一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器的制作方法

本发明涉及一种管道的无损检测装置，特别涉及一种能与管道任意表面耦合的快速检测管道缺陷的超磁致伸缩导波激励换能器，属于无损检测技术领域。

背景技术：

管道运输是一种重要的输送方式，尤其是在石油、化工、天然气、城市供水等方面发挥着不可替代的作用，然而由磨损、腐蚀、意外伤害引起的管道损伤导致的管道泄漏时有发生，给国家和人民的财产及安全带来极大的危害，且会严重污染环境、影响生态。为了减少甚至避免此类危害的发生，工业管道安全检测尤为重要。

目前，管道无损检测的常规方法主要有：超声、射线、磁粉、涡流和渗透技术，但这些技术都必须逐点检测，检测速度慢，不能适用于长距离的工业管道检测。为了解决这些问题，超声导波技术应运而生，超声导波技术很大程度上克服此类缺点，它具有沿传播路径衰减小，传播距离远的特点，并且接收到的信号携带从激励点到接收点的管道整体的信息，能够在线检测长距离、充液和带有包覆层的管道，在长距离工业管道的在线检测方面优势明显，是一种很有研究价值且值得推广的无损检测技术。

现有的发射换能器有几种，最早应用的磁致伸缩材料通常是叠式镍片制成的换能器，它的效率低，成本高。自60年代以来，压电陶瓷材料制成的压电式换能器一直是最通用的换能器，它比镍片制成的换能器的效率有了很大的提高，在一般情况下能满足工程使用要求。但由于受到压电陶瓷本身性能的限制，驱动力不够高，激励的能量较小，能量转换效率较低，信噪比较低。20世纪70年代,美国A.E.Clark发现了稀土合金,具有超磁致伸缩效应,该合金由磁致伸缩效应引起的最大应变比传统的水声换能器使用的压电陶瓷大6-20倍,能量密度约为压电陶瓷的10-20倍,而声速只有压电陶瓷的2/3-3/4。因此,在相同体积的条件下,超磁致伸缩水声换能器的共振频率比压电陶瓷水声换能器的共振频率低2/3-3/4。由于利用稀土超磁致伸缩材料制造的换能器具有发射功率大、体积小、重量轻的特点,使其在研制低频大功率水声换能器等方面得到了足够的重视和应用。80年代,美国等发达国家已经研制出各种稀土换能器,并应用于军事领域。瑞典已成功研制了扫雷用的声功率达151KW的弯张稀土换能器。

专利文献CN2458091Y公开了一种磁致伸缩超声换能器，磁致伸缩材料在受到偏置磁场和激励线圈的作用下产生振动，该振动通过变幅杆传递出去。该换能器振动由磁致伸缩材料产生，但产生的振动间接通过变幅杆传递，因此变幅杆的振动输出只占磁致伸缩材料振动的一部分，换能器的能量损耗大，效率低。

专利文献CN105954362A公开了一种用于快速检测的超声导波发生器，磁路体采用稀土超磁致伸缩材料制成，其上端抵靠在永磁体下端端面，其上端穿过窗口下侧边抵靠在被检管道的端面。该发生器仅局限于管道端面的检测，无法实现在管道任意表面检测，这极大的限制了其应用，无法在实际检测工作中使用。

专利文献CN1276272C,公开了一种稀土超磁致伸缩多功能测井声波发射震源。该振源是一种采用磁致伸缩材料驱动的换能器,它具有作为发声板的两个半圆形棒,中间夹持一个磁致伸缩元件,通过螺钉将两个半圆形的棒组合在一起,夹紧中间沿棒径向放置的磁致伸缩元件,形成圆柱状结构。当通过驱动线圈对磁致伸缩元件施加驱动磁场时,磁致伸缩材料产生形变,使夹持磁致伸缩元件的半圆形棒发声板产生弯张变形,发出声波。该发生器输出的振幅小，且没有设计吸波材料消除余震，亦没有设计匹配层以增强换能器的声强透射率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有磁致伸缩传感器的输出振动幅值低，无法实现在管道表面检测，且没有设计吸波材料及匹配层的问题。设计了一种能用于管道任意表面检测的输出幅值大，且具有吸收余震和增强声强透射率功能的超磁致伸缩导波激励换能器。

本发明的技术方案是：一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波及激励换能器，包括连接器、外壳顶盖、外壳底座、振动元件、螺线管线圈、永磁铁、背衬单元和匹配层；

所述振动元件为铽镝铁Terfenol-D，形状为刀型，刀柄部分缠绕螺线管线圈，刀部与管道表面耦合，在长度方向上伸缩振动；换能器外壳顶盖中装有连接器，螺线管线圈的两端与连接器连接，外壳底座中设有振动元件、背衬单元、永磁铁和匹配层；振动元件与匹配层采用环氧树脂胶粘结成一体；背衬单元与振动元件采用环氧树脂胶粘结成一体；螺线管线圈密绕于振动元件的刀柄部位和背衬单元之上，采用绝缘漆粘接及绝缘；永磁体的一端固定于振动元件的刀柄部的一端端面，永磁体的另一端与外壳底座连接；换能器内部有螺线管线圈、振动元件、外壳底座、外壳顶盖、永磁铁和振动元件形成的封闭磁回路。

上述方案中，所述振动元件包括刀柄部分用于缠绕线圈，刀部与管道表面耦合，振动元件在其长度方向上伸缩振动，宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4～1/8，振动元件的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，

式1)中l_T为材料长度，f₀是谐振频率，E_T为材料弹性系数，ρ_T为材料密度。

上述方案中，所述背衬单元为高衰减、低阻抗的背衬层，配方采用碳化硅、环氧树脂、聚硫橡胶按12∶6∶4～18∶6∶4的比例配置而成。

上述方案中，所述背衬单元的长度和宽度尺寸与振动元件的尺寸一致，背衬单元的高度尺寸为4mm～7mm。

上述方案中，所述匹配层的声阻抗在振动元件和管道的声阻抗之间；所述匹配层的厚度d₂根据下列公式设计计算，

式3)中T为声强透射率，Z₁、Z₂和Z₃分别为铽镝铁、匹配层和管道的声阻抗，λ₂为波在匹配层中传播的波长，

式4)中V₂为导波在匹配层中传播的速度，f为检测的中心频率，检测的中心频率f等于振动元件的谐振频率f₀。

上述方案中，所述永磁铁采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼。

上述方案中，所述螺线管线圈采用漆包铜线，在背衬单元与振动元件的刀柄部位上密绕而成，螺线管线圈的直径范围在0.1mm～0.3mm，缠绕的匝数在50～240匝。

上述方案中，所述螺线管线圈磁场强度的设计按照式5)设计，将磁场强度控制在曲线的400～1200Oe范围内，使铽镝铁工作在应变的线性变化区，从而达到最大的应变量，

线圈的厚度，

R₂-R₁＝N·d/L 6)

式5)和6)中H为磁场强度，L为线圈长度，d为线圈的直径，R₁为线圈的内半径，R₂为线圈的外半径，N为线圈匝数，I为激励电流的有效值。

上述方案中，所述外壳顶盖的底部开有矩形突台，所述矩形突台的中心开有第二圆形通槽；所述外壳底座顶部开有的矩形通槽，矩形通槽上开有第一圆形槽；

所述矩形突台安装在矩形通槽里，第一圆形通槽和第二圆形通槽位置相对应，连接器安装于第二圆形通槽里，所述螺线管线圈的两端通过第一圆形通槽与连接器连接。

上述方案中，所述连接器采用MCX连接器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.由于本发明振动元件的特殊结构，能实现换能器在管道任意表面检测，改变了现有磁致伸缩传感器仅能在端面检测的局限性，扩大了检测实用性。

2.换能器内部设计有背衬单元，是按一定配方调配的吸波材料，能有效吸收振动元件向背部辐射的能量，并吸收铽镝铁刀型形状带来的垂直于管道方向的振动，提高信号的信噪比。

3.换能器的振动元件底部设计有匹配层，能有效地增强声强透射率，故检测时无需在管道上加耦合剂。

4.所述磁回路由螺线管线圈—振动元件—外壳底座—外壳顶盖—永磁铁—振动元件，形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。

5.所述连接器采用MCX连接器，有利于探头尺寸缩小，采用的是推入式连接方式，使得连接器的连接与分离非常迅速，缩短了连接器的安装时间。

附图说明

图1为本发明换能器的主视图示意图。

图2为本发明换能器的俯视图示意图。

图3为本发明换能器振动元件示意图。

图4为本发明换能器的外壳底座主视图示意图。

图5为本发明换能器的外壳底座俯视图示意图。

图6为本发明换能器的外壳顶盖主视图示意图。

图7为本发明换能器的外壳顶盖左视图示意图。

图8为本发明换能器的激励效果示意图。

图9为没有设计背衬单元的换能器激励效果图。

图10为铽镝铁应变与磁场强度关系图。

图11为刀型铽镝铁的振动模拟图。

图12为矩形铽镝铁的振动模拟图。

图13为常用的永磁材料的退磁曲线。

图14为直径为108mm的碳钢管道的相速度频散曲线。

图15A为背衬高度为7mm的实验结果图。

图15B为背衬高度为6mm的实验结果图。

图15C为背衬高度为4mm的实验结果图。

图15D为没有背衬的实验结果图。

图16为永磁铁数量的实验结果图。

图17为螺线管线圈参数的实验结果图。

图18为刀部长度实验的焊缝回波系数图。

图中，1.连接器，2.外壳顶盖，3.螺线管线圈，4.背衬单元，5.振动元件，6.匹配层，7.外壳底座，8.永磁铁，9.矩形通槽，10.第一圆形通槽，11.矩形槽，12.第二圆形通槽，13.矩形突台，14.刀柄部，15.刀部，16.磁场强度与铽镝铁应变关系曲线，17.L(0,2)模态。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明设计了一种用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器，由于振动元件的特殊结构，使得换能器能与管道任意表面耦合，实现检测；由于换能器内部设计有一种高衰减、低阻抗的背衬单元，用于吸收铽镝铁的余震及刀型结构带来的垂直于管道方向的不必要的微小振动，提高检测信号的信噪比；换能器底部设计有匹配层，增强了声波的透射性。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3、4、5、6和7为本发明所述所示用于管道表面耦合的超磁致伸缩导波激励换能器的一种实施方式，所述换能器包括振动元件5，与振动元件5上表面用环氧树脂胶粘接的背衬单元4，与振动元件5的刀部15的下底面用环氧树脂胶粘接的匹配层6，密绕与背衬单元4与振动元件5的刀柄部14上的螺线管线圈3，安装于振动元件5的刀柄部14一端的钕铁硼永磁铁8，顶部开有矩形通槽9、底部有矩形槽11、且顶部开有第一圆形通槽10的外壳底座7，有矩形突台13及开有第二圆形通槽12的外壳顶盖2，安装于外壳顶盖的圆形通槽12里的MCX连接器1。

所述振动元件5的上表面与背衬单元4采用环氧树脂胶粘接，在振动元件5的刀柄14的一端缠绕螺线管线圈以提供驱动磁场，用绝缘漆涂抹于线圈，防止线圈松散及达到绝缘的目的；在振动元件5的刀部15与匹配层6，采用环氧树脂胶水粘接，刀部15的下底面与管道表面耦合，在管道长度方向伸缩振动；换能器外壳顶盖2中装有MCX连接器1，用于检测信号的传输，外壳底座7的矩形槽11中装有振动元件5、背衬单元4、永磁铁8及匹配层6；永磁体8的一端固定在振动元件5的刀柄14的端面，永磁体8的另一端靠吸力与铁磁性材料做成的外壳底座7相吸，永磁体8提供偏置磁场以消除倍频效应，背衬单元4的上表面用环氧树脂与外壳底座7粘接。换能器内部有封闭的磁回路，所述磁回路由螺线管线圈3—振动元件5—外壳底座7—外壳顶盖2—永磁铁8—振动元件5形成，防止磁场的泄露。

所述换能器的振动元件5为铽镝铁(Terfenol-D)是一种稀土元素铽(Tb)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物，形状为刀型结构，如附图3所示，包括刀柄部分14和刀部15，振动元件5的刀柄部14与背衬单元4粘接，采用卡速特环氧树脂，振动元件5的刀部15下表面采用环氧树脂胶与匹配层6粘接。该振动元件5在驱动磁场及偏置磁场的共同作用下，产生振动，通过振动元件5的刀部15下表面与管道表面的耦合，振动元件长度方向伸缩振动，产生导波用于检测。由于本发明的振动元件5为特殊的刀型结构，与传统的矩形或者圆棒形不同，有一个垂直于管道方向的突台，因此可能带来如图11曲线A所示的垂直于管道方向的微小振动，其中，曲线A：Z方向的振动；曲线B：Y方向的振动；曲线C：X方向的振动。图12所示为矩形铽镝铁的振动模拟图，可以看出矩形铽镝铁只有长度方向的振动，其中曲线A：Z方向的振动；曲线B：Y方向的振动；曲线C：X方向的振动。由于本发明在振动元件5的表面设计有背衬单元4，能有效的消除振动元件5垂直于管道方向如图11曲线A的振动。振动元件5长度方向振动，要求振动元件5的宽度及厚度的尺寸应小于长度的1/4～1/8，长度尺寸根据谐振频率计算，谐振频率约等于导波检测的中心频率，导波检测的中心频率范围则由频散曲线确定。

当所检测的管道为内径为98mm，外径108mm的碳钢管道时，在0～150kHz的频率范围内的相速度频散图如图14所示，对L(0，2)模态(17)而言，其相速度在30～120kHz的频率范围内基本一致，这表示其频散很小，反应到实际图像中就是波包的时域长度变化很小，同时在这一频率范围内出现的模态数量也相对较少，所以我们将我们的工作范围定在30KHZ～120KHZ，则振动元件的长度尺寸根据检测频率由下式计算设计，

式1)中l_T为材料长度，f₀是谐振频率，E_T为材料弹性系数，ρ_T为材料密度。

取铽镝铁的弹性系数为3.5×10¹⁰N/m²，密度9250kg/m³，频率为30KHZ～120KHZ范围内的尺寸范围为8.1mm～32.4mm，考虑到换能器后期需要添加背衬单元和匹配层单元会导致检测频率的升高，因此在进行振动元件尺寸选择的时候，先选用较低的频率来确定振动元件的尺寸。本实施例选用了频率为40KHZ来计算选择振动元件的长度，由上式计算得出所需铽镝铁的长度为25mm，铽镝铁刀部15的具体长度根据实验的方式确定，如图18所示，当刀部15的长度为13mm时，焊缝的回波系数较高。

所述背衬层4为高衰减、低阻抗的背衬层，配方采用碳化硅、环氧树脂、聚硫橡胶按12∶6∶4～18∶6∶4比例配置而成，采用环氧树脂胶与振动元件5的背面粘接。由于振动元件5产生的振动会向背面辐射，因此设计背衬层4用于吸收振动元件5向背面辐射的能量，从而使振动元件5尽快停止振动，提高换能器的轴向分辨率。由于检测采用超声导波，频率较低，所以能量较小，采用高阻抗的背衬层对传播到检测介质中的能量影响大，因此采用低阻抗，高衰减的背衬层。加入背衬单元4的换能器激励效果如图8所示，其中，A：焊缝1回波；B：焊缝2回波；C：焊缝3回波；D：端面回波，图9为没有背衬单元的换能器激励效果图，其中，A：焊缝1回波；B：焊缝2回波；C：焊缝3回波；D：端面回波，图8和图9对比，图8中杂波较小，三条焊缝及端面回波清晰可见，而图9中除了三条焊缝及端面以外，杂波也较大，影响焊缝的识别，可以看出背衬单元4对于提高激励信号的信噪比起到了很大的作用，提高了缺陷识别的灵敏度。背衬单元4的长度和宽度与振动原件5的尺寸一致，高度的选择通过试验的方式，背衬层4的高度为4mm～7mm时激励效果较好，并通过测试的回波信号的信噪比进行调整。图15为背衬高度在4～7mm的回波图，其中15A图为背衬高度7mm，15B图为背衬高度6mm，15C图为背衬高度4mm，15D图为没有背衬，通过试验选择背衬高度为6mm，此时信噪比较高，缺陷识别率较好。

如果振动元件5的刀部15直接与管道接触，由于两者的声阻抗相差较大，声强透射率将会很低，由于振动元件5—铽镝铁的声阻抗约为16×10⁶pa·s/m，采用碳钢钢管的声阻抗为46.6×10⁶pa·s·m，声强透射率由下式计算，

式2)中T为声强透射率，Z₁和Z₂分别为介质一(铽镝铁)和介质二(管道)的声阻抗，计算得到声强透射率为0.76。因此需要在振动元件5与管道之间设计一层匹配层，且要求匹配层的声阻抗在振动元件5和管道两者声阻抗之间。匹配层6的材料采用刚玉，其声阻抗为39.3×10⁶pa·s/m，声阻抗在碳钢管道与振动元件之间，声波经过振动元件、匹配层和管道后的声强透射率公式如下，刚玉匹配层6的厚度d₂根据下述公式算出，

式3)中T为声强透射率，Z₁、Z₂和Z₃分别为介质一(铽镝铁)、介质二(匹配层)和介质三(管道)的声阻抗，λ₂为波在匹配层中传播的波长，

式4)中V₂为导波在匹配层中传播的速度，f为L(0，2)模态检测的中心频率，检测的中心频率约等于振动元件的谐振频率。纵波在刚玉中的传播速度为11600m/s，取检测频率为90KHZ，若刚玉的厚度取1mm，则由上述公式算得声强透射率T＝0.84，声强透射率有所提高。

附图5和附图6为所述换能器外壳顶盖2的主视图和俯视图示意图，外壳顶盖2采用高磁导率的金属材料制成，如附图5和附图6所示，在外壳顶盖2的底部有矩形突台13，用于与外壳底座7的配合，在矩形突台13的中心开有第二圆形通槽12，用于安装连接器1，连接器1采用环氧树脂胶与顶盖2中的圆形通槽12周围粘接，防止松散。螺线管线圈3的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈3另一端与连接器1的另一引脚焊接作为负极，利用连接器1的公头引出电极，输入信号。

所述换能器外壳底座7如附图4和附图5所示，采用高磁导率的金属材料制成，底部开有横向的矩形槽11用于安装背衬单元4和振动元件5，并用环氧树脂胶固定，外壳底座7的顶部中心开有矩形通槽9，矩形通槽9上开有第一圆形通槽10，用于外壳顶盖2的矩形突台13的配合，实现外壳顶盖2和外壳底座7的装配，并在外壳顶盖2的下表面和外壳底座7的上表面涂有环氧树脂胶，实现固定。

图13为常用的永磁材料的退磁曲线，其中，Ⅰ铁氧体，Ⅱ为铝镍体，Ⅲ为稀土，铝镍体永磁材料Br大，但Hc较小；铁氧体永磁材料较铝镍材料的Hc较大，而钕铁硼永磁材料的Br和Hc都很大，退磁曲线基本为一直线，在永久磁铁的退磁曲线上，不同点对应的磁能积是不同的，其中最大值称为最大磁能积，记为(BH)max，对于永磁材料，一般要求磁能越大越好，所述永磁铁8偏置磁场采用牌号为N52的厚度方向充磁的圆形钕铁硼永磁，对于永磁材料，一般要求磁能积较大，是永磁材料的一个重要性能指标，永磁铁的数量通过试验的方式确定，如图16所示，当数量为3时，回波系数较高，此时永磁铁数量再增加时，回波系数增加不明显，说明已接近饱和。

所述螺线管线圈3采用漆包铜线在背衬单元4与振动元件5的刀柄部分14上密绕而成，采用绝缘漆绝缘，环氧树脂胶粘接。螺线管线圈3的直径范围在0.1mm～0.3mm，缠绕的匝数在50～240匝，给铽镝铁提供长度方向上的磁场。螺线管线圈3的一端与连接器1的中心引脚焊接作为正极，螺线管线圈3的另一端与连接器的另一引脚焊接作为负极。螺线管线圈3产生的磁场由下式计算设计，如图10所示为磁场强度与铽镝铁应变关系图，设计磁场时应将磁场强度尽量控制在磁场强度与铽镝铁应变关系曲线(16)的400～1200Oe范围内，使铽镝铁工作在线性变化区，达到最大的应变量，

估算线圈的厚度：

R₂-R₁＝N·d/L 6)

式5)和6)中H为磁场强度，L为线圈长度，d为线圈的直径，R₁为线圈的内半径，R₂为线圈的外半径，N为线圈匝数，I为激励电流的有效值。

本实施例由于采用电压源函数发生器，所以采用实验的方法通过比较焊缝回波系数来确定螺线管的参数，如图17所示，实验采用直径0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，匝数，60，120，180，240的漆包铜线，图17可以看出，在直径为0.15mm，匝数180时回波系数最高。

所述换能器的磁路由螺线管线圈3—振动元件5—外壳底座7—外壳顶盖2—永磁铁8—振动元件5形成封闭的磁回路，防止磁场的泄露。

本换能器在工作时，将换能器长度方向与管道的轴向平行放置与管道表面，以激励L(0，2)模态的导波进行检测。用MCX连接器公头插入MCX母头内，引出导线，将引出的导线与函数发生器连接，此时可以输入经汉宁窗调制的10周期的正弦信号。螺线管线圈3中产生交变磁场，在永磁体8提供的偏置磁场和螺线管线圈3提供的交变磁场的共同作用下，振动元件5产生周期性的振动，该振动通过与被测管道表面的耦合在管道中产生导波，导波到达被测管道的端面后反射回接收换能器。在导波传播的过程中遇到了缺陷会因为声阻抗的不同产生反射，在连接着接收换能器的示波器上会显示一个波包，通过到波包的时间和波速就可以确定缺陷的准确位置，从而实现缺陷的检测。本发明的机电转换效率高，导波激励幅值大，且信噪比高，响应时间短。本发明不仅可以实现对管道的检测，也同样适用于铁轨、锚杆等其他物体的缺陷检测。利用本发明换能器改变放置在检测物体的方向亦能激励出T模态及其他模态，满足不同的检测要求。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。