一种弯曲模态导波传感器

摘要

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。

权利要求

1.一种弯曲模态导波传感器，用于在构件(1)中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其特征在于，包括偶数N个沿构件(1)圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件(1)周向的螺线管线圈(2)，其中：所述偶数N个磁化模块连接成链状，用于在构件(1)中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，所述磁化模块包括永久磁铁(5)、磁铁盒(3)和支撑板(4)，其中，所述磁铁盒(3)固定在支撑板(4)上，所述永久磁铁(5)安装于磁铁盒(3)内，该永久磁铁(5)正下方区域的静态偏置磁场沿构件(1)径向，相邻两个永久磁铁(5)间区域的静态偏置磁场沿构件(1)的圆周方向；

所述螺线管线圈(2)安装于磁化模块正下方，作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈(2)作为接收线圈时，其用于感应磁场变化将构件(1)中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈(2)作为激励线圈时，其用于在构件(1)中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，所述永久磁铁(5)正下方区域中沿构件(1)径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，所述相邻两个永久磁铁(5)间区域中沿构件(1)圆周方向的静态偏置磁场与轴向的交变磁场相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的圆周方向交变磁致伸缩力；在所述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(1)中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件(1)圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N/2阶弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的节点数相同，进而在构件(1)中形成周向阶数n为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。

2.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述弯曲模态导波传感器用于弯曲模态导波激励传感器和/或弯曲模态导波接收传感器，弯曲模态导波激励传感器和弯曲模态导波接收传感器中的磁化模块数目相同。

3.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，一阶弯曲模态导波传感器由两个磁化模块和两个辅助支撑板构成封闭图形，二阶及以上弯曲模态导波传感器由周向阶数两倍的磁化模块构成封闭图形。

4.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述永久磁铁(5)的极化方向沿构件(1)径向，并且相邻磁化模块中永久磁铁(5)的极化方向相反。

5.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述螺线管线圈(2)由漆包线或扁平电缆沿构件(1)周向绕制而成。

6.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述磁铁盒(3)由环氧树脂或尼龙材料制作而成，避免对螺线管线圈(2)造成损伤。

7.如权利要求1所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述支撑板(4)的材料为碳钢或工业纯铁时，构成闭合磁路，为铝合金或者环氧树脂时，构成开放磁路。

8.如权利要求1-7任一项所述的弯曲模态导波传感器，其特征在于，所述构件(1)为铁磁构件或非铁磁构件，当为非铁磁构件时，构件(1)表面用耦合剂(10)粘贴磁致伸缩带(9)，导波振动由磁致伸缩带(9)通过耦合剂(10)传递给构件(1)，在构件中形成弯曲模态导波。

说明书

一种弯曲模态导波传感器

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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[Guided waves by axisymmetric and non-axisymmetric surface loading on hollow cylinders.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 cylinders using 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 in pipe.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 design and experimental verification of the bias magnet configuration of a magnetostrictive sensor for bending wave measurement.Sensors&Actuators A Physical,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

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种弯曲模态导波传感器，其结合构件中弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的分布特征，通过设计合适的静态偏置磁场分布，控制构件中质点振动在圆周方向上的节点数，进而在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波，弥补了传统弯曲模态导波传感器的不足，为弯曲模态导波的进一步研究提供了支持。

[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种弯曲模态导波传感器，用于在构件中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其包括偶数N个沿构件圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件周向的螺线管线圈，其中：

[0007] 所述偶数个磁化模块连接成链状，用于在构件中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，所述磁化模块包括永久磁铁、磁铁盒和支撑板，其中，所述磁铁盒固定在支撑板上，所述永久磁铁安装于磁铁盒内，该永久磁铁正下方区域的静态偏置磁场沿构件径向，相邻两个永久磁铁间区域的静态偏置磁场沿构件的圆周方向；

[0008] 所述螺线管线圈安装于磁化模块正下方，作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈作为接收线圈时，其用于感应磁场变化将构件中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈作为激励线圈时，其用于在构件中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，所述永久磁铁正下方区域中沿构件径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用，在构件中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，所述相邻两个永久磁铁间区域中沿构件圆周方向的静态偏置磁场与轴向的交变磁场相互作用，在构件中产生空间上交替变化的圆周方向交变磁致伸缩力；在所述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，构件中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N2阶弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的节点数相同，进而在构件中形成周向阶数n为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。

[0009] 作为进一步优选的，所述弯曲模态导波传感器用于弯曲模态导波激励传感器和/或弯曲模态导波接收传感器，弯曲模态导波激励传感器和弯曲模态导波接收传感器中的磁化模块数目相同。

[0010] 作为进一步优选的，一阶弯曲模态导波传感器由两个磁化模块和两个辅助支撑板构成封闭图形，二阶及以上弯曲模态导波传感器由周向阶数两倍的磁化模块构成封闭图形。

[0011] 作为进一步优选的，所述永久磁铁的极化方向沿构件径向，并且相邻磁化模块中永久磁铁的极化方向相反。

[0012] 作为进一步优选的，所述螺线管线圈由漆包线或扁平电缆沿构件周向绕制而成。

[0013] 作为进一步优选的，所述磁铁盒由环氧树脂或尼龙材料制作而成，避免对螺线管线圈造成损伤。

[0014] 作为进一步优选的，所述支撑板的材料为碳钢或工业纯铁时，构成闭合磁路，为铝合金或者环氧树脂时，构成开放磁路。

[0015] 作为进一步优选的，所述构件为铁磁构件或非铁磁构件，当为非铁磁构件时，构件表面用耦合剂粘贴磁致伸缩带，导波振动由磁致伸缩带通过耦合剂传递给构件，在构件中形成弯曲模态导波。

[0016] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：本发明提供的弯曲模态导波传感器可以实现在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波，并且通过控制沿构件圆周方向均匀布置的磁化模块的数目控制弯曲模态导波的周向阶数，方法简单，易于控制，对弯曲模态导波的研究和应用具有重要意义；本发明提供的弯曲模态导波传感器主要由永久磁铁、磁铁盒、支撑板和螺线管线圈组成，传感器结构简单，易于制作，成本较低。

附图说明

[0017] 图1为铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构示意图；

[0018] 图2为铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构剖视图；

[0019] 图3为磁化模块结构剖视图；

[0020] 图4为采用N个磁化模块的激励传感器和接收传感器安装示意图；

[0021] 图5为永久磁铁极化方向示意图；

[0022] 图6为1阶弯曲模态导波传感器结构示意图；

[0023] 图7为非铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构示意图；

[0024] 图8为导波质点振动在构件圆周方向上的分布特征示意图；

[0025] 图9为本发明实施例1钢管的BH曲线(磁化曲线)；

[0026] 图10为采用6个磁化模块时传感器中心横截面上实施例1钢管中静态偏置磁场分布图；

[0027] 图11(a)和(b)分别为实施例1钢管的相速度频散曲线和群速度频散曲线；

[0028] 图12为实施例1弯曲模态导波传感器的安装位置示意图；

[0029] 图13为实施例1弯曲模态导波接收传感器获得的检测信号经过Kaiser窗函数带通滤波后的时域波形图；

[0030] 图14为实施例1弯曲模态导波接收传感器获得的检测信号经过短时傅里叶变换后的时频域分析图。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 如图1和2所示，本发明实施例提供的一种弯曲模态导波传感器，用于在构件1中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其包括N(N为偶数)个沿构件1圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件1周向的螺线管线圈2，其中，螺线管线圈2用于电磁信号和振动信号的相互转换，用作激励线圈时，是电磁信号到振动信号的转换，用作接收线圈时，是振动信号到电磁信号的转换，N个磁化模块用于提供静态偏置磁场，以此控制弯曲模态导波的周向阶数。

[0033] 如图1和2所示，偶数个磁化模块连接成链状，用于在构件1中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，具体的，如图3所示，磁化模块包括永久磁铁5、磁铁盒3和支撑板4，其中，磁铁盒3面向螺线管线圈2，其通过螺钉8固定在支撑板4上，永久磁铁5安装于磁铁盒3内，该永久磁铁5正下方区域(即面向螺线管线圈的区域)产生沿构件1径向的静态偏置磁场，相邻两个永久磁铁5间的区域产生沿构件1圆周方向的静态偏置磁场。如图1和2所示，相邻磁化模块通过螺钉7和螺母6连接成链状，且螺钉7和支撑板4之间采取间隙配合，磁化模块由螺钉和螺母连接成链状，方便安装，易于携带。

[0034] 如图1和2所示，螺线管线圈2由漆包线或扁平电缆绕构件1周向而成，并安装于磁化模块的正下方，其可作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈2作为接收线圈时，其用于感应磁场变化，以将构件1中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈2作为激励线圈时，通入交流电后其用于在构件1中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，永久磁铁5正下方区域中沿构件1径向的静态偏置磁场与螺线管线圈在构件圆周方向形成的涡流相互作用，以在构件1中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，相邻两个永久磁铁5间区域中沿构件1圆周方向的静态偏置磁场与螺线管线圈在构件轴向形成的交变磁场相互作用，以在构件1中产生空间上交替变化的圆周方向的交变磁致伸缩力；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1中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件1圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N2阶弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的节点数相同，进而在构件1中形成周向阶数n为磁化模块数目一半的弯曲模态导波，即N＝2n。

[0035] 如图4所示，本发明的弯曲模态导波传感器既可以用作弯曲模态导波激励传感器又可用作弯曲模态导波接收传感器，激励传感器和接收传感器的磁化模块的数目相同，并且在构件1上安装传感器时，保证激励传感器和接收传感器中的各磁化模块沿构件周向一一对应，例如传感器具有四个磁化模块，激励传感器中的四个磁化模块分别安装在构件圆周方向0°、90°、180°、270°位置，则接收传感器的四个磁化模块同样安装在构件圆周方向0°、90°、180°、270°位置。当搭配双工器使用时，可以只使用单个弯曲模态导波传感器同时用作激励传感器和接收传感器。

[0036] 如图5所示，永久磁铁5的极化方向沿构件1径向，并且相邻磁化模块中永久磁铁5的极化方向相反，由此在构件1圆周方向上形成空间上交替变化的静态偏置磁场，如图10中的六个磁化模块的仿真结果所示。

[0037] 如图6所示，一阶弯曲模态导波传感器需要两个磁化模块和两个辅助的支撑板构成封闭图形。二阶及以上弯曲模态导波传感器由周向阶数两倍的磁化模块构成封闭图形。具体的，磁铁盒3由环氧树脂或尼龙等材料制作而成，避免对螺线管线圈2造成损伤。

[0038] 具体的，构件1为铁磁构件或非铁磁构件，当为非铁磁构件时，例如为不锈钢或铝合金时，如图7所示，需要在构件1表面用耦合剂10粘贴磁致伸缩带9，则螺线管线圈2绕在磁致伸缩带9外部，导波振动由磁致伸缩带9通过耦合剂10传递给构件1，在构件1中形成弯曲模态导波。具体的，支撑板4的材料为碳钢或工业纯铁时，构成闭合磁路，为铝合金或者环氧树脂时，构成开放磁路。

[0039] 图8为导波质点振动在构件1圆周方向上的分布特征示意图，n为周向阶数。其中，纵向模态和扭转模态的质点振动是轴对称的，而弯曲模态的质点振动在构件1圆周方向上的节点数等于周向阶数n的两倍。

[0040] 以下为本发明的实施例1：

[0041] 在外径60mm，壁厚2mm，长2240mm的钢管上安装六个磁化模块，构成三阶弯曲模态导波传感器。其中，钢管的材料为20号钢，纵波波速为5173m/s，密度为7850kg/m3，泊松比为0.28，磁特性由图9所示的BH曲线决定；永久磁铁5的牌号为N52，相对磁导率为1.05，剩余磁通密度为1.46T，长30mm，宽10mm，厚10mm，极化方向沿厚度方向；螺线管线圈2由宽度为25mm的20匝扁平电缆制作而成。使用仿真软件例如COMSOL软件仿真得到传感器中心横截面上钢管中的静态偏置磁场分布如图10所示，此时静态偏置磁场在钢管圆周方向上的分布特征与图8中三阶弯曲模态导波质点振动在构件1圆周方向上的分布特征相似，其在圆周方向上的节点数相等，并且等于磁化模块的数目。在空间上交替变化的静态偏置磁场的作用下，钢管中质点振动在圆周方向上的节点数等于静态偏置磁场在圆周方向上的节点数，进而在钢管中激励产生三阶弯曲模态导波。钢管的频散曲线如图11所示，仅计算三阶弯曲模态导波，由图11可知，钢管在低频情况下仅存在F(3,1)弯曲模态导波。传感器的安装位置如图12所示，激励传感器距离钢管左端600mm，接收传感器距离钢管右端640mm，传感器间距1000mm。

[0042] 在激励传感器的螺线管线圈2中通入加汉宁窗调制的四周期25kHz交流激励信号，然后对接收传感器的螺线管线圈2输出的电压信号放大并平均200次，仪器的采样频率设置为5MHz。使用Kaiser窗函数带通滤波后的时域检测信号波形如图13所示，其中，标记P1代表电磁脉冲信号，标记P2代表通过信号，标记P3代表钢管左右端部一次反射回波叠加后的信号，标记P4代表钢管左右端部二次反射回波叠加后的信号。为了进一步分析激励传感器在钢管中激励的导波模态，通过短时傅里叶变换技术获得原始时域检测信号的时频谱，如图14所示。对通过信号P2进行时频域分析，将理论计算得到的F(3,1)弯曲模态导波群速度频散曲线绘制在图14中，如图14中黑色虚线所示。可以看出，实施例的弯曲模态导波传感器在钢管中激励和接收的导波能量主要集中于F(3,1)弯曲模态，证明了本发明所提出的导波传感器能够在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波。

[0043] 本发明结合构件中导波质点振动在圆周方向上的分布特征，通过设计合适的静态偏置磁场分布，控制构件中质点振动在圆周方向上的节点数，进而在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波。该传感器结构简单，易于制作，成本较低，安装方便，弥补了传统弯曲模态导波传感器的不足，为弯曲模态导波的进一步研究提供了支持。

[0044] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。