一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头制作方法

技术领域

本发明涉及管道损伤检测领域，尤其涉及不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测仪器设计制造，能够实现在不拆除保温层的工况下，将谐波磁场聚焦到带保温层的钢质管道上并采集磁场信号，完成对管道的检测，同时能够适应不同管径、不同保温层厚度的管道检测，还具有操作简单，抗干扰能力强，调节方便的优点，能够满足实际工程检测要求。

背景技术

管道运输作为与铁路、公路、航空、内河并列的五大运输方式之一，对国家的运输行业有着至关重要的作用。但由于管道缺腐蚀、自然力破坏、第三方损伤等因素导致的管道缺陷却严重影响着管道的服役寿命和可靠性。因此，对在役管道进行定期检测成为了保障管道正常运行的重要途径。然而，在铺设管道时，为了避免管道受损，通常会在管道外包覆保护层和绝缘层，这使管道的检测工作更加困难。在现有的管道检测方法中，内检测法往往需要清管停运，费时费力；而现有的外检测方法中，超声导波检测法对于外壁带有保温层的管道，由于超声波在保温层中有较大的衰减，其检测范围明显缩短；脉冲涡流法、微波检测法和红外检测法能够避免保温层的干扰，但对管道内壁腐蚀的检测灵敏度较低，只能检测外壁腐蚀和表层缺陷

因此，为了在不停机、不拆除保温层的工况下对在役管道进行检测，需要发明一种磁场聚焦效果好，操作简单，穿透力强的管道检测探头，从而完成对管道损伤的检测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对在役带保温层钢质管道进行不拆保温层损伤检测，设计了一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头，本发明基于谐波磁场检测方法，能够实现将谐波磁场穿透管道保温层聚焦于管体，从而完成对在役钢质管道的检测。本发明操作简单，效果明显，能够满足工程检测的需要。

本发明公开了一种不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头制作方法，包括：激励线圈阵列(1)、高灵敏度磁性传感器(2)、数据传输线(3)、SMA 线圈供电射频线(4)、柔性检测探头外壳(5)，其中，

所述磁性传感器(2)选用三轴TMR线性传感器(12)，其采用了三个推挽式惠斯通全桥结构设计，每一轴惠斯通全桥提供差分电压输出。传感器灵敏度能够达到100mV/V/Oe,检测饱和磁场为±8Oe。在设计时，为了结构的合理，将 TMR传感器放在小激励线圈(11)的中心。

所述激励线圈阵列(1)制作参数包括线圈形状、阵列形式、大线圈尺寸、小线圈尺寸、线圈匝数和使用材质。激励线圈阵列能够使谐波磁场穿透保温层，并很好地聚焦于管体，增强检测效果。

所述线圈形状设计，根据毕奥-萨伐尔定律，分别计算在相同条件下，圆形线圈、矩形线圈、三角形线圈在垂直距离1m处的磁感应强度值，在综合考虑磁场聚焦效果和线圈制作难度，选择方形作为最终的线圈形状。

所述阵列形式，为了增强磁场聚焦效果，设计了如图4所示阵列线圈，阵列线圈采用一个大线圈(10)与四个小线圈(11)组合的形式，同时将TMR磁传感器(12)放置于线圈中心处，保证线圈缠绕方向相同，电流方向一致，增强磁场聚焦效果。同时为了进一步增强磁场聚焦效果和对保温层的穿透能力，将线圈阵列设计为弧状弯曲形式，以适应管道形状，使线圈阵列贴附在保温层上。

所述大线圈尺寸设计，为了满足大多数管道和保温层的尺寸，根据工业管道尺寸标准，大多数带保温层管道管径在400mm以内，因此将大线圈长度设计为 400mm管径的半周长，即628mm，宽度略大于小线圈尺寸。

所述小线圈尺寸设计，利用毕奥-萨伐尔定律对图7所示的单匝矩形线圈磁场建模。根据毕奥-萨伐尔定律可知，一段载流直导线在空间某点产生的磁场为

同理，求出另外三条边在P点产生的磁感应强度，将各边载电流产生的磁场分量相加，即为线圈在P点产生的场强。由于磁传感器位于线圈中心点，即x、y、z 均为0时，计算此处磁感应强度得

根据式2，当a、b相等时，B

所述线圈匝数设计，根据国标漆包线标准GB6109，直径0.5mm漆包线电阻值为0.08959Ω/m，考虑到激励源的最大功率和传感器精度范围，将线圈匝数定为15-20匝，同时需要在线圈外部串接一个2Ω的电阻，防止激励源因电流过大被烧毁。

所述使用材质，为了避免多匝线圈互相干扰，缠绕线圈材质选用漆包铜线，导体外包覆的绝缘层能够避免线圈之间电流的传递。

所述数据线(3)包括两个J30J-37TJL矩形连接器头(9)和一段30芯高柔性双绞屏蔽线(8)，数据传输线一端与检测探头上的插座(15)相连，一端与数据采集卡连接，将探头采集到的数据传输到采集卡上。

所述线圈供电射频线(4)包括两个SMA-J内螺内针纯铜公头(7)和一段 RG316射频线(6)，供电射频线一端与检测探头上的纯铜母头(14)相连，一端与谐波电源相连，为线圈提供谐波电流。

所述柔性检测探头外壳与固定装置(5)包括SMA母头(14)，数据传输插头(15)，0.5mm硬质PVC板(19)，PVC角形材(17)，铝合金把手(18)，风琴罩(16)，尼龙绑带(20)。为了避免对检测磁场产生影响，外壳各部分采用非磁性材料，连接方式均采用胶粘或尼龙螺栓螺母连接，尽可能减少磁性材料的使用。.

所述线圈供电SMA母头(14)，采用两个SMA-K外螺内孔纯铜母头，两个SMA母头接线端分别与激励线圈的电流输入输出端相连，螺纹端与供电射频线公头(7)相连，用于给激励线圈阵列(1)供电。

所述数据传输插头(15)，采用J30J-37ZKP矩形连接器插座，该连接器体积小，采用非磁性材料，能够减小对检测探头的干扰，同时具有37个接线端子，接线端1-24号线与四个磁传感器(2)数据输出端相连，用于传输数据，同时在接线处外部应包裹屏蔽网线，减小在数据传输过程中的干扰。30-33号线与传感器VCC引脚相连，34-37号线与GND引脚相连，为磁传感器供电。

本发明通过将矩形线圈阵列与高灵敏度磁性传感器组合，并集成在非磁性材料制成的外壳上，制成谐波磁场聚焦检测探头，通过磁聚焦的方法使磁场穿透保温层，作用于管壁，采集磁场信号并转化为电压信号输出给采集卡，从而判断管道的损伤状态。通过接线端子分别将传感器和线圈的端子集成，使用简单，便于操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、能够对带有保温层的管道进行检测，可以减小停机和拆除保温层带来的经济损失；

2、采用阵列线圈，并将线圈弯曲贴合在管道表面，增强了磁场聚焦效果，提高了检测精度，同时增大了对保温层的穿透性；

3、可弯曲的外壳可很好的贴合于管道保温层上，通过调节固定尼龙带长短，使探头能够贴合于不同管径管道上，适应性强；

4、将线圈的输入输出端、传感器数据输出引脚和传感器供电引脚分别集成到接线端子上，使用时操作简单。

附图说明

图1是本发明实施例所述的整体结构示意图：

图2是本发明实施例所述的SMA射频连接线示意图：

图3是本发明实施例所述的数据线示意图：

图4是本发明实施例所述的阵列线圈示意图：

图5是本发明实施例所述的柔性外壳及固定装置示意图：

图6是本发明设计的一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头示意图。

图7是本发明实施例所述的线圈磁场建模示意图。

图中，激励线圈阵列(1)、高灵敏度磁性传感器(2)、数据线(3)，SMA 射频线(4)、柔性外壳(5)、RG316射频线(6)、SMA内螺内针公头(7)、30芯高柔性双绞屏蔽线(8)、矩形连接器插头(9)、大矩形线圈(10)、小矩形线圈(11)、TMR磁传感器(12)、传感器电路板(13)、SMA外螺内孔母头(14)、矩形连接器插座(15)、风琴罩(16)、PVC角形连接板(17)、铝合金把手(18)、PVC薄板(19)尼龙固定绑带(20)。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，图1所示是本发明设计的一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头，包括激励线圈阵列(1)、高灵敏度磁性传感器(2)、数据传输线(3)、SMA线圈供电射频线(4)、柔性检测探头外壳(5)。激励线圈阵列(1)与高灵敏度磁性传感器(2)通过胶粘的方式固定在柔性检测探头外壳 (5)上，并与外壳上的接线端子相连。数据传输线(3)通过矩形连接器插头(9) 连接检测探头和采集卡，将探头测得的数据传输给采集卡。SMA射频线(4)通过SMA外螺内孔母头(14)和内螺内针公头(7)连接检测探头和激励源，为探头内的激励线圈阵列(1)供电。

如图2所示，所述数据线(3)包括两个J30J-37TJL矩形连接器插头(9) 和一段30芯高柔性双绞屏蔽线(8)。

如图3所示，所述SMA线圈供电射频线(4)包括两个内螺内针公头(7) 和一段RG316射频线(6)。

如图4所示，所述激励线圈阵列包括四个小矩形线圈(12)、一个大矩形线圈(11)和四个高灵敏度磁传感器模块(2)。为了保证检测精度，TMR高灵敏度磁传感器(12)不能够长期暴露在外界环境中，所以在不需要检测时，需要将其保存在磁屏蔽桶中，检测时再将传感器安装到传感器电路板(13)上。TMR 高灵敏度磁传感器(12)和传感器电路板(13)采用直插式连接形式，拆装简单。

如图5所示，所述柔性外壳包括两个SMA外螺内孔母头(14)、一个矩形连接器插座(15)、风琴罩(16)、PVC角形连接板(17)、铝合金把手(18)、 PVC薄板(19)。其中，风琴罩(16)能够弯曲伸缩，PVC薄板(19)可以弯折，因此检测探头可以贴合到管道保温层上。同时，风琴罩(16)与PVC角形连接板(17)采用螺栓螺母连接，便于探头内部磁传感器(13)的安装与卸下。

如图6所示，为本发明设计的一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头，包括检测检测探头、固定装置(20)、数据线(3)、SMA射频线(4)。检测探头通过固定装置(20)固定在管道保温层上，数据线(3)通过矩形连接器插头(9)与检测探头相连，SMA射频线(4)通过SMA外螺内孔母头(14) 和内螺内针公头(7)连接检测探头和激励源。

使用谐波磁场聚焦检测探头进行检测的步骤如下：

(1)从磁屏蔽桶中取出TMR磁传感器(12)打开风琴罩(16)，将传感器插入传感器电路(13)上的直插母座中，用螺栓螺母固定风琴罩(16)和PVC 角形连接板(17)；

(2)将检测探头放置在待测管道保温层上，根据保温层调整固定装置(20) 的松紧程度，使探头贴合管道保温层，又能够沿着管道轴向自由移动；

(3)用SMA射频线(4)将激励源和检测探头连接，用数据线(3)将采集卡和检测探头连接；

(4)打开检测设备，在管道上方沿同一方向多次匀速移动检测探头，完成检测；

(5)检测结束后，拆下TMR磁传感器(12)，放回屏蔽桶，避免外界环境干扰传感器精度，影响下次实验。

本发明通过将矩形线圈阵列和磁性传感器组合，并集成到柔性外壳上，设计制作了一种用于不拆保温层的钢质管道谐波磁场聚焦检测探头。通过采用线圈阵列和弧状线圈来增强磁场聚焦效果，增加磁场穿透保温层的能力从而增大检测精度。将传感器输出引脚集成到一个插头上，并通过数据线连接到采集卡，使用方便。通过固定装置将探头固定在保温层上，沿管道轴向移动探头，即可完成对管道的检测，安装时调节固定装置还可以使探头适应不同管径和保温层厚度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。