一种基于Terfenol‑D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法技术

本发明专利技术公开了基于Terfenol‑D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法，包括线圈、背衬层和Terfenol‑D材料；所述Terfenol‑D材料加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol‑D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；多层所述励磁线圈绕在Terfenol‑D材料薄的一端上、且背衬层的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；将两枚圆形永磁铁粘贴在所述Terfenol‑D材料薄的一端。本发明专利技术采用永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，处在叠加磁场中的Terfenol‑D材料产生振动。将振源产生的振动传递到材料与管道接触的一段，使振动耦合入管道从而产生导波。本发明专利技术设计的采用新材料的换能器比传统材料换能器具有更高的灵敏度和信噪比，且因振动频率低，可对长管道进行快速检测。

A knife type ultrasonic Terfenol D materials based on guided wave transducer and method

The invention discloses a guided wave transducer and method of ultrasonic knife type structure Terfenol based on D material, which comprises a coil, a backing layer and Terfenol D materials; the Terfenol D materials to end thin knife type structure at the other end of the thick, with epoxy resin adhesive backing layer table surface the Terfenol D material; the excitation coil around the end of the Terfenol multilayer D thin material, and a backing layer on the surface of a certain thickness to cut around the coil backing layer and wireless ring lining layer height; two pieces of circular permanent magnet is pasted on one end of the Terfenol D thin material. The invention adopts the permanent magnet to provide a bias magnetic field, alternating magnetic field coil to provide vibration at Terfenol D, additive material in magnetic field. The vibration produced by the vibration source is transmitted to a contact between the material and the pipe so that the vibration is coupled into the pipe to produce a guided wave. The transducer designed with the new material has higher sensitivity and signal-to-noise ratio than the traditional material transducer, and can rapidly detect the long pipeline because of low vibration frequency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法
本专利技术属于无损检测研究领域，具体涉及一种用于长管道一次性快速检测的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法。
技术介绍
2013年11月22日青岛市黄岛区中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，发生爆燃，同时在入海口被油污染海面上发生爆燃。此次事故共造成62人遇难，医院共收治伤员136人。随着国内外输气、输油管道的日益增多及发生事故增多，管道监测技术越来越受重视。如今所用的超声导波产生方法主要有三种：一种是以压电陶瓷作为振源，通过在材料中施加电场，让压电陶瓷产生高频振动，然后将振动耦合到管道从而产生导波，本方法受限于敏感材料PZT本身性能，驱动力不够高，制造出的换能器的接收信号灵敏度较低。第二种是通过在管道上直接密绕线圈，用永磁铁将一段管道磁化，在线圈中通交变电流产生交变磁场，根据铁磁性管道的磁致伸缩效应来产生导波。这种方法由于管道的磁致伸缩系数较小，其能量转换效率也较低。第三种是基于Terfenol-D的超声导波换能器，但现有的方法是把Terfenol-D与管道截面贴合，在实际管道无损检测时，不可能把换能器放在有端面的管道上，因此这种方法在实际应用中具有很大的局限性。本专利技术与上述三种方法有很大区别。是在第三种检测方法的的基础上，把Terfenol-D材料原有的长方体形状加工成刀型。在Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层，来吸收振动余震和杂波。在Terfenol-D材料的较薄一端密绕线圈，通过振动的传递把振动传递到材料的另一端，最终把振动耦合到管道中产生导波。华中科技大学的徐江、武新军老师已发表了多篇关于磁致伸缩导波传感器的专利技术专利，如2012年5月28日和2015年4月22日申请的磁致伸缩导波接收传感器和磁致伸缩导波传感器专利。但这些传感器都是将管道磁化，然后利用管道本身的磁致伸缩性能发射或接收导波，于本专利并不相同。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法，是利用新材料的优异性能，制造出可以激发更大能量的超声导波换能器。本专利技术的超声导波换能器采用永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，处在叠加磁场中的Terfenol-D材料产生振动。将振源产生的振动传递到材料与管道接触的一段，使振动耦合入管道从而产生导波。本专利技术的技术方案是：一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，包括线圈、背衬层和Terfenol-D材料；所述Terfenol-D材料加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；多层所述励磁线圈绕在Terfenol-D材料薄的一端上、且背衬层的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；将两枚圆形永磁铁粘贴在所述Terfenol-D材料薄的一端。上述方案中，所述励磁线圈的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。上述方案中，所述Terfenol-D材料薄的一端与圆形永磁铁的端面中心用环氧树脂胶粘结。上述方案中，所述Terfenol-D材料较厚一端下表面与被测件的界面贴合。上述方案中，两枚圆形永磁铁给Terfenol-D材料提供偏置磁场。上述方案中，所述Terfenol-D材料的本征频率与励磁线圈产生的激励交变磁场频率一致，产生共振。一种利用所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的检测方法，包括以下步骤：S1、将Terfenol-D材料加工成刀型结构；S2、在所述Terfenol-D材料的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层，其中Terfenol-D材料较薄一端涂上绝缘漆，待干燥后再在上表面用环氧树脂胶粘接背衬层；S3、在Terfenol-D材料较薄一端密绕多层励磁线圈，励磁线圈直径为0.15mm，线圈匝数为180，同时也把Terfenol-D材料较薄一端上面的背衬层绕在励磁线圈内，且背衬层的上表面切去一定的厚度使励磁线圈的背衬层和无线圈的背衬层高度一致；S4、Terfenol-D材料较厚一端下表面与被测件管道界面贴合，将Terfenol-D材料薄的一端与圆形永磁铁的端面中心用环氧树脂胶粘结，圆形永磁铁为Terfenol-D材料提供偏置磁场；S5、将信号发生器连接到励磁线圈两端上，输入经过汉宁窗调制过的中心频率为70kHz的10个周期的正弦音频脉冲信号，此时，励磁线圈中产生交变磁场，在偏置磁场和交变磁场共同作用下，Terfenol-D材料产生周期性的振动，这个振动传递到与管道贴合的Terfenol-D材料一端，最终振动耦合进入管道，在管道中产生了导波，导波在传播的过程中因为待测件声阻抗的不同产生反射、折射、模态转换，在连接着接收传感器的示波器上会产生一个波包，通过到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用了新材料，利用了具有巨磁致伸缩系数的Terfenol-D材料，使换能器产生更大的振动能量，提高导波在管中传播的距离和接收缺陷回波信号幅值的大小，同时把核心材料加工成刀型，克服了换能器只能放置在被测件的端面处，另外采用背衬层来吸收杂波信号和材料的振动余震来提高接收缺陷回波信号的分辨力，由此设计了一个新型的超声导波换能器。本专利技术基于Terfenol-D材料的超声导波换能器，由永磁铁提供偏置磁场，线圈提供交变磁场，其中Terfenol-D敏感材料加工成刀型，Terfenol-D材料上表面粘接背衬层。通过将Terfenol-D材料振动耦合到管道中，在管道中产生导波对管道进行检测。本换能器的工作频率范围宽，信号幅值高，灵敏度达到25％，信噪比高于20dB，在无损检测领域具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术一实施方式的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的结构原理示意图；图2是本专利技术一实施方式的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的实物示意图；图3是本专利技术一实施方式的缺陷回波信号幅值示意图。图中：1、励磁线圈；2、背衬层；3、Terfenol-D材料；4、永磁铁；5、始发波；6、缺陷1回波；7、缺陷2回波；8、缺陷3回波；9、端面回波。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。图1所示为本专利技术所述基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器的一种实施方式，一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，包括线圈1、背衬层2和Terfenol-D材料3。换能器的核心部件采用具有巨磁致伸缩系数的Terfenol-D材料3，所述Terfenol-D材料3加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料3的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层2，其作用是吸收刀型Terfenol-D材料3振动的余震和杂波信号。多层所述励磁线圈1绕在Terfenol-D材料3薄的一端上、且背衬层2的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈1的背衬层2和无线圈的背衬层2高度一致。所述励磁线圈1的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。将两枚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Terfenol‑D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，包括线圈(1)、背衬层(2)和Terfenol‑D材料(3)；所述Terfenol‑D材料(3)加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol‑D材料(3)的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层(2)；多层所述励磁线圈(1)绕在Terfenol‑D材料(3)薄的一端上、且背衬层(2)的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈(1)的背衬层(2)和无线圈的背衬层(2)高度一致；将两枚圆形永磁铁(4)粘贴在所述Terfenol‑D材料(3)薄的一端。

【技术特征摘要】
1.一种基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，包括线圈(1)、背衬层(2)和Terfenol-D材料(3)；所述Terfenol-D材料(3)加工成一端较薄，另一端较厚的刀型结构，所述Terfenol-D材料(3)的上表面用环氧树脂胶粘接背衬层(2)；多层所述励磁线圈(1)绕在Terfenol-D材料(3)薄的一端上、且背衬层(2)的上表面切去一定的厚度使绕励磁线圈(1)的背衬层(2)和无线圈的背衬层(2)高度一致；将两枚圆形永磁铁(4)粘贴在所述Terfenol-D材料(3)薄的一端。2.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，所述励磁线圈(1)的直径为0.15mm的漆包线，线圈匝数为180，线圈长度为12mm。3.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，所述Terfenol-D材料(3)薄的一端与圆形永磁铁(4)的端面中心用环氧树脂胶粘结。4.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，所述Terfenol-D材料(3)较厚一端下表面与被测件的界面贴合。5.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，两枚圆形永磁铁(4)给Terfenol-D材料(3)提供偏置磁场。6.根据权利要求1所述的基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波换能器，其特征在于，所述Terfenol-D材料的本征频率与励磁线圈(1)产生的激励交变磁场频率一致，产生共振。7.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍丙豪，陆毛毛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32