圆钢构成闭合环状磁路；还包括线圈，所述线圈套装在所述圆钢上且处于磁回路组件与圆钢等铁磁性圆杆结构部之间；所述磁回路组件包括永磁体阵列和两个磁路元件，所述磁路元件呈L型，两个磁路元件一端相对并通过所述永磁体阵列连为一体，另一端皆与圆钢的外表面垂直相连，底部为与所述圆钢的外表面相适配的内凹的弧面，所述永磁体阵列4由若干块永磁体构成，且各块磁场方向相同且均平行于所述圆钢的轴线方向。本实用新型可以应用于圆钢等铁磁性圆杆结构部件的缺陷检测、且安装方便整体性好。
文档编号G01N29/07GK202854097SQ20122043637
公开日2013年4月3日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者马庆增, 焦敬品, 张春雷, 刘伟, 肖凯, 何存富 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 北京工业大学
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