一种插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头的制作方法

1.本实用新型涉及一种插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，用于铁磁性金属质管道的长距离、大范围内的管道壁体积型缺陷检测。


背景技术：

2.如换热管、油气输运管道等金属质长管道被广泛应用于电力工业和石油工业中。这些管道长期工作于恶劣环境中，承受高温高压、热应力和流体侵蚀等作用，易出现裂纹、腐蚀和减薄等体积型缺陷。由于此类管路排布密集且存在大量的弯曲段，目前超声导波检测技术对此具有较好的应用前景。超声导波检测技术利用超声导波可沿薄壁构件长距离低衰减传播的特点，通过固定的探头位置即可实现对于大范围管道的全域检测。超声导波技术不但具有检测效率高、检测范围大等优点，还可完成对弯管段和异形管道的检测。
3.目前管道导波检测主要采用压电式探头，使用前需要对工件表面进行清洁和打磨处理，并在试件表面施加耦合剂，以此保证探头和试件表面的良好耦合，对工件表面要求较高且安装布置步骤较为复杂。新兴的磁致伸缩探头基于电磁感应原理和磁致伸缩机理可实现非接触检测，对试件表面要求低、无需耦合剂、安装布置方便。但传统磁致伸缩探头由于使用永磁体提供偏置磁场，存在磁场强度不易控制、持续性的磁吸力影响探头布置等缺点。因此提出新型的基于全线圈结构的磁致伸缩扭转模态导波探头，采用通电线圈代替永磁体，对于实现如换热管、油气输运管道等金属质长管道的体积型缺陷检测具有良好的应用前景。


技术实现要素：

4.本实用新型目的在于提供一种非接触、布置便捷、检测可达性好、检测距离长、检测信噪比和灵敏度高的用于铁磁性金属管道长距离检测的插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头。探头插入弯管端部开口处，即可实现对于铁磁性金属管道的长距离超声导波检测。
5.为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，包括半圆柱形偏置磁场线圈、轴向检测线圈、半圆形探头骨架和约束夹具；
7.两个半圆柱形偏置磁场线圈分别沿两个半圆形探头骨架外轮廓的周向绕制，两部分半圆结构组成完整圆柱形；在组成的圆柱形磁场线圈外侧沿轴向绕制有轴向检测线圈，且保持轴向检测线圈绕制区域位于每个半圆形探头骨架的外侧圆弧部分；约束夹具用于将偏置磁场线圈和轴向检测线圈固定在探头中央。
8.本实用新型进一步的改进在于，半圆柱形偏置磁场线圈与轴向检测线圈的走线方向呈垂直交叉布置。
9.本实用新型进一步的改进在于，工作状态时，在轴向检测线圈内通入满足超声导波激发频率范围的短脉冲电流。
10.本实用新型进一步的改进在于，工作状态时，在半圆柱形偏置磁场线圈中通入长脉冲或恒定电流，用于在在铁磁性金属管道壁内产生方向主要沿轴向的偏置磁化磁场。
11.本实用新型进一步的改进在于，两部分半圆柱形偏置磁场线圈通入的电流方向相反，在横截面上形成“8”字形回路。
12.本实用新型进一步的改进在于，轴向检测线圈用于将两部分半圆柱形偏置磁场线圈包覆。
13.本实用新型进一步的改进在于，在轴向检测线圈通入交流串脉冲电流的时刻，保证半圆柱形偏置磁场线圈中正在通入低频脉冲或恒定电流。
14.本实用新型进一步的改进在于，使用时，该探头从铁磁性金属管道开口端部插入，使轴向检测线圈完全置于管道中。
15.本实用新型至少具有如下有益的技术效果：
16.1、本实用新型所述探头利用了电磁线圈易于控制周围磁场空间分布的优点，偏置磁场线圈可在检测线圈位置处提供方向和大小均匀一致的偏置磁场。磁场大小及方向是磁致伸缩机理激发导波性能的关键因素之一，本实用新型所述探头基于磁致伸缩机理激发的超声导波的模态成分单一，因而检测回波信号易于分析；
17.2、基于磁致伸缩机理，随着偏置磁场强度增大，磁致伸缩探头激发导波幅值通常呈现先增后减的非线性趋势。在偏置磁场线圈内通电流以精准控制磁场大小，因而易于调节探头的最优效果。使得探头工作在磁致伸缩机理最优的偏置磁场大小环境中，同时也便于在多种磁性管道材料中均达到较优的检测效果；
18.3、探头整体结构小巧紧凑，可顺利插入小径管道的端部开口处进行检测，适用于传统检测探头难以实现的如电厂蒸发器换热管等密集排布小径管道的长距离检测。
附图说明
19.图1为本实用新型一种插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头的结构示意图。
20.图2为本实用新型探头基于磁致伸缩及其逆效应的导波激励与检测回波信号实现的原理示意图。
21.图3为本实用新型探头检测时在管道内的布置示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步详细说明。
23.如图1所示，本实用新型提供的一种插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，包括半圆柱形偏置磁场线圈1、轴向检测线圈2、半圆形探头骨架3和约束夹具4；两个半圆柱形偏置磁场线圈1分别沿两个半圆形探头骨架3外轮廓的周向绕制，两部分半圆结构组成完整圆柱形。在组成的圆柱形磁场线圈外侧沿轴向绕制轴向检测线圈2，且保持轴向检测线圈2绕制区域位于每个半圆形探头骨架3的外侧圆弧部分。约束夹具4将偏置磁场线圈和检测线圈固定在探头中央。半圆柱形偏置磁场线圈1与轴向检测线圈2的走线方向呈垂直交叉布置。
24.其工作时在轴向检测线圈2内通入满足超声导波激发频率范围的短脉冲电流，从
而在铁磁性金属管道壁内产生方向主要沿管道周向的感应动态磁化磁场，在半圆柱形偏置磁场线圈1中通入长脉冲或恒定电流，用于在在铁磁性金属管道壁内产生方向主要沿轴向的偏置磁化磁场。以上两磁场的叠加磁场由于磁致伸缩效应产生剪切型磁致伸缩变形，进而激发扭转模态超声导波，且可基于逆磁致伸缩效应同时接收返回至探头的超声导波回波。
25.两部分半圆柱形偏置磁场线圈1通入的电流方向相反，在横截面上形成“8”字形回路。轴向检测线圈2将两部分半圆柱形偏置磁场线圈1包覆。在轴向检测线圈2通入交流串脉冲电流的时刻，需保证半圆柱形偏置磁场线圈1中正在通入低频脉冲或恒定电流。
26.如图2所示为图1插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头的应用实例的检测原理：其工作时在轴向检测线圈2内通入满足超声导波激发频率范围的短脉冲电流，从而在铁磁性金属管道壁内产生方向主要沿管道周向的感应动态磁化磁场bd；在半圆柱形偏置磁场线圈1中通入长脉冲或恒定电流，用于在在铁磁性金属管道壁内产生方向主要沿轴向的偏置磁化磁场bb；以上两磁场的叠加磁场由于磁致伸缩效应产生剪切型磁致伸缩变形εs。由于受交变电流作用，动态磁场bd方向产生正反向变化，使得磁致伸缩变形εs呈现两种形态范围内的往复变化，进而激发扭转模态超声导波。此过程可基于逆磁致伸缩效应，由返回的扭转模态超声导波引发动态磁场变化，使得检测线圈内因电磁感应原理产生感应电压，从而实现了接收返回至探头的超声导波回波。
27.如图3所示为插入式全线圈结构非接触磁致伸缩扭转模态导波探头使用时在管道内布置的示意图。使用时需从铁磁性金属管道开口端部插入，使轴向检测线圈2完全置于管道中。激发导波5遇到缺陷6后产生缺陷回波7被探头的检测线圈2所接收，通过对缺陷回波检出可以对管道中的缺陷进行定位和定量检测。
28.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。