一種可調節磁致伸縮導波傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種可調節磁致伸縮導波傳感器，包括四個磁回路和柔性印刷感應線圈，四個磁回路均布于受熱面管圓周方向上，與受熱面管構成閉合環狀磁路，柔性印刷感應線圈至少一次纏繞于受熱面管上；其中，每一磁回路包括軛鐵、永磁鐵和鞍鐵，永磁鐵設置于鞍鐵上方，軛鐵設置于永磁鐵上方，鞍鐵為拱形結構，其與永磁鐵接觸的表面的長度分別為永磁鐵的寬度和軛鐵的寬度的二倍；柔性印刷感應線圈的寬度為激勵頻率下激勵縱向L（0，2）模態波長的一半，可在沿受熱面管軸線方向上的磁回路內調節。通過改變柔性印刷感應線圈沿受熱面管磁回路內的位置，可以接收激勵信號能量較高及波包結構相對簡單反射回波信號，判別適合該受熱面管的傳感器結構位置關系，使得傳感器能夠對該受熱面管進行非接觸長距離檢測，檢測信號簡單明了、便于分析。
【專利說明】一種可調節磁致伸縮導波傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力檢測領域，尤其涉及對電站的受熱面管的檢測領域，具體的講是一種對受熱面管進行檢測的可調節磁致伸縮導波傳感器。
【背景技術】
[0002]電站需要使用大量的受熱面管，這些管道工作于高溫、高壓狀態下，容易出現各種裂紋缺陷，由其導致的爆管，嚴重影響管道的安全運行。對受熱面管的檢測主要采用逐點掃查的方法，如電磁法、常規超聲法和射線檢測法等，這些方法對受熱面管的表面狀況要求高，需要打磨特別處理，導致檢測效率低，耗時費力，難以進行大批量的檢查。同時受熱面管空間分布緊湊，長度長，管道很多部位難以接近而無法進行檢測，采用普通檢驗方法難以全面有效檢查。因此需要設計一種用于受熱面管檢測的傳感器，來滿足受熱面管檢測的工程要求。
[0003]超聲導波技術是一種新興的無損檢測新技術，其具有檢測快速、高效的特點。縱向導波是管道中常被激勵的導波模態。劉增華等在機械工程學報發表的《基于磁致伸縮效應在鋼絞線中激勵接收縱向導波模態的試驗研究》中設計并研制了適應于鋼絞線磁致伸縮傳感器，傳感器使用了三個磁路對鋼絞線提供偏置磁場，由套筒式螺線管線圈在鋼絞線上產生交變磁場，偏置磁場和交變磁場的共同作用下，激勵出了縱向導波。吳斌等發明的一種頻率可調節的縱向模態磁致伸縮傳感器，可對鋼桿、鋼索等波導結構進行缺陷檢測。在鋼桿、鋼索等波導結構上的交變磁場是由傳感器中的三段式的柔性印刷感應線圈提供的，解決了在現場應用時不存在端面的難題。
實用新型內容
[0004]現有的上述傳感器設計思路對在管、桿和類管結構上激勵縱向導波是有效的。利用材料的磁致伸縮效應激勵縱向導波，是偏置磁場和交變磁場共同作用的結果，而磁致伸縮傳感器的能量轉換效率主要由偏置磁場強度決定。由永磁鐵構建的磁路內在沿軸線方向的圓柱形波導上偏置磁場強度變化是均勻的，而現有的傳統的磁致伸縮傳感器都是將套筒式螺線管線圈或者三段式柔性印刷感應線圈布滿整個磁路內，忽略了沿軸向方向上偏置磁場強度變化的影響。在現場對受熱面管進行檢測時，不能將套筒式螺線管線圈套入受熱面管，需要使用柔性印刷感應線圈替代；再加上受熱面管所處的工況的復雜條件，為使磁致伸縮傳感器有相對較高的能量轉換效率，且比較簡易，需要設計一種用于受熱面管檢測，具有調節功能的磁致伸縮縱向導波傳感器。
[0005]為了達到上述目的，本實用新型實施例提供一種可調節磁致伸縮導波傳感器，包括四個磁回路和柔性印刷感應線圈，所述四個磁回路均布于受熱面管圓周方向上，與所述受熱面管構成閉合環狀磁路，所述柔性印刷感應線圈至少一次纏繞于所述受熱面管上；其中，每一磁回路包括軛鐵、永磁鐵和鞍鐵，所述永磁鐵設置于所述鞍鐵上方，所述軛鐵設置于所述永磁鐵上方，所述鞍鐵為拱形結構，其與所述永磁鐵接觸的表面的長度分別為所述永磁鐵的寬度和所述軛鐵的寬度的二倍；所述柔性印刷感應線圈的寬度為激勵頻率下激勵縱向L (0，2)模態波長的一半，可在沿所述受熱面管軸線方向上的磁回路內調節。
[0006]進一步地,在一實施例中,所述四個磁回路用于產生均勻變化的偏置磁場，每一磁回路包括一塊軛鐵、兩塊永磁鐵以及兩塊鞍鐵，所述兩塊永磁鐵對應設置在所述兩塊鞍鐵上方，所述軛鐵對應設置在所述兩塊永磁鐵上方，并與所述兩塊永磁鐵的外側一端對齊。
[0007]進一步地,在一實施例中，所述軛鐵的長為130mm,寬為20mm,厚度為IOmm ;所述永磁鐵的長為20mm,寬為20mm,厚度為IOmm ;所述鞍鐵的與所述永磁鐵接觸的表面的長為40mm,寬為 20mm。
[0008]進一步地，在一實施例中，所述柔性印刷感應線圈通過兩端的連接器設置在所述受熱面管上。
[0009]本實用新型實施例的可調節磁致伸縮導波傳感器使用四個磁回路，在受熱管周向截面上形成的偏置磁場更加均勻，對于激勵軸對稱縱向L(0，2)導波模態非常有利。通過改變柔性印刷感應線圈沿受熱面管磁回路內的位置，可以接收激勵信號能量較高及波包結構相對簡單反射回波信號，以便信號分析及缺陷的定位，從而判別適合該受熱面管的傳感器結構位置關系，使得傳感器能夠對該受熱面管進行非接觸長距離檢測，檢測信號簡單明了、便于分析，進而降低檢測成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0011]圖1為本實用新型實施例的可調節磁致伸縮導波傳感器的結構示意圖；
[0012]圖2為利用本實用新型的可調節磁致伸縮傳感器進行受熱面管缺陷檢測的檢測系統的實施例的結構示意圖；
[0013]圖3為042x5x1000 (單位:mm)的受熱面管的縱波模態的頻散曲線；
[0014]圖4 (a)、圖4 (b)、圖4 (C)分別為磁致伸縮導波傳感器的柔性印刷感應線圈在不同位置時反射回波信號波形圖。
【具體實施方式】
[0015]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0016]圖1為本實用新型實施例的可調節磁致伸縮導波傳感器的結構示意圖。如圖所示，本實施例的可調節磁致伸縮導波傳感器包括四個磁回路和柔性印刷感應線圈B。所述四個磁回路均布于受熱面管A的圓周方向上，與所述受熱面管A構成閉合環狀磁路，所述柔性印刷感應線圈至少一次纏繞于所述受熱面管A上。
[0017]其中，每一磁回路包括軛鐵C、永磁鐵D和鞍鐵E，所述永磁鐵D設置于所述鞍鐵E上方，所述軛鐵C設置于所述永磁鐵D上方，所述鞍鐵E為拱形結構，其與所述永磁鐵D接觸的表面的長度分別為所述永磁鐵D的寬度和所述軛鐵C的寬度的二倍；所述柔性印刷感應線圈B的寬度為激勵頻率下激勵縱向L (O，2)模態波長的一半，可在沿所述受熱面管B軸線方向上的磁回路內調節。
[0018]如圖1所不，在本實施例中，所述四個磁回路用于產生均勻變化的偏置磁場,每一磁回路包括一塊軛鐵、兩塊永磁鐵以及兩塊鞍鐵，所述兩塊永磁鐵對應設置在所述兩塊鞍鐵上方，所述軛鐵對應設置在所述兩塊永磁鐵上方，并與所述兩塊永磁鐵的外側一端對齊。
[0019]在本實施例中，由于用導波檢測缺陷時，檢測信號屬于微弱信號，所以在傳感器的接收端要減少外部電源、電磁場引入帶來的干擾。因此在選擇何種方式加載偏置磁場時，考慮到線圈產生的磁場信號干擾大，信噪比低，所以本實用新型選擇用永磁體方式來提供偏置磁場。用永磁體產生的偏置磁場，不僅穩定，產生的純凈噪聲小，而且磁路簡單。
[0020]在本實施例中，所述柔性印刷感應線圈通過兩端的連接器設置在所述受熱面管上，以避免檢測時沒有端面的情況。
[0021]圖2為利用本實用新型的可調節磁致伸縮傳感器進行受熱面管缺陷檢測的檢測系統的實施例的結構示意圖。如圖2所示，該檢測系統包括如圖1所示的可調節磁致伸縮傳感器、阻抗匹配網絡F，USB-UT350超聲脈沖激勵卡G以及工控機H。
[0022]其中，可調節磁致伸縮傳感器與阻抗匹配網絡F相連接，阻抗匹配網絡F與USB-UT350超聲脈沖激勵卡G相連接，USB-UT350超聲脈沖激勵卡G與工控機H相連接。
[0023]在本實施例中，針對受熱面管的缺陷檢測，采用激勵縱向L(0，2)模態磁致伸縮傳感器，其結構與圖1中的相同。在本實施例中，所述受熱面管A的規格為042x5x1000 (單位:mm)的受熱面管，其材質為12CrlMoV，密度為7.85g/cm3，泊松比為2.7。圖3中給出了上述參數下受熱面管A的縱向模態的頻散曲線。
[0024]在本實用新型中，根據頻散曲線，如果選定了頻率點及相應模態，就可以根據波速和頻率的關系，計算激勵此模態的波長，而感應線圈的寬度正是由波長決定的。由圖3可以看出，所述柔性印刷感應線圈B的感應線圈的寬度激勵為L(0，2)縱向模態波長的一半，激勵頻率選擇130kHz，此處的L(0，2)模態頻散較小，速度大于L(0，I)模態，有利于信號分析。所對應的感應線圈長270_，寬20_，可纏繞受熱面管兩周，通過安裝在線圈兩端的連接器進行連接。
[0025]因此，本實施例中，所述四個磁回路中的組件，軛鐵C為長130mm，寬為20mm，厚度為IOmm,永磁鐵D為長為20mm,寬為20mm,厚度為IOmm,鞍鐵E為拱形結構,其與永磁鐵接觸的表面長為40mm,寬為20mm。
[0026]如圖2所示，可調節磁致伸縮傳感器與阻抗匹配網絡F相連接，阻抗匹配網絡F與USB-UT350超聲脈沖激勵卡G相連接，USB-UT350超聲脈沖激勵卡G與工控機H相連接，將可調節磁致伸縮傳感器安裝于受熱面管A的左面端頭。各距受熱面管A兩端200mm處有一個周向缺陷，左端周向缺陷深度為1.5mm,右端周向缺陷深度為2mm。
[0027]所述阻抗匹配網絡F為RITEC公司進行阻抗匹配的元器件，由于激勵電路中同時存在電阻和電抗部分，需要外加電感或電容來調節傳感器的輸入阻抗，使得電路中的電抗成分盡量小，以減少激勵信號傳輸中的無功分量，該傳感器在工作時，匹配的電容大小為8.3nF0[0028]所述USB-UT350超聲脈沖激勵卡G是將超聲波脈沖發射接收和高速模數轉換都集成在一張卡上，并采用USB接口與工控機Η連接。USB-UT350超聲脈沖激勵卡G產生一個激勵脈沖，本實施例的可調節磁致伸縮傳感器將電脈沖轉換成超聲波脈沖，就可以進入受熱面管Α中。同時可調節磁致伸縮傳感器也會接收來自在受熱面管中經過反射的超聲波脈沖，并將其轉換為電脈沖輸入到接收模塊和模數轉換模塊。在這個過程中，通過在所述工控機Η上的LabVIEW程序對其參數進行調整，包括:脈沖電壓，脈沖寬度，脈沖回波，脈沖的激勵方式，接收增益，整流值，采樣值，觸發方式，觸發延遲等。
[0029]激勵信號通過阻抗匹配網絡F，在帶缺陷的受熱面管內產生縱向L(0，2)模態；L(0, 2)模態在受熱面管A中傳播，經受熱面管中缺陷和端部反射后，由可調節磁致伸縮傳感器接收，在工控機Η上的LabVIEW程序顯示。
[0030]通過調節柔性印刷感應線圈B位置，如圖2所示，柔性印刷感應線圈B距左端面的距離d,在20mm-90mm范圍內，以步長為5mm,讀取反射回波信號的波形圖。通過比較各個反射回波信號中第一次端面回波的峰峰值及波包結構，選取峰峰值大，波包結構簡單的信號時柔性印刷感應線圈B的位置，作為該受熱面管A檢測時所使用的傳感器結構。如圖4(a)，圖4(b),圖4(c)所示，分別對應了 d=30mm、d=45mm、d=60mm處的接收到的反射回波信號進行分析。圖4(a)和圖4(b)第一次端面回波的峰值電壓相比較，圖4(a)為51.54mv,圖4(b)為63.49mv，而且圖4(a)中兩次端面回波間除了存在缺陷回波外，還存在方塊圈出的波包，由此看出柔性印刷感應線圈B處在d=45mm時相對于d=30mm時，能量轉換效率高，信號分析簡單。而圖4(c)中當d=60mm時，端面波包與激勵信號的波包結構相差較大，缺陷難定位，不利于工程應用檢測。通過比較在20mm-90mm范圍內的反射回波信號，從而確定當柔性印刷感應線圈B在距端面45mm處時，適于對該受熱面管A進行檢測。圖4(b)中，兩次端面回波峰值所對應的時間為0.366ms，傳播路程為2000mm，計算其傳播速度為5469m/s。通過讀取信號波形中兩次缺陷回波的峰值時間，分別為0.445ms和0.666ms，計算其傳播距離為 5469 X (0.445-0.366)=432mm，和 5469 X (0.666-0.366) =1641mm 與實際第一次缺陷回波400mm和第二次缺陷回波1600_，相差不大，說明可以實現對受熱面管A上兩個周向缺陷進行定位。
[0031]通過上述檢測實驗，本實用新型實施例的可調節磁致伸縮傳感器可以調節接收到的導波信號，使得接收到的反射回波信號能量轉換效率高，波包清晰，對信號分析十分有利。通過分析調節后的磁致伸縮傳感器對受熱面管的反射回波信號，可以實現對缺陷的定位。而且傳感器安裝方便，對受熱面管表面狀況要求不高，檢測過程方便快捷，能夠適應實際工程現場檢測要求。
[0032]本實用新型實施例的可調節磁致伸縮導波傳感器使用四個磁回路，在受熱管周向截面上形成的偏置磁場更加均勻，對于激勵軸對稱縱向L(0，2)導波模態非常有利。通過改變柔性印刷感應線圈沿受熱面管磁回路內的位置，可以接收激勵信號能量較高及波包結構相對簡單反射回波信號，以便信號分析及缺陷的定位，從而判別適合該受熱面管的傳感器結構位置關系，使得傳感器能夠對該受熱面管進行非接觸長距離檢測，檢測信號簡單明了、便于分析，進而降低檢測成本。
[0033]本實用新型中應用了具體實施例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
【權利要求】
1.一種可調節磁致伸縮導波傳感器，其特征在于，所述可調節磁致伸縮導波傳感器包括四個磁回路和柔性印刷感應線圈，所述四個磁回路均布于受熱面管圓周方向上，與所述受熱面管構成閉合環狀磁路，所述柔性印刷感應線圈至少一次纏繞于所述受熱面管上； 其中，每一磁回路包括軛鐵、永磁鐵和鞍鐵，所述永磁鐵設置于所述鞍鐵上方，所述軛鐵設置于所述永磁鐵上方，所述鞍鐵為拱形結構，其與所述永磁鐵接觸的表面的長度分別為所述永磁鐵的寬度和所述軛鐵的寬度的二倍； 所述柔性印刷感應線圈的寬度為激勵頻率下激勵縱向L (0，2)模態波長的一半，可在沿所述受熱面管軸線方向上的磁回路內調節。
2.根據權利要求1所述的可調節磁致伸縮導波傳感器，其特征在于，所述四個磁回路用于產生均勻變化的偏置磁場，每一磁回路包括一塊軛鐵、兩塊永磁鐵以及兩塊鞍鐵，所述兩塊永磁鐵對應設置在所述兩塊鞍鐵上方，所述軛鐵對應設置在所述兩塊永磁鐵上方，并與所述兩塊永磁鐵的外側一端對齊。
3.根據權利要求2所述的可調節磁致伸縮導波傳感器，其特征在于， 所述軛鐵的長為130mm,寬為20mm,厚度為IOmm ； 所述永磁鐵的長為20mm,寬為20mm,厚度為IOmm ； 所述鞍鐵的與所述永磁鐵接觸的表面的長為40mm,寬為20mm。
4.根據權利要求2所述的可調節磁致伸縮導波傳感器，其特征在于，所述柔性印刷感應線圈通過兩端的連接器設置在所述受熱面管上。
【文檔編號】G01N29/24GK203535018SQ201320646172
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】蘇德瑞, 劉建屏, 馬延會, 焦敬品, 尹建鋒 申請人:國家電網公司, 華北電力科學研究院有限責任公司, 北京工業大學