一种管用内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头

技术领域

本发明涉及一种用于管道结构检测的电磁超声导波探头，具体涉及一种管用内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，可用于铁磁性材料管道缺陷的长距离、大范围检测。

背景技术

铁磁性材料管道在能源、化工等行业中广泛应用，由于在长期的内外部环境的作用下，例如承受高温高压气体和化学液体侵蚀等条件下，容易出现裂纹和腐蚀缺陷。由于超声导波检测技术因其具有单点激励即可实现长距离检测、不可达区域检测等优势，在管道检测中得到了广泛应用。管道中沿轴向传播的T(0,1)扭转模态导波具有非频散的特性，便于信号的分析与处理。常见的管道扭转导波传感器有压电式、洛伦兹力式和磁致伸缩式.其中，磁致伸缩式基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，易于设计，并且可以利用铁磁性管道自身的磁致伸缩效应实现非接触式检测，适用于高温、带包覆层等表面难以处理的管道。

然而，目前用于管道检测的磁致伸缩式扭转导波传感器均通过在管道表面粘贴高饱和磁致伸缩材料的方式激励和接收扭转导波，属于接触式传感器。此类传感器应用于管道扭转导波检测时，一方面须对管道表面进行打磨处理，造成管道表面损伤，无法实现高温、带包覆层等表面难以处理的管道导波检测；另一方面高饱和磁致伸缩材料难以重复使用，提高了检测成本。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种新型的非接触、布置便捷、检测可达性好、检测距离长的用于铁磁性材料管道长距离检测的内插式电磁超声导波探头，将探头插入管道端部开口处，即可实现对于管道的长距离检测。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种管用内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，导波探头由信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4、长方体型磁铁5、支撑骨架6、表面保护层7和信号连接线8组成；通过支撑骨架6将长方体型磁铁5固定，同时将所有的信号收发弧形线圈组缠绕粘连在支撑骨架6上，并且将所有的信号收发弧形线圈组从支撑骨架6中间引出和信号连接线8相连，并且在信号收发弧形线圈组外面包覆有表面保护层7。

导波探头的信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组二2中的线圈走向相反，并且信号收发弧形线圈组三3和信号收发弧形线圈组四4的走向也相反，用于产生相反方向的轴向高频动态磁场10；并且信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组二2两个线圈组中心间距为半波长，用于增强导波信号；由于长方体型磁铁5产生对称分布的静态偏置磁场11，因此导波探头的信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组三3的走向对称分布，信号收发弧形线圈组二2和信号收发弧形线圈组四4的走向也对称分布，以此来产生对称分布的高频动态磁场10。

使用时将所述导波探头直接插入被测管道端部开口处，通过在信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3和信号收发弧形线圈组四4中通入高频脉冲电流，从而在铁磁性材料被测管道9中产生轴向的高频动态磁场10，同时在长方体型磁铁5提供的周向的静态偏置磁场11下，基于磁致伸缩效应在铁磁性材料被测管道9中激发沿管道轴向传播的T(0,1)扭转模态超声导波12，当扭转模态超声导波12在管道中遇到缺陷和边界时发生反射，反射后的缺陷回波与静态偏置磁场11相互作用，基于磁致伸缩逆效应从而在信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4中接收端部反射回波，最后通过对缺陷回波检出能够对铁磁性材料被测管道中的缺陷进行定位和定量检测。

导波探头整体呈长圆柱体结构。

提供周向静态偏置磁场的长方体型磁铁5为永磁体或电磁铁线圈，支撑骨架6采用非导电材料用于固定长方体型磁铁5和信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4的相对位置，表面保护层7也采用非导电材料，用以隔离线圈和管道内壁。

本发明导波探头可以高效的激发和接收T(0,1)扭转模态超声导波信号，同时该探头具有非接触性、在管道内布置和使用便捷、体积轻便小巧的优点。

附图说明

图1为本发明管用内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头的结构示意图。

图2为本发明检测方法中导波探头在管道内的布置和导波传播示意图。

图3为本发明探头接收的导波信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出一种管用内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，该导波探头由信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4、长方体型磁铁5、支撑骨架6、表面保护层7和信号连接线8组成。通过支撑骨架6将长方体型磁铁5固定，同时将所有的信号收发弧形线圈组缠绕粘连在支撑骨架6上，并且将所有的信号收发弧形线圈组从支撑骨架6中间引出和信号连接线8相连，并且在信号收发弧形线圈组外面包覆有表面保护层7。导波探头的信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组二2中的线圈走向相反，并且信号收发弧形线圈组三3和信号收发弧形线圈组四4的走向也相反，用于产生相反方向的轴向高频动态磁场10；并且信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组二2两个线圈组中心间距为半波长，用于增强导波信号；由于长方体型磁铁5产生对称分布的静态偏置磁场11，因此导波探头的信号收发弧形线圈组一1和信号收发弧形线圈组三3的走向对称分布，信号收发弧形线圈组二2和信号收发弧形线圈组四4的走向也对称分布，以此来产生对称分布的高频动态磁场10。

该导波探头的检测原理为：使用时将导波探头直接插入被测管道内部，通过在信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4中通入高频脉冲电流，从而在铁磁性材料被测管道9中产生轴向的高频动态磁场10，同时在长方体型磁铁5提供的周向的静态偏置磁场11下，基于磁致伸缩效应在铁磁性材料被测管道9中激发沿管道轴向传播的T(0,1)扭转模态超声导波12，当扭转模态超声导波12在管道中遇到缺陷和边界时发生反射，反射后的缺陷回波与静态偏置磁场11相互作用，基于磁致伸缩逆效应从而在信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4中接收端部反射回波。

下面结合图2、图3和具体实施方式，对所提出导波探头作进一步的详细描述。

本发明目的在于提供一种新型的非接触、布置便捷、检测可达性好、检测距离长的用于铁磁性材料管道长距离检测的内插式非接触磁致伸缩扭转模态导波探头，将探头插入管道端部开口处，即可实现对于管道的长距离检测。具体包括如下步骤：

步骤一：准备带有缺陷的铁磁性被测管道9试件，将该导波探头13置入管端部开口处，直至探头中所有的信号收发弧形线圈组完全置于管道内。

步骤二：在导波探头13中的信号收发弧形线圈组一1、信号收发弧形线圈组二2、信号收发弧形线圈组三3、信号收发弧形线圈组四4中通入高频脉冲电流，从而在铁磁性材料被测管道9中产生轴向的高频动态磁场10，同时在长方体型磁铁5提供的周向的静态偏置磁场11下，基于磁致伸缩效应在铁磁性材料被测管道9中激发沿管道轴向传播的T(0,1)扭转模态超声导波12。

步骤三：激发的扭转模态超声导波12在管道中遇到缺陷14后产生的缺陷回波15被探头接收，同时扭转模态超声导波12在遇到管道端部时会发生反射，形成端部反射回波16，最后通过对缺陷回波15检出可以对管道中的缺陷进行定位和定量检测。