阅读说明：本技术 高效激励纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法 (Magnetostrictive patch type sensor capable of efficiently exciting longitudinal ultrasonic guided wave mode and realizing longitudinal pasting magnetization 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纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法,传感器由以下两个部件组成：1、高效激励L(0,2)超声导波模态的柔性印刷线圈；2、轴向磁化与粘贴于管道表面的磁致伸缩材料。其中,粘贴在管道表面的磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上,有多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围,磁致伸缩材料的磁化方向与管道的轴向一致,可以高效激励L(0,2)超声导波模态。由于L(0,2)超声导波模态在水泥握裹的管道中衰减较小,因此能够激励高能L(0,2)超声导波模态的传感器能够用于确定穿墙管道中缺陷的轴向位置。(The invention provides a magnetostrictive patch type sensor for efficiently exciting longitudinal ultrasonic guided wave mode and longitudinal pasting magnetization and a working method thereof, wherein the sensor comprises the following two parts: 1. high efficiency excitation L (0,2) a flexible printed coil of an ultrasonic guided wave mode; 2. axially magnetizing and adhering the magnetostrictive material on the surface of the pipeline. The axial length of the magnetostrictive material adhered to the surface of the pipeline is more than twice of the circumferential length of the magnetostrictive material, a plurality of sections of magnetostrictive materials are adhered to the circumferential range of the whole pipeline, the magnetization direction of the magnetostrictive material is consistent with the axial direction of the pipeline, and the magnetostrictive material can be excited efficiently L (0,2) ultrasonic guided wave mode. Due to the fact that L The attenuation of the (0,2) ultrasonic guided wave mode in the cement-bonded pipeline is small, so that high-energy excitation can be realized L (0,2) a sensor of ultrasonic guided wave mode can be used to determine the axial position of a defect in a through-wall pipe.)

高效激励纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片 式传感器及其工作方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种高效激励纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法。主要采用基于L(0,2)超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器，用以高效激励L(0,2)超声导波模态，实现在自激励自接收的测量模式下，对穿墙管道中的缺陷进行轴向定位。

背景技术

管道广泛地应用于水、石油与天然气的运输，一旦潮湿的环境使管道发生严重的腐蚀，管道会发生油气泄漏，严重时会引起爆炸事故。一些建筑物中的输气管道需要穿过墙体，因此被墙体握裹，无法用肉眼观测。一旦墙体握裹部分的管道发生腐蚀，不能被发现，油气泄漏就无法避免。因此对穿墙天然气管道中腐蚀导致的缺陷进行检测十分必要。另外穿过墙体的输气管道在建筑物之外，这使得需要在墙体两端安装传感器的检测方式不易实施。这就要求检测的方法只需在墙体内的管道上安装传感器，以对整根穿墙管道实现检测的目的。同时，墙体由混凝土构成，对各类检测信号的能量造成巨大衰减。穿墙天然气管道的检测难度因此很大。

超声导波是一种低衰减、快速、长距离的检测方法，可以通过反射波对应的时间确定缺陷在管道中的轴向位置。目前对激励超声导波模态常用的传感器有两种：压电传感器与电磁传感器。压电传感器已经广泛应用于管道检测当中。电磁传感器通过控制激励超声导波的波长激励特定频率的超声导波模态，相比于压电传感器更能有效激励特定频率段的特定的超声导波模态，同时在接收信号时对该频率段与模态的超声导波更敏感，筛选性更强。磁致伸缩贴片式电磁传感器由于磁致伸缩材料较强的磁致伸缩系数，相比于洛伦兹力电磁传感器能更高效地激励超声导波。磁致伸缩贴片式电磁传感器用于激励T(0,1)超声导波模态已经被广泛报道。穿墙管道由于墙体的混凝土引起的巨大衰减，极大地影响了超声导波检测穿墙管道的能力。混凝土对T(0,1)模态的衰减尤其大，但对于L(0,2)超声导波模态的衰减相对较小。因此亟需一种能够高效激励L(0,2)超声导波模态的便捷化装置，能够应用于穿墙管道的缺陷检测。

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纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器及其工作方法，传感器由以下两个部件组成：1、高效激励L(0,2)超声导波模态的柔性印刷线圈；2、轴向磁化与粘贴于管道表面的磁致伸缩材料。其中，粘贴在管道表面的磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上，有多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围，磁致伸缩材料的磁化方向与管道的轴向一致，可以高效激励L(0,2)超声导波模态。由于L(0,2)超声导波模态在水泥握裹的管道中衰减较小，因此能够激励高能L(0,2) 超声导波模态的传感器能够用于确定穿墙管道中缺陷的轴向位置。

其利用轴向磁化与粘贴的磁致伸缩贴片式传感器高效地激励L(0,2)超声导波模态，对穿墙管道中的缺陷进行轴向定位。为实现穿墙管道中缺陷的轴向定位，本发明利用退磁场强度与磁致伸缩材料长宽比的关系，优化选取最佳磁致伸缩材料长宽比，使得设计的磁致伸缩贴片式传感器能够高效地激励L(0,2)超声导波模态。设计研究中采取理论模型与仿真、实验对比的方式来进行。另外，该方法支持自激励自接收的测量模式，能够适应穿墙管道检测中只有一端的管道能够装载传感器的情况。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：1）将磁致伸缩材料轴向粘贴在管道上，单片的磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上。采用多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围；2）沿着管道的轴向磁化磁致伸缩材料；3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围；4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号。

本发明具体采用以下技术方案：

一种高效激励纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器，其特征在于，包括：用于激励L(0,2)超声导波模态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，粘贴在管道表面的单片磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上，多段磁致伸缩材料覆盖管道的周向范围，磁致伸缩材料的磁化方向与管道的轴向一致，柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上，并覆盖管道的周向范围。

进一步地，所述柔性印刷线圈上的导线互相连接形成四排对称的交替排列的两去两回的回折电路。

进一步地，所述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，所述柔性印刷线圈沿待测管道轴向的长度为48mm，沿待测管道周向的长度根据待测管道的直径确定；与沿待测管道轴向垂直的导线有40条，与沿待测管道周向垂直的导线有39条；所有导线的线宽与间距均分别为1mm与0.2mm；导线互相连接形成四段回折电路，每段回折电路的宽度均为12mm；所述柔性印刷线圈有两个焊盘，分别位于回折电路的两端。

进一步地，所述管道为穿墙管道。

以及，根据以上优选传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将所述磁致伸缩材料轴向粘贴在管道上；采用多段磁致伸缩材料粘贴覆盖管道的周向范围；

步骤S2：沿着管道的轴向磁化所述磁致伸缩材料；

步骤S3：将所述柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围覆盖管道的周向范围；

步骤S4：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；并根据接收到的信号确定管道中缺陷的轴向位置。

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. 增大粘贴在管道上磁致伸缩材料的轴向与周向长度比增大可以减小磁致伸缩材料的退磁系数。管道由于退磁系数的减少能够减小退磁场，因而增大磁化的磁致伸缩材料的磁感应强度，增强激励的L(0,2)超声导波信号；

2. 高效激励的L(0,2)能够补偿混凝土对其的衰减，因此L(0,2)超声导波信号能够被观察到；

3. 基于脉冲回波的激励接收模式使得在管道的一侧激励接收超声导波成为可能。

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为本发明实施例纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器构造和原理示意图。

图2为本发明实施例各磁化系数下，不同管道轴向与管道周向的磁致伸缩材料长度比与其退磁场系数关系的理论结果示意图。

图3为本发明实施例不同管道轴向与管道周向的磁致伸缩材料长度比与其磁场强度关系的仿真结果示意图。

图4为本发明实施例不同管道轴向与管道周向的磁致伸缩材料长度比与L(0,2)超声导波信号关系的实验结果示意图。

图5为本发明实施例纵向粘贴磁化的磁致伸缩贴片式传感器对水泥握裹管道中缺陷的定位示意图。

图6为本发明实施例柔性印刷线圈结构示意图。

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6所示，本实施例提供的方案主要包括：

高效激励L(0,2)超声导波模态的柔性印刷线圈，以及轴向磁化与粘贴于管道表面的磁致伸缩材料。

具体地，在本实施例中，粘贴在管道表面的磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上，有多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围，磁致伸缩材料的磁化方向与管道的轴向一致，可以高效激励L(0,2)超声导波模态，用于确定穿墙管道中缺陷的轴向位置。各部分部件特征如下所述：

1.对于柔性印刷线圈：其宽度（沿待测管道轴向的长度）为48mm。长度（沿待测管道周向的长度）视待测管道的管直径而定。与宽度方向垂直的导线有40条，与长度方向垂直的导线有39条。所有导线的线宽与间距均为1mm与0.2mm。导线互相连接形成四段回折电路。每段回折电路的宽度均为12mm。柔性印刷线圈有两个焊盘，分别位于回折电路的两端。

2.对于磁致伸缩材料，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。

在测试时将磁致伸缩材料轴向粘贴在管道上，磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上。采用多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围。沿着管道的轴向磁化磁致伸缩材料。

根据以上设计，本实施例的使用和工作流程包括：

1）将磁致伸缩材料轴向粘贴在管道上，磁致伸缩材料的轴向长度为其周向长度的两倍以上。采用多段磁致伸缩材料粘贴在整个管道的周向范围；

2）沿着管道的轴向磁化磁致伸缩材料；

3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围；

4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号。

如图2-图5所示，本实施例根据以上设计进行了相应的仿真和实现，测试结果均证明了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纵向超声导波模态的纵向粘贴磁化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。