高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法
阅读说明：本技术 高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法 (Magnetostrictive patch type sensor for efficiently exciting spiral circumferential lamb waves and working method thereof ) 是由 方舟 黄宴委 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法,实现利用螺旋传播的周向兰姆波,对管道中的轴向缺陷进行轴向定位,同时能够评估管道中缺陷的轴向范围。为实现管道中轴向缺陷的定位以及缺陷周向范围的评估,本发明利用对轴向缺陷敏感的周向兰姆波沿着管道的轴向螺旋传播,根据信号中的缺陷反射信号来判断缺陷轴向位置,以及总结带有缺陷反射的信号数量来评估缺陷的轴向长度,采取理论模型与实验对比的方式来实现。另外,该方法支持自激励自接收的测量模式,能够适应工程测量中只有一端管道能够装载传感器的情况。(The invention provides a magnetostrictive patch type sensor for efficiently exciting spiral circumferential lamb waves and a working method thereof, which are used for axially positioning axial defects in a pipeline by using the spirally transmitted circumferential lamb waves and can evaluate the axial range of the defects in the pipeline. In order to realize the positioning of the axial defects in the pipeline and the evaluation of the circumferential range of the defects, the invention utilizes circumferential lamb waves sensitive to the axial defects to be spirally transmitted along the axial direction of the pipeline, judges the axial positions of the defects according to defect reflection signals in the signals, summarizes the number of the signals with the defect reflection to evaluate the axial length of the defects, and adopts a mode of comparing a theoretical model with an experiment. In addition, the method supports a self-excitation and self-receiving measurement mode, and can adapt to the condition that only one end of a pipeline can be loaded with a sensor in engineering measurement.)
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，可用于管道中轴向缺陷的定位，以及管道中缺陷的轴向范围的评估，尤其涉及一种高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法。
背景技术
管道不仅可以完成对石油、天然气、成品油、化工产品和水等液态物资的运输，还可以运送如煤炭、面粉、水泥等固体物质。目前全世界在用管道总长度达350万公里，其中旧管道数量占一半以上，如何评价这些管道的状况，保证既安全又经济地运行，是管道完整性评价技术解决的主要问题。与其他运输方式相比，管道运输泄漏造成的年事故率较少，但管道事故却可能是灾难性的。对可能使管道失效的主要威胁因素进行检测，据此对管道的适应性进行评估的过程称为管道完整性管理。世界各国管道公司均形成了自己的完整性管理体系。检测是管道完整性管理的重要环节，检测技术的水平如何，直接决定着完整性评价的准确度。
超声导波由于其高效、长距离的优势，已经广泛应用于管道检测中。传统管道中的超声导波分为轴向超声导波模态和周向超声导波模态两种。这两类超声导波模态由于其传播方向不同，因此对管道中不同类型的缺陷敏感。轴向超声导波模态长于检测周向缺陷，周向超声导波模态适合检测轴向缺陷。然而周向模态无法实现管道轴向范围的缺陷扫查。另外，对于管道中缺陷的轴向范围，也鲜有方法能够评估。因此亟需一种快速扫查管道轴向范围缺陷的方法，能够检测出管道中轴向缺陷的轴向位置，同时能够评估缺陷的轴向范围的无损检测方法。还没有能快速检测出管道中轴向缺陷的轴向位置，以及评估缺陷的轴向范围的无损检测方法。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法，实现利用螺旋传播的周向兰姆波，对管道中的轴向缺陷进行轴向定位，同时能够评估管道中缺陷的轴向范围。为实现管道中轴向缺陷的定位以及缺陷周向范围的评估，本发明利用对轴向缺陷敏感的周向兰姆波沿着管道的轴向螺旋传播，根据信号中的缺陷反射信号来判断缺陷轴向位置，以及总结带有缺陷反射的信号数量来评估缺陷的轴向长度，采取理论模型与实验对比的方式来实现。另外，该方法支持自激励自接收的测量模式，能够适应工程测量中只有一端管道能够装载传感器的情况。
其可以利用自激励自接收模式快速地对管道进行基于螺旋传播的周向兰姆波的轴向缺陷检测。另外，还可以通过接收管道各周向位置的周向兰姆波，利用观察到的缺陷波包的数量、螺旋传播的周向兰姆波的螺距与缺陷轴向范围的关系评估管道中缺陷的轴向位置。本发明可以用于解决管道中传统超声导波难以检测到的轴向缺陷，以及传统超声导波难以评估的缺陷轴向范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：1）将磁致伸缩材料粘贴在管道上；2）将高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上；3）采用自激励自接收模式，通过高效激励螺旋传播周向兰姆波柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；4）观察缺陷反射信号，利用螺旋传播的周向兰姆波的轴向传播速度、缺陷反射信号对应的时间和缺陷的轴向位置的关系。计算出轴向缺陷的轴向位置。当需要评估缺陷的轴向范围时，还需增加两个步骤：5）改变高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈在管道上的周向位置，重复步骤3）、4）需要采集管道整个周向的信号，总采集信号数量N依情况而定；6）总结包含缺陷信号的数量M。包含缺陷信号的数量M与总采集信号数量N的比乘以螺旋传播周向兰姆波的螺距π ∙ D ∙ tanθ就是缺陷的轴向长度。
本发明具体采用以下技术方案：
一种高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器，其特征在于，包括：用于激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈和磁致伸缩材料；所述磁致伸缩材料用于粘贴在管道上，柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上。
进一步地，所述柔性印刷线圈分为两层，线圈第一层的电路包含多组两段串联而成的跑马场线圈；第二层的电路为连接相邻的两组跑马场线圈的导线；每段跑马场线圈的终端都有一个通孔，用于连接第一层电路与第二层电路。
进一步地，磁致伸缩材料的铁含量为48.94%，钴含量为48.75%，碳含量为0.01%，硅含量0.05%，铌含量0.30%，锰含量0.05%，钒材料含量1.90%。
进一步地，所述柔性印刷线圈和磁致伸缩材料的沿待测管道轴向的长度为50mm，沿待测管道周向的长度根据待测管道的直径确定；每段跑马场线圈宽度为12mm，由12根沿待测管道轴向的导线组成，沿待测管道周向有23根导线用于连接两段相邻的跑马场线圈；所有导线的宽度为0.9mm。
以及根据以上优选传感器的工作方法之一，其特征在于：在确定螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角θ之后，利用自激励自接收模式快速地对管道进行基于螺旋传播的周向兰姆波的轴向缺陷检测。
以及根据以上优选传感器的工作方法之二，其特征在于：在确定螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角θ之后，通过接收管道各周向位置的周向兰姆波，利用观察到的缺陷波包的数量、螺旋传播的周向兰姆波的螺距与缺陷轴向范围的关系，评估管道中缺陷的轴向位置。
以及根据以上优选传感器的工作方法之三，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将所述磁致伸缩材料粘贴在管道上；
步骤S2：将所述柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上；
步骤S3：采用自激励自接收模式，通过所述柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
步骤S4：观察缺陷反射信号，利用螺旋传播的周向兰姆波的轴向传播速度、缺陷反射信号对应的时间和缺陷的轴向位置的关系，计算出轴向缺陷的轴向位置。
进一步地，还包括以下步骤：
步骤S5：改变所述柔性印刷线圈在管道上的周向位置，重复步骤S3-步骤S4采集管道整个周向的信号，总采集信号数量N依情况而定；
6）总结包含缺陷信号的数量M，包含缺陷信号的数量M与总采集信号数量N的比乘以螺旋传播周向兰姆波的螺距π ∙ D ∙ tanθ获得缺陷的轴向长度；其中，D为管道外径；θ为螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角。
进一步地，所述螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角θ通过Matlab程序进行模拟计算获得。
与现有技术方案相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：
1. 能够检测到管道中传统超声导波难以检测到的轴向缺陷；
2. 能够评估传统超声导波难以评估的缺陷轴向范围；
3. 能够通过自激励自接收激励模式快速地进行管道缺陷检测。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例螺旋周向兰姆波磁致伸缩贴片式传感器构造和原理示意图。
图2为本发明实施例螺旋周向兰姆波磁致伸缩贴片式传感器实际安装示意图。
图3为本发明实施例同波长下，200kHz螺旋周向兰姆波与200kHz的L(0,2)、120kHz的T(0,1)检测不同轴向、周向长度缺陷的信号对比示意图。
图4为本发明实施例300kHz螺旋周向兰姆波评估管中缺陷轴向长度的信号实例示意图。
图中：1-高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈，2-磁致伸缩材料。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1-图4所示，本实施例提供的方案主要包括：
1、高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈1；2、磁致伸缩材料2；3、确定螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角θ的程序。
基于以上组成可以利用自激励自接收模式快速地对管道进行基于螺旋传播的周向兰姆波的轴向缺陷检测。另外，还可以通过接收管道各周向位置的周向兰姆波，利用观察到的缺陷波包的数量、螺旋传播的周向兰姆波的螺距与缺陷轴向范围的关系评估管道中缺陷的轴向位置。本发明可以用于解决管道中传统超声导波难以检测到的轴向缺陷，以及传统超声导波难以评估的缺陷轴向范围。各部分部件特征如下所述：
如图1所示，本实施例采用的柔性印刷线圈宽度（即轴向长度）为50mm。长度（即周向长度）视待测管道的直径而定。线圈分为两层。线圈第一层的电路包含多组两段串联而成的跑马场线圈。每段跑马场线圈宽度为12mm，由12根宽度方向的导线组成。长度方向有23根导线用于连接两段相邻的跑马场线圈。每段跑马场线圈的终端都有一个通孔，用于连接第一层电路与第二层电路。第二层的电路为连接相邻的两组跑马场线圈的导线，第一层电路的两段相邻串联而成的跑马场线圈由第二层电路中的一根导线连接。所有导线的宽度为0.9mm。
对于本实施例提供的磁致伸缩材料，其组分含量包括：铁含量为48.94%，钴含量为48.75%，碳含量为0.01%，硅含量0.05%，铌含量0.30%，锰含量0.05%，钒材料含量1.90%。厚度为0.152mm；
本实施例用于确定螺旋传播周向兰姆波的传播方向与管道周向夹角θ的程序为Matlab程序。θ值是评估缺陷轴向长度的必要参数，可以通过对本发明传感器方案建立模型计算获得，本实施例采用较为经济简便的Matlab方案，该程序给出的曲线中幅值最大的点对应的角度。以32mm外径，1mm壁厚不锈钢管中的300kHz螺旋传播周向兰姆波S0模态的传播方向与管道周向夹角的Matlab程序为例，程序给出的曲线中幅值最大的点对应的角度为24.75°。程序如下：
f=300; %% f为螺旋传播周向兰姆波的频率
a0=0:(pi/2/1000):(pi/2);
for i=1:1001
s(i)=1/sin(a0(i));
end
Ph=5547.79; %% Ph为螺旋传播周向兰姆波的频率
t=s*2/Ph;
for i=1:1001
att(i)=10^(-0.159*s(i));
end
for i=1:1001
att100(i)=10^(-0.05*s(i));
end
for i=1:1001
att500(i)=10^(-0.2598*s(i));
end
L=25; %% L为柔性印刷线圈宽度的一半
z=10000;
for i=1:1001
l0(i)=z/cos(a0(i));
end
X1=-18; %% X1、X2、X3、X4为各段跑马场线圈的中心位置
X2=-6;
X3=6;
X4=18;
for i=1:1001
r1(i)=sqrt((l0(i)*sin(a0(i))).^2+(l0(i)*cos(a0(i))-X1).^2);
theta1(i)=atan(l0(i)*sin(a0(i))/(l0(i)*cos(a0(i))-X1));
r2(i)=sqrt((l0(i)*sin(a0(i))).^2+(l0(i)*cos(a0(i))-X2).^2);
theta2(i)=atan(l0(i)*sin(a0(i))/(l0(i)*cos(a0(i))-X2));
r3(i)=sqrt((l0(i)*sin(a0(i))).^2+(l0(i)*cos(a0(i))-X3).^2);
theta3(i)=atan(l0(i)*sin(a0(i))/(l0(i)*cos(a0(i))-X3));
r4(i)=sqrt((l0(i)*sin(a0(i))).^2+(l0(i)*cos(a0(i))-X4).^2);
theta4(i)=atan(l0(i)*sin(a0(i))/(l0(i)*cos(a0(i))-X4));
end
for i=1:1001
si1(i)=sin((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta1(i)))/((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta1(i)));
si2(i)=sin((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta2(i)))/((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta2(i)));
si3(i)=sin((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta3(i)))/((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta3(i)));
si4(i)=sin((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta4(i)))/((2*pi*f/Ph)*L/2*sin(theta4(i)));
end
si1(1)=1;
si2(1)=1;
si3(1)=1;
si4(1)=1;
for i=1:1001
S1(i)=L*sqrt(2/pi/r1(i)/(2*pi*f/Ph))*(-1)^1*exp(j*(2*pi*f/Ph)*r1(i))*si1(i);
S2(i)=L*sqrt(2/pi/r2(i)/(2*pi*f/Ph))*(-1)^2*exp(j*(2*pi*f/Ph)*r2(i))*si2(i);
S3(i)=L*sqrt(2/pi/r3(i)/(2*pi*f/Ph))*(-1)^3*exp(j*(2*pi*f/Ph)*r3(i))*si3(i);
S4(i)=L*sqrt(2/pi/r4(i)/(2*pi*f/Ph))*(-1)^4*exp(j*(2*pi*f/Ph)*r4(i))*si4(i);
end
for i=1:1001
S01(i)=S1(i)+S2(i)+S3(i)+S4(i);
end
as0=abs(S01);
for i=1:1001
AS0(i)=as0(1002-i);
end
A0=-(pi/2):(pi/2/1000):0;
a0=a0*180/pi;
A0=A0*180/pi;
for i=1:1001
syn(i)=att(i)*as0(i);
end
syn=syn/max(syn);
figure(1)
plot(a0,syn)
ylim([0,1.1])。
结合以上设计，本实施例进行测量操作的具体过程包括：1）将磁致伸缩材料粘贴在管道上；2）将高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上；3）采用自激励自接收模式，通过高效激励螺旋传播周向兰姆波柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；4）观察缺陷反射信号，利用螺旋传播的周向兰姆波的轴向传播速度、缺陷反射信号对应的时间和缺陷的轴向位置的关系。计算出轴向缺陷的轴向位置。当需要评估缺陷的轴向范围时，还需增加两个步骤：5）改变高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈在管道上的周向位置，重复步骤3）、4）需要采集管道整个周向的信号，总采集信号数量N依情况而定；6）总结包含缺陷信号的数量M。包含缺陷信号的数量M与总采集信号数量N的比乘以螺旋传播周向兰姆波的螺距π ∙ D ∙ tanθ就是缺陷的轴向长度。
如图2所示，以下提供两个具体实例：
螺旋传播的周向兰姆波定位轴向缺陷实施例：
1）将宽为50mm，长度与管道周长相当的磁致伸缩材料粘贴在管道上；
2）将高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上；
3）采用自激励自接收模式，通过高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
4）观察缺陷反射信号，利用螺旋传播的周向兰姆波的轴向传播速度、缺陷反射信号对应的时间和缺陷的轴向位置的关系。计算出轴向缺陷的轴向位置。
螺旋传播的周向兰姆波评估缺陷轴向范围实施例：
1）将宽为50mm，长度与管道周长相当的磁致伸缩材料粘贴在管道上；
2）将高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，覆盖范围为管道周向的一半；
3）采用自激励自接收模式，通过高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
4）观察缺陷反射信号，利用螺旋传播的周向兰姆波的轴向传播速度、缺陷反射信号对应的时间和缺陷的轴向位置的关系。计算出轴向缺陷的轴向位置；
5）改变高效激励螺旋传播周向兰姆波的柔性印刷线圈在管道上的周向位置，重复步骤3）、4）需要采集管道整个周向的信号，总采集信号数量N依情况而定；
6）总结包含缺陷信号的数量M。包含缺陷信号的数量M与总采集信号数量N的比乘以螺旋传播周向兰姆波的螺距π ∙ D ∙ tanθ就是缺陷的轴向长度。
采用以上测试方案可以获得以下测试结果：如图3所示，为同波长下，200kHz螺旋周向兰姆波与200kHz的L(0,2)、120kHz的T(0,1)检测不同轴向、周向长度缺陷的信号对比示意图。
如图4所示，为300kHz螺旋周向兰姆波评估管中缺陷轴向长度的信号实例示意图。
以上测试结果证明本实施例方案的功效。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形
式的高效激励螺旋周向兰姆波的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
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