本发明属于超声无损检测技术领域，特别涉及一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法。
背景技术：
超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点，近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中，轴对称的扭转模态是管道超声导波中较为常用的检测模态，其优势在于：该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；质点的振动方向与导波的传播方向相垂直，对管道的轴向缺陷较为敏感；只有周向的振动位移，没有径向的位移，在导波传播过程中能量泄露较少，故对管道长距离检测具有一定的优势。
管道超声导波检测技术主要使用压电超声传感器和电磁超声传感器(electromagneticacoustictransducer,emat)激励和接收扭转模态的超声导波信号。然而，压电超声传感器存在一定的不足，主要体现在：通过耦合剂与被测试件接触，往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作，且安装较为复杂，检测效率较低，不利于现场的快速检测。而电磁超声传感器可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。
电磁超声传感器的工作原理主要有两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的传感器可应用于所有导体材料的管道检测中，但其换能效率较低，激励的导波信号幅值和信噪比较低；而磁致伸缩机制的传感器只能用于铁磁性材料的管道检测中，但其换能效率较高，可以产生高幅值和高信噪比的导波信号，传播距离更远，检测范围更广。因此在钢管检测中，常使用磁致伸缩传感器作为检测探头。
电磁超声传感器主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成，通过改变磁铁和线圈的结构形状，可设计出不同类型的超声传感器。现阶段，国内外在扭转模态磁致伸缩传感器的研究上取得了一定的进展，激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在传感器安装、拆卸不便，激励信号不理想，检测效率较低等问题，因此，优化设计已有的磁致伸缩传感器或研制新型的磁致伸缩传感器依旧是该领域研究的热点和难点之一。
技术实现要素：
本发明的目的是设计一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法。，该磁致伸缩传感器结构简单，安装便利，通过磁致伸缩机制，在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的周向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的扭转模态导波信号，实现对管道的全面检测。
本发明的技术方案如下：
一种扭转模态磁致伸缩传感器，包括：线圈阵列(1)，包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道(3)的外圆周面上的线圈；永磁铁阵列(2)，包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列(1)的径向外侧的永磁铁(21)，其中，每一永磁铁都沿管道(3)径向极化，且沿轴向和周向极性交错排列，并且，永磁铁(21)在周向的列数是线圈个数的两倍，且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。
优选地，每一线圈的形状为跑道形。
优选地，永磁铁阵列(2)还包括与管道(3)同轴布置的磁铁底座(22)，所述的磁铁底座(22)内壁为与管道(3)的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道(3)同轴的棱柱体，棱柱体的每个侧面沿轴向设置有多个与永磁铁尺寸匹配的磁铁插槽(221)。
优选地，所述永磁铁阵列(2)中轴向相邻的永磁铁(21)间距等于所激发扭转模态导波的半波长。
优选地，线圈阵列采用铜制导线缠绕而成。
优选地，线圈阵列采用柔性电路板印制而成。
优选地，所述磁铁底座为多节可拆卸式的柔性体。
一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含以上所述的磁致伸缩传感器，并且，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接，接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。
一种利用扭转模态超声导波检测管道的方法，应用以上所述的管道检测系统进行如下步骤：将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过前置放大器进行放大和经过滤波器进行滤波处理后，被示波器接收并显示出来。
优选地，通过改变轴向相邻永磁铁的间距，激励出不同模态的扭转导波。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
1)永磁铁阵列中轴向相邻的永磁铁间距等于所激发扭转模态导波的半波长，通过改变相邻永磁铁的间距，可以激励出不同模态的扭转导波，如t(0,1)、t(0,2)、t(0,3)等模态；
2)线圈阵列可以通过缠绕导线或打印柔性电路板的方式制作，制作方式简便，成本较低；
3)磁铁底座可以根据管道尺寸自行设计，从而实现与管壁更好的贴合，保证了磁场的耦合效率；
4)磁铁底座可以根据永磁铁的形状自行设计，永磁铁的形状不受约束，例如常用的方形永磁铁可以直接安装在磁铁底座的插槽中，便于安装和拆卸；
5)线圈阵列和永磁铁阵列均沿管道周向均匀分布，可以激励出沿管道周向对称均匀的扭转模态导波；
6)采用环形磁铁底座不需要清理管体表面，直接套设在管体上即可，且环形磁铁底座使得磁铁安装方便快捷，提高检测效率；
7)采用环形磁铁底座只需要底座适应管道外径即可，不需要磁铁具有适于管道外壁的形状，而环形磁铁底座的加工工艺显然比磁铁的加工工艺更快；
8)环形磁铁底座为多节式可拆卸的柔性体，根据管道直径调整环形磁铁底座的展开长度，使其适应不同的管道直径。
附图说明
图1是本发明的一种扭转模态磁致伸缩传感器的结构示意图；
图2是本发明的线圈阵列的结构示意图；
图3是本发明的永磁铁阵列的结构示意图；
图4是本发明的磁铁底座的结构示意图；
图5是φ42.7×3.5×2000(单位：mm)钢管扭转模态导波的频散曲线图；
图6是磁致伸缩传感器检测管道缺陷的试验系统示意图；
图7是磁致伸缩传感器接收到的t(0,1)模态导波的波形图。
在图1至图7中：
1-线圈阵列；11-线圈；2-永磁铁阵列；21-永磁铁；
22-磁铁底座；221-磁铁插槽；3-管道；31-凹槽缺陷；
41-直达波；42-缺陷反射回波；43-端面反射回波。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的扭转模态磁致伸缩传感器不局限于实施例。
如图1所示，本发明所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器包括线圈阵列1和永磁铁阵列2。线圈阵列1包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道3的外圆周面上的线圈11。例如，如图2所示的线圈阵列1包括8个并联的线圈11，用以提供沿管道3周向的动态交变磁场。永磁铁阵列2包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列1的径向外侧的永磁铁21，其中，每一永磁铁21都沿管道径向极化，形成沿径向的n极和s极，且沿轴向和周向极性交错排列。具体说就是一个永磁铁沿径向上下分别为n、s极，则相邻的永磁铁沿径向上下分别为s、n极。并且，永磁铁21在周向的列数是线圈11个数的两倍，且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。
在一个可选实施例中，如图2所示，每一线圈11是跑道型的。
在一个可选实施例中，永磁铁阵列2还包括与管道3同轴布置的磁铁底座22，所述的磁铁底座22内壁为与管道3的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道3同轴的棱柱体，棱柱体的每个侧面沿轴向设置有多个与永磁铁21尺寸匹配的磁铁插槽221。永磁铁21沿轴向和周向都呈极性交错排列，安装在磁铁底座22的磁铁插槽221中。
在一个可选实施例中，所述永磁铁阵列2中轴向相邻的永磁铁21间距等于所激发扭转模态导波的半波长。
在一个可选实施例中，线圈阵列1采用铜制导线缠绕而成。
在一个可选实施例中，线圈阵列1也可以整体采用柔性电路板印制而成。
在一个可选实施例中，磁铁底座22为多节可拆卸式的柔性体，使得一个磁铁底座22可以适用于多种尺寸的管道检测。例如，磁铁底座22不足以完全缠绕管道3的外壁，则再添加几节；而如果磁铁底座22缠绕管道3的外壁后还有剩余，则将多余部分拆卸下来即可。其中柔性体两头的连接，或者增减几节都可以使用粘扣带。例如，磁铁底座22可以是由多个长方体组成，长方体的两个长的侧边通过销轴等连接方式连接形成柔性的磁铁底座22，使用时，将该磁铁底座22缠绕在管壁上即可。或者磁铁底座22为弹性胶体等，也是可以的。
应用以上的电磁超声换能装置，可以形成一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含有以上所述的磁致伸缩传感器。并且，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接。接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。
本发明还提供一种利用扭转模态超声导波检测管道的方法，应用以上的管道检测系统进行如下步骤：
将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过放大和滤波处理后，被示波器接收并显示出来。
在一个可选实施例中，通过改变轴向相邻永磁铁的间距，可以激励出不同模态的扭转导波，如t(0,1)、t(0,2)、t(0,3)等模态，根据频散曲线选择合适的模态作为检测波。
下面以火力发电站中使用的钢制圆管为例具体说明一个应用以上的管道检测系统进行检测的实例。
待检测的管道3是火力发电站中使用的钢制圆管，规格为φ42.7×3.5×2000(单位：mm)，杨氏模量为1.96×1011pa，密度为7.84g/cm3，泊松比为0.3。图5给出了上述参数下，该钢管中扭转模态导波的频散曲线，通过频散曲线选择t(0,1)模态作为目标波型，激励频率设为100khz，并求得该中心频率下t(0,1)模态导波的半波长为15.5mm，群速度为3100m/s。
如图2所示，所述的线圈阵列1由8个线圈11并联而成，线圈11采用铜制导线缠绕而成，线圈直径为0.3mm，缠绕匝数为15匝，提供沿管道圆周方向的动态交变磁场。
如图3所示，所述的永磁铁阵列2为16×6的永磁铁阵列，包括永磁铁21和磁铁底座22，永磁铁21为方形永磁铁，长宽高分别为13mm、8mm和10mm，极化方向为永磁铁的高度方向(即管道的径向)，表面磁感应强度为488.7mt，永磁铁21呈极性交错排列，安装在磁铁底座22的磁铁插槽221中，轴向相邻的永磁铁21间距等于所激发t(0,1)模态导波的半波长15.5mm。
如图4所示，所述的磁铁底座12内侧为直径42.7mm的内圆，与管道3的外径尺寸相配合，外侧是一个十六棱柱体，在十六棱柱体的每一侧面上，沿轴向设置有6个间隔排列的方形磁铁插槽221，与方形永磁铁11的尺寸相配合。
通过上述参数设计后的扭转模态磁致伸缩传感器，提供了一种使用t(0,1)模态导波检测管道缺陷的方法：
图6是该磁致伸缩传感器检测管道缺陷的试验系统示意图。发射探头和接收探头均使用上述参数所设计的t(0,1)模态的磁致伸缩传感器，发射探头安装在管道3的左侧端面处，接收探头和发射探头相距0.8m，凹槽缺陷31是深度为0.5mm、宽度为5mm的周向凹槽，距离管道3的左侧端面1.3m，管道全长为2m。信号发生器产生中心频率为100khz的5周期汉宁(hanning)波信号，通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出t(0,1)模态的超声导波在管道3中向右传播，当超声导波遇到凹槽缺陷31时会产生向左传播的反射回波，反射回波被接收探头检测到，再经过前置放大器和滤波器处理后，最终被示波器接收并显示出来。
如图7所示，是接收到的超声导波信号的波形图，根据先前通过频散曲线计算得到的t(0,1)模态导波的群速度，可以分析波形图中各波包对应的导波形态，从而验证该磁致伸缩传感器的可靠性和有效性。通过分析计算，可得第一个波包对应t(0,1)模态的直达波41，即发射探头产生的t(0,1)模态导波向右传播0.8m后直接被接收探头检测到的波形信号，第二个波包对应缺陷反射回波42，即t(0,1)模态导波遇到凹槽缺陷31后产生的向左传播的反射回波信号，第三个波包对应端面反射回波43，即t(0,1)模态导波遇到管道3右侧端面后产生的向左传播的反射回波信号。
通过上述试验验证，证明所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器可有效的激励和接收高信噪比的扭转模态导波信号，可快速有效地对钢管中的缺陷进行定位检测。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种扭转模态磁致伸缩传感器，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。