[发明专利]一种适用于高压/充液环境的磁致伸缩导波传感器

说明书

本发明为一种适用于高压/充液环境的磁致伸缩导波传感器。该传感器包括瓦形永磁体、检测线圈、磁致伸缩贴片、磁轭、喉箍、弹性层和套筒；弹性层包裹在管路上，弹性层的外侧，对称粘贴有两块弧形的磁致伸缩贴片，磁致伸缩贴片的外侧两端的边缘处分别套有一个圆环形的喉箍，喉箍之间的磁致伸缩贴片外表面，绕制有检测线圈；检测线圈外包覆有套筒，套筒上均匀分布的四个扇形槽内，各分布有一个瓦形永磁体，每个瓦形永磁体径向的两侧，各固定有一个条状的磁轭。本发明得到的传感器具有更高的换能效率，新型导波传感器能适用于高压充液环境下管道缺陷的监测。

技术领域

本发明将磁致伸缩Fe-Co材料应用于导波传感器领域，主要涉及基于Fe-Co材料的新型磁致伸缩导波传感器，可应用于高压充液管道，实现对高压充液环境下管道缺陷的位置测量。该导波传感器的核心部分为高磁致伸缩系数磁致伸缩材料贴片，瓦形永磁体，检测线圈，喉箍，弹性层，磁轭，套筒。其特点是导波激励效率高、信号衰减幅度小，可应用于高压充液管道，克服充液管道中导波幅值衰减导致缺陷无法识别的现象。

背景技术

磁致伸缩导波传感器是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应实现的一种导波传感器，主要用于管道缺陷检测和健康监测。美国西南研究院和英国TWI研究所各自经过二十多年的技术积累与研发,分别开发了MsS导波检测仪器和Teletest长距离导波检测仪器,作为典型的商业化导波检测仪器,已在各行业中进行了大量应用,并取得了良好的效益。由于这种传感器具有非接触式、高灵敏度、线性度好、单点激励、长距离监测、可适应恶劣环境等优点，已被广泛应用于管道缺陷检测和管道结构健康监测中，管道作为五大运输工具之一，与铁路、公路和水路等传统运输方式相比具有一次性投资少、运输成本低、安全性高、利于环保等独特优势，尤其适合长距离传输易燃、易爆的石油天然气。目前磁致伸缩导波传感器采用Fe-Co系磁致伸缩材料作为贴片，选择该合金的原因有三点：一是具有魏德曼效应；二是有着好的塑性容易加工成薄片；三是具有高磁致伸缩系数，保证在高压充液环境下传播扭转波声速的稳定性，克服充液环境中导波信号衰减的问题。刘增华教授利用集成的器件搭建了整套的基于磁致伸缩原理的导波检测装置，并基于该装置利用激励频率50kHz的T(0,1)模态对长的充水与未充水的管道进行检测，结果表明，该模态下的扭转导波可以对充水管道进行无损检测。由于充液管道中液体粘度和密度大小的影响，限制了磁致伸缩导波传感器的使用范围，而随着运输天然气和石油管道铺设长度的增加，迫切需要能够在高压环境下稳定工作的导波传感器，同时在工作环境中保证一定的换能效率。想要传感器在充液环境下工作必须使用具有高磁致伸缩系数的磁致伸缩材料作为贴片，申请者前期对于磁致伸缩贴片的研制做了系统的工作，通过合金成分与加工工艺的优化制备出了Fe-Co磁致伸缩合金贴片(Φ＝0.15mm)，这种合金贴片的磁致伸缩系数在90PPM以上，能够满足导波传感器在高压充液环境下的工作条件；同时永磁体也使用具有强磁场的定制的钕铁硼瓦形永磁体。除此之外，目前的磁致伸缩导波传感器由于都是使用环氧树脂将传感器耦合到管道上，传感器安装完成后很难改变相对位置，难以做到二次使用并且后续的管道清理也有一定麻烦；因此，采用夹具将传感器耦合到管道上，可以改变传感器安装位置，做到不同频率导波的单向激励。而在高压充液环境工作时，不同压力下的声速变化不大，但回波信号幅值衰减较为明显，因而现有的导波传感器已经不再适用。因此，想要传感器在较高的压力下识别出管道缺陷的具体位置，需要重新设计适合高压充液环境下工作的传感器结构，增加回波幅值补偿功能，减小甚至消除压力变化带来的缺陷识别的影响。

Kim团队(10.1109/TUFFC.2010/1535)提出了激励扭转导波的磁致伸缩贴片传感器，是用矩形周向磁化的矩形永磁体为磁致伸缩贴片提供周向静磁场，但没考虑到磁致伸缩材料的最佳激励磁场，并且矩形磁体产生的磁场均匀性较差，激励出导波信号包含较多不同模态。

发明内容