基于磁致伸缩导波的检测传感器、检测系统及应用

摘要

本发明公开了一种基于磁致伸缩导波的检测传感器，包括：中空壳体，其中心同轴套接有贯穿该中空壳体两端的导杆；环形磁铁，其内置于壳体中并同轴套装在导杆上，其通过磁铁定位塞轴向固定；箱体，其固定设置于导杆一端上并通过压紧螺母轴向定位于壳体外，激励插头和接收插头固定安装在该箱体上；以及套接有激励线圈和接收线圈的线圈骨架，其中线圈骨架固定在所述导杆的位于壳体外的另一端上，激励线圈和接收线圈依次套在线圈骨架外周并分别与激励插头和接收插头电连接。本发明还公开了包括上述检测传感器的系统及其应用。本发明只需要线圈骨架以及激励接收线圈部位伸入换热管内即可完成对整根换热管的检测，极大程度的减小了需要清洗的区域，提高了换热管的检测效率，检测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种基于磁致伸缩导波的检 测传感器、包括该传感器的检测系统及其在检测换热管缺陷中的应用。

背景技术

随着石化、能源等行业的迅速发展，以及国家对节约能源的日益重视，换热 器在工业生产和日常生活中发挥着日益重要的作用。换热管作为换热器的重要组 成部分，其数量呈现几何倍数的增长。由于长期受到腐蚀和应力的作用，换热管 经常发生腐蚀、穿孔、裂纹等失效形式，导致输送介质泄漏，轻则降低产品质量 造成经济损失，重则可能危害社会以及人身安全。因此，需要对换热管进行定期 检测。

换热管检测的特点是检测数量巨大，且传感器只能放置于管道内部进行检 测。目前换热管的检测方法有：漏磁检测、远场涡流检测、局部磁饱和涡流检测、 内旋转超声相控阵检测和超声导波检测方法。与前面几种检测方法相比，超声导 波检测方法具有单点激励即可检测一段距离的优点，检测过程中，传感器无需移 动，一方面可避免对整根管道进行清洗，另一方面提高了检测效率。因此，超声 导波检测方法十分适合于用以检测换热管。

申请号为200480038549.4的中国发明专利公开了一种用于换热管的接触式 扭转波检测方法和系统，其中披露了传感器在管道外部激励出扭转模态导波，导 波经过导波杆耦合到换热管内，该方法需要导波杆与换热管内壁物理接触良好， 需要对换热管内壁进行打磨处理，一定程度降低了检测效率。专利申请号 CN201110410262.1的发明专利公开了一种用于换热管检测的非接触式磁致伸缩 导波传感器，美国专利US7886604B2中公开了一种用于换热管内检测的扭转模 态电磁超声传感器，这两者均将非接触式传感器完全放置于换热管内部对换热管 进行检测。虽然传感器的非接触特性降低了对换热管内表面状况的要求，只需要 对传感器放置区域进行清洗。但由于传感器完全放置于换热管内部，导致传感器 伸入换热管较长。这样将导致传感器检测盲区(传感器放置区域)较长，同时传 感器的对中性和直线度要求较高，增加了传感器加工制造的复杂度。此外，检测 前需要进行清洗的区域仍然较长，一定程度影响了检测效率。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁致伸缩导波的检测传感 器、包括该传感器的检测系统及其在换热管缺陷检测中的应用，其在检测时磁化 部分放置在管外，只需要将传感线圈部分放置于管道内部靠近管端的位置，不需 要机械接触，直接在换热管中激励出纵向模态导波，从而实现管道缺陷检测。本 发明保留了非接触式检测的优点，减小了检测盲区，降低了传感器加工制造复杂 度，进一步降低了对换热管清洗的要求，提高超声导波方法用于换热管检测的检 测效率。

按照本发明的一个方面，提供一种基于磁致伸缩导波的检测传感器，用于管 道缺陷的检测，其特征在于，该检测传感器包括：

中空壳体，其中心同轴套接有贯穿该中空壳体两端的导杆；

环形磁铁，其容置于所述中空壳体中并同轴套装在所述导杆上，其通过位于 壳体端部的磁铁定位塞轴向固定；

箱体，其固定设置于所述导杆一端上并位于所述壳体外，所述激励插头和接 收插头通过盖板固定安装在该箱体上；以及

套接有激励线圈和接收线圈的线圈骨架，其中所述线圈骨架固定在所述导杆 位于壳体外的另一端上，所述激励线圈和接收线圈依次套在所述线圈骨架外周并 分别与所述激励插头和接收插头电连接；

测量时套接有激励线圈和接收线圈的线圈骨架伸入管道内，所述激励插头和 接收插头通电后可使所述激励线圈在管道中产生轴向交变磁场，并与所述环形磁 铁在换热管中产生沿管道轴向的静态磁场基于磁致伸缩效应而在管道中激励出 纵向模态导波，其在管道内传播后反射产生的回波经所述接收线圈处理后即可检 测出管道缺陷。

作为本发明的改进，所述导波经过管道内的缺陷或者管道端部反射，该反射 回波经过接收线圈时，引起接收线圈感应电压的变化，产生电信号，处理该电信 号即可获得管道检测结果。

作为本发明的改进，所述环形磁铁外径大于等于待检测换热管外径，环形磁 铁内径小于等于待检测换热管内径。

作为本发明的改进，所述激励线圈和接收线圈均为螺线管线圈。

作为本发明的改进，所述线圈骨架由绝缘材料制成。

作为本发明的改进，所述导杆和外壳由非铁磁性材料制成。

按照本发明的另一方面，提供一种包括上述检测传感器的检测系统，其特征 在于，还包括与该检测传感器依次电连接的功率放大器、信号发生器、处理器、 滤波放大器和A/D转换器，其中，所述功率放大器与所述激励插头电连接，所 述接收插头与所述滤波放大器电连接；

所述处理器控制信号发生器产生正弦脉冲电流信号，经功率放大器放大后， 输入到所述检测传感器，并从而在管道中激励产生纵向模态导波，经在管道中传 播并反射后产生相应电信号，该电信号经所述滤波放大器和A/D转换器后，输 入所述处理器经分析处理即可获得管道缺陷检测结果。

按照本发明的又一方面，提供一种利用所述基于磁致伸缩导波的检测传感器 对换热管缺陷进行检测的方法，其特征在于，该方法包括：

将所述检测传感器的具有激励线圈和接收线圈的一端从插入待检测换热管 管道内，且所述检测传感器的壳体一端与管道端面贴紧；

通过激励插头对激励线圈通以交变电流，从而使所述激励线圈在换热管中产 生轴向交变磁场，并与其中的环形磁铁在换热管中产生沿管道轴向的静态磁场基 于磁致伸缩效应而在管道中激励出纵向模态导波，其在管道内传播并经管道内缺 陷或管道端部反射；

所述接收线圈接收所述反射回波，并使得所述接收线圈感应电压变化，从而 产生电信号，该电信号通过所述接收插头输出到外部进行处理，即可对管道缺陷 进行检测。

本发明中，环形磁铁极化方向沿传感器轴向。

本发明中，环形磁铁厚度大于等于待检测换热管壁厚的10倍，且待检测换 热管壁厚越大，所述环形磁铁厚度越大。

本发明中，换热管检测传感器工作时，激励线圈和接收线圈距离环形磁铁的 距离不超过50mm。

总体而言，按照本发明的基于磁致伸缩导波的换热管传感器，由放置于管端 的环形磁铁提供静态磁场，放置于管内靠近端部的传感线圈提供交变磁场，直接 在换热管中激励出纵向模态超声导波，整个检测过程中传感器与换热管之间无需 物理接触。此外，由于传感器只有线圈部分深入到管内不到50mm，大大降低了 传感器伸入管内的长度，从而缩小了检测盲区，缩短了清洗区域，在保证检测精 度的同时提高了检测效率及适用性，且传感器结构简单方便。

附图说明

图1为按照本发明实施例的基于磁致伸缩导波的换热管检测传感器的剖视 图

图2为按照本发明实施例的换热管传感器用于换热管检测时的系统示意图

图3为具体实施例中所用外径25mm，内径20mm的管道变样示意图

图4为使用图2所示检测系统所得检测信号的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式 中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，图1是按照本发明的基于磁致伸缩导波的换热管检测传感器的剖 视图。如图1中所示，按照本发明实施例的基于磁致伸缩导波的换热管检测传感 器13包括激励插头1、接收插头2、盖板3、箱体4、压紧螺母5、导杆6、磁铁 定位塞7、外壳8、环形磁铁9、线圈骨架10、激励线圈11和接收线圈12。

其中，环形磁铁9放置于外壳8内部，磁铁定位塞7与外壳8通过螺钉连接。 导杆6穿过外壳8、磁铁和磁铁定位塞7。箱体4与导杆6一端间通过螺纹连接， 并通过压紧螺母5固定。盖板3与箱体4通过螺钉连接，激励插头1和接收插头 2安装在盖板上。线圈骨架10与导杆6另一端通过螺纹连接。激励线圈11和接 收线圈12缠绕在线圈骨架10上，且分别与激励插头1和接收插头2电连接。

以下结合图2具体说明使用按照本发明实施例的换热管检测传感器来对换 热管进行检测的过程。如图2中所示，在对换热管14的检测过程中，传感器13 安装在换热管14端部，由于环形磁铁9的对换热管14的吸力，外壳8的底面与 换热管端面贴合在一起。调节导杆与外壳的相对位置，使线圈骨架10、激励线 圈11和接收线圈12伸入管内一段距离。

计算机17控制信号发生器16产生正弦脉冲电流信号。电流信号经过功率放 大器15放大后，输入到激励线圈11。激励线圈在管道中产生轴向交变磁场。环 形磁铁9在换热管14中产生沿管道轴向的静态磁场。激励线圈11在换热管14 内表面产生轴向交变磁场。基于磁致伸缩效应，在轴向静态磁场和轴向交变磁场 的作用下，管道中激励产生纵向模态导波，沿着管道轴向传播。导波经过缺陷或 者端部反射后，反射回波经过接收线圈12时，引起接收线圈感应电压的变化， 产生电信号。电信号经过滤波放大器19和A/D转换器18后，进入计算机采集 卡，完成整个检测过程。

图3为一个外径25mm，内径20mm的管道标样示意图，管长为2.8m，在 距离左端部1.4m的位置有一个横槽缺陷，距离左端部2m的位置有一个通孔缺 陷。横槽长12.5mm，宽1mm，深0.5mm，等效截面积损失为3.7％。通孔直径 为Φ5，其等效截面积损失为7.5％。

图4为使用图2所示的换热管导波检测系统在标样管上检测所得信号的波形 图。在图4中，横槽缺陷的回波用S1表示，通孔缺陷的回波用S2表示，换热 管端部回波用S3表示。从图中可看出，该基于磁致伸缩导波的换热管检测传感 器可检测出横槽缺陷和通孔缺陷，检测精度良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明范围 内。例如，将永久磁铁放置于缆索端部，对缆索进行轴向磁化，将两个螺线管线 圈缠绕在缆索外侧靠近端部的位置，分别用作激励线圈和接收线圈，可在缆索中 激励出纵向模态超声导波，对缆索锚固区进行检测。