CN102645490A - 一种频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器 - Google Patents

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宋旗川
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Abstract

一种频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器，该传感器包括永磁体磁路，柔性印刷励磁线圈、柔性印刷感应线圈和连接器等部分，可在圆柱型铁磁性材料波导中激励出纵向模态超声导波，用于对缺陷的检测。柔性印刷励磁线圈可在永磁体磁路提供的偏置磁场基础上，调节总体偏置磁场强度的大小，使波导材料达到最佳磁化状态；柔性印刷感应线圈可卷曲成圆柱状，通过连接器连接和缩紧后安装于钢杆或钢索表面，在其中激励和接收纵向模态超声导波；通过改变柔性印刷感应线圈中的各段线圈端头的连接方式，可改变传感器的频率特征参数，实现中心频率的调节，由此扩展单体纵向模态磁致伸缩传感器的工作频带范围。

Description

一种频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器
技术领域
本发明为中心频率可调节的纵向模态磁致伸缩传感器，属于电磁声学传感器技术领域，适合安装于钢杆、钢索等圆柱型铁磁性材料波导上。
背景技术
磁致伸缩传感器在对钢杆、钢索等波导进行缺陷检测时，需要根据实际检测条件选择使用不同频率的传感器：要求检测距离远时，一般选择低频传感器；要求检测精度高时，一般选择高频传感器。当单一传感器只具备单一中心频率时，若需要使用不同频带对同一波导进行检测时，需要制作多个具有不同中心频率的传感器，并在检测时需多次进行更换。此外，传感器使用固定的永磁体磁路时，若被测波导材料和尺寸发生变化，材料难以保持最佳磁化状态。因此，需要发展中心频率可调、静态偏置磁场可调的的单体传感器，适应实际检测的要求。
发明内容
本发明的目的在于实现一种中心频率可调节的单体纵向模态磁致伸缩传感器，使其可在钢杆和钢索等圆柱型铁磁性材料波导中激励出纵向模态超声导波，并且可对该传感器提供的静态偏置磁场强度进行控制，以适应波导材料和尺寸的变化，确保材料处于最佳磁化状态。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器包括由半圆铁环1、轭铁3、永磁体7和鞍片8组成的永磁体磁路以及一片柔性印刷励磁线圈4和一片柔性印刷感应线圈5。半圆铁环1形成的圆孔内径大于圆柱型铁磁性材料波导2外径。两块轭铁3位于圆柱型铁磁性材料波导2的两侧，平行于圆柱型铁磁性材料波导2的轴线方向。轭铁3的两端分别通过永磁体7、鞍片8搭接在由两个半圆铁环1组成的圆环上；圆柱型铁磁性材料波导2的两端架在上述由半圆铁环1组成的圆环上；轭铁3、永磁体7、半圆铁环1和鞍片8形成单边磁路；柔性印刷励磁线圈4和柔性印刷感应线圈5卷曲一次后经与各自焊接的连接器6扣合锁固后安装于圆柱型铁磁性材料波导2上；柔性印刷励磁线圈4和柔性印刷感应线圈5保持轴向几何中心位置一致，且柔性印刷励磁线圈4的轴向长度大于柔性印刷感应线圈5的轴向长度2倍以上；柔性印刷励磁线圈4位于柔性印刷感应线圈5的外侧，
柔性印刷感应线圈5印刷有2N段布线一致的铜质线圈9，经过连接器6扣合锁固后，柔性印刷感应线圈5形成2N段与圆柱型铁磁性材料波导2同轴的螺线管线圈。每段螺线管包含两个连接端口11，共4N个接口印刷和布置在柔性基板10上，其中N为自然数。
通过对4N个接口进行不同的连线方式，可实现对2N段螺线管的绕向进行控制，形成n段正反向交替绕制的等间距螺线管，最终实现对传感器中心频率的控制，其中n为可被2N整除的自然数，N为自然数。
永磁体磁路主要提供给静态偏置磁场用于对圆柱型铁磁性材料波导2的磁化，当圆柱型铁磁性材料波导2的材料和尺寸发生变化时，最佳的静态偏置磁场强度不同，因此需针对实际检测条件调整静态偏置磁场的强度，为此设计柔性印刷励磁线圈，控制其中通入直流的大小和方向，即可在永磁体磁路形成的静态偏置磁场基础上增大或减小偏置磁场的强度。
所述的柔性感应线圈包含的偶数段同向绕制的螺线管线圈可划分为等长间隔的线圈组，线圈组数为可被柔性感应线圈数整除的自然数，线圈组数×每组内包含柔性印刷线圈段数＝总柔性印刷感应线圈段数，通过调整柔性线圈所有的2倍于柔性感应线圈段数的连接端口的连接方式，以此调节柔性感应线圈的频率特征参数。连接端口在柔性基板10一端，可实现每组线圈内部同向绕制，线圈组间依次正反交替绕制。
本发明可以获得如下有益效果：
本发明采用以上技术方案，使得单体柔性纵向模态磁致伸缩传感器可实现中心频率的调节，扩展单体磁致伸缩传感器的工作频带单位，并且针对被测波导材料变化和尺寸变化调节最佳磁化所需的静态偏置磁场强度，以使传感器性能最佳。
附图说明
图1本发明整体安装简图；
图2柔性印刷感应线圈示意图；
图3频率特征参数为L时柔性印刷感应线圈端口连接方式；
图4频率特征参数为L/2时柔性印刷感应线圈端口连接方式；
图5频率特征参数为L/n时柔性印刷感应线圈端口连接方式；
图6直径为6.3mm钢杆中L(0，1)模态的波长-频率频散曲线；
图7单体传感器工作于中心频率64KHz时，在直径为6.3mm钢杆中的实验信号；
图8特征参数D＝40mm时的中心频率；
图9单体传感器工作于130KHz中心频率时，在直径为6.3mm钢杆中的实验信号；
图10特征参数D＝20mm时的中心频率；
图11单体传感器工作于240KHz中心频率时，在直径为6.3mm钢杆中的实验信号；
图12特征参数D＝10mm时的中心频率。
图中：1、半圆铁环，2、圆柱型铁磁材料波导，3、轭铁，4、柔性印刷激励线圈，5、柔性印刷感应线圈，6、连接器，7、永磁体，8、鞍片，9、铜质线圈、10、柔性基板，11、连接端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
如图1频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器由永磁体磁路、柔性印刷励磁线圈4和柔性印刷感应线圈5组成。柔性印刷感应线圈5包含的2N(N为自然数)段，且柔性印刷感应线圈5长度大于被测圆柱型铁磁性材料波导轴向周长。永磁体磁路通过两个半圆铁环扣合后以非接触方式安装于圆柱型铁磁性材料波导2上，分离两个半圆铁环可将永磁体磁路从圆柱型铁磁性材料波导2上拆卸；柔性印刷励磁线圈4和柔性印刷感应线圈5都具有柔性，可卷曲成圆柱状，贴覆在圆柱型铁磁性材料波导2表面，经连接器扣合后安装于圆柱型铁磁性材料波导2上，解除连接器锁固后，可从圆柱型铁磁性材料波导2上拆装。由此，整个频率可调的柔性纵向模态磁致伸缩传感器都便于拆装，适合用于实际工程检测。
纵向模态磁致伸缩传感器要实现对中心频率f的控制，必须将轴向长度为L的柔性印刷感应线圈5包含的2N(N为自然数)段同向绕制螺线管划分成n(n为可被2N整除的自然数)组等间距的线圈，在每组线圈内，各段线圈依然保持同向绕制方式，但相邻两组线圈间必须为正反交替绕制。
每组线圈的轴向长度为L/n，称作频率特征参数D(如图2)，当n(n为可被2N整除的自然数)取不同值时，柔性印刷感应线圈5的频率特征参数D取值不同。如图3中的组数n＝1，则其频率特征参数为L；图4中的组数n＝2，则其频率特征参数为L/2；图5中的组数为n，则其频率特征参数为L/n。
当柔性印刷感应线圈5的频率特征参数D确定后，通过计算圆柱型铁磁性材料波导2中纵向模态的波长(λ)与频率(f)的频散曲线，令D＝L/n＝λ/2，即可确定频率特征参数D对应的频率f，称作柔性印刷感应线圈5在频率特征参数D控制下的中心频率。
为验证单体磁致伸缩传感器频率可调的功能，采用轴向长度为40mm，分成2N＝4组的线圈进行试验。如上所述线圈划分方法，对应存在n＝1，n＝2和n＝4共三种划分方式。采用上述的接口连接方法(图3、4、5)，三种方式对应的频率特征参数分别为D＝40mm，D＝20mm和D＝10mm。图6为直径为6.3mm钢杆中L(0，1)模态的波长-频率频散曲线，频率特征参数D＝40mm，D＝20mm和D＝10mm分别控制的中心频率约为f＝64kHz，f＝130kHz和f＝240kHz。
将线圈频率特征参数分别为D＝40mm，D＝20mm和D＝10mm的单体纵向模态磁致伸缩传感器在直径为6.3mm，长为2.0m的钢杆中依次进行试验。单体纵向模态磁致伸缩传感器安装于距离钢杆左端部0.5m处，距离钢杆右端部0.5m处存在一轴向长度2mm，深度2mm的人工切槽。图7、9和11分别对应频率特征参数为D＝40mm，D＝20mm和D＝10mm时的试验信号。选择图7、9和11中的右端面回波，分别计算其频谱图，可看出，频率特征参数为D＝40mm，D＝20mm和D＝10mm时，其频率如图8、10、12；纵向模态磁致伸缩传感器可工作于f＝64kHz，f＝130kHz和f＝240kHz，从而拓展了单体纵向模态磁致伸缩传感器的工作频带范围。
频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器包括的柔性印刷励磁线圈4为同向绕制的螺线管线圈，在其中通入直流，可在其内部形成静态偏置磁场，并与永磁体磁路形成的静态偏置磁场相叠加，对圆柱型铁磁性材料波导2进行磁化，当磁场强度对应的材料磁致伸缩系数最大时，达到最佳磁化状态，可提升磁致伸缩传感器在圆柱型铁磁性材料波导2中激励与接收超声导波的能力。当圆柱型铁磁性材料波导2材料变化和尺寸变化后，最佳磁化状态对应的静态偏置磁场强度发生改变。当控制通入柔性印刷励磁线圈4的直流大小和方向，可实现对叠加后静态偏置磁场强度大小的控制，以保持磁致伸缩传感器激励和接收超声导波的性能。

Claims (2)

1.频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器，包括有由半圆铁环(1)、轭铁(3)、永磁体(7)和鞍片(8)组成的永磁体磁路以及一片柔性印刷励磁线圈(4)和一片柔性印刷感应线圈(5)；其特征在于：两块轭铁(3)位于圆柱型铁磁性材料波导(2)的两侧，平行于圆柱型铁磁性材料波导(2)的轴线方向；轭铁(3)的两端分别通过永磁体(7)、鞍片(8)搭接在由两个半圆铁环(1)组成的圆环外侧；圆柱型铁磁性材料波导(2)的两端架在所述由半圆铁环(1)组成的圆环内；所述由半圆铁环(1)组成的圆环内径大于圆柱型铁磁性材料波导(2)外径；轭铁(3)、永磁体(7)、半圆铁环(1)和鞍片(8)形成单边磁路；柔性印刷励磁线圈(4)和柔性印刷感应线圈(5)卷曲一次后经与各自焊接的连接器(6)扣合锁固后安装于圆柱型铁磁性材料波导(2)上；柔性印刷励磁线圈(4)和柔性印刷感应线圈(5)保持轴向几何中心位置一致，且柔性印刷励磁线圈(4)的轴向长度大于柔性印刷感应线圈(5)的轴向长度2倍以上；柔性印刷励磁线圈(4)位于柔性印刷感应线圈(5)的外侧；
柔性印刷感应线圈(5)印刷有2N段布线一致的铜质线圈(9)，经过连接器(6)扣合锁固后，柔性印刷感应线圈(5)形成2N段与圆柱型铁磁性材料波导(2)同轴的螺线管线圈。每段螺线管包含两个连接端口(11)，共4N个接口印刷和布置在柔性基板(10)上，其中N为自然数。
2.根据权利要求1所述的频率可调的纵向模态磁致伸缩传感器，其特征在于：所述的圆柱型铁磁性材料波导(2)为钢杆或钢索。
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