一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器的製作方法

2023-06-02 05:20:21

專利名稱：一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器，屬於聲學 傳感器技術領域，其作用是把傳感器產生的電磁能通過鋼絞線轉換成機械能 (聲能)，並通過對機械能(聲能)的分析來對鋼絞線的預應力大小、缺陷有 無等進行檢測。該傳感器不僅可以用於鋼絞線的長距離檢測，也可用於管道 流體流量的無損在役測量。
背景技術：
現今，對於鋼絞線的預應力大小、缺陷有無等進行檢測的傳感器多為壓 電傳感器，但此種傳感器安裝複雜，重複性較差，因此給實際檢測帶來了很 多不便。北京工業大學的吳斌、張易農等發明了一種用於鋼絞線超聲導波檢 測的磁致伸縮傳感器，安裝簡便且信號重複性好，但能量轉換效率低，接收 信號幅值低、信噪比差，限制了其檢測範圍和檢測精度。

發明內容
本發明的目的在於解決了預應力鋼絞線中施加的預應力.大小無法快速、 準確、在役測量的缺陷，以及管道流體流量的無損在役測量，提出了一種採 用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器。本發明中的傳感器提高了檢測信 號的幅度及信噪比，進而增加了檢測範圍，提高了檢測精度。
為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。本發明包括激勵端傳
感器和接收端傳感器，激勵端傳感器包括鞍片3、永磁鐵4、軛鐵5、以及套 在鋼絞線1外表面的夾片2和螺線管6，螺線管6外表上的兩端及中間部分均 設置有臺階，每兩個臺階之間的部分都環繞有漆包線7，每經過一個臺階漆包 線7便改變一次環繞方向；螺線管6的兩端均設置有夾片2，夾片2內表面形 狀與鋼絞線外表面形狀相適應並與鋼絞線緊密接觸。在夾片2的外表面套有 鞍片3 (當進行管道檢測時可直接將鞍片3套在管道外表面，無需夾片2)， 鞍片3的外表面沿圓周方向均勻固定有三片永磁鐵4，軛鐵5與位於螺線管6 兩端的、在鋼絞線l同一軸線方向上的兩塊永磁鐵4的外端面相連接；接收端傳感器的結構與激勵端傳感器的上述結構相同，並與激勵端傳感器沿鋼絞 線的軸向並列布置。所述的激勵端傳感器和接收端傳感器的螺線管6上所環
繞的漆包線7為N層，N為大於等於2小於等於6的整數，層與層之間設置 有絕緣層，每兩個臺階之間部分的各層漆包線的環繞方向相同，各層環繞的 漆包線之間採用並聯或串聯的方式進行連接，漆包線7的兩端與功率放大器 相連。
本發明採用了以上的技術方案，使得傳感器所接收到的檢測信號的幅度 有較大的提高，信號的信噪比得到比較明顯的改善，進而增加了磁致伸縮傳 感器的有效檢測範圍並提高了檢測精度。


圖l本發明整體安裝示意圖2螺線管6上三層線圈纏繞的示意圖3不同層數線圈串並聯激勵時的接收信號對比，(a)單層線圈激勵，(b)雙層 線圈並聯激勵，(c)三層線圈並聯激勵，(d)雙層線圈串聯激勵，(e)三層線圈串 聯激勵，(f)幅度比；
圖4不同層數線圈串並聯接收時的信號對比，(a)單層線圈接收，(b)雙層線圈 並聯接收，(c)三層線圈並聯接收，(d)雙層線圈串聯接收，(e)三層線圈串聯接 收，(f)幅度比；
圖5激勵接收傳感器優化前後的接收信號對比，(a)單層線圈激勵接收，(b)優
化後激勵接收。
圖中，1、鋼絞線或管道，2、夾片，3、鞍片，4、永磁體，5、軛鐵，6、 螺線管，7、漆包線。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供一下實施例
本實施例的結構如圖1所示，主要包括激勵端傳感器和接收端傳感器，
傳感器主要包括有鞍片3、永磁鐵4、軛鐵5、以及套在鋼絞線1外表面的夾 片2和螺線管6，螺線管6外表上的兩端及中間部分均設置有臺階，每兩個臺 階之間的部分都環繞有漆包線7，每經過一個臺階漆包線7便改變一次環繞方
4向，漆包線7的兩端與信號發生器相連。螺線管6的兩端均設置有夾片2，在 夾片2的外表面套有鞍片3，鞍片3的外表面沿圓周方向均勻固定有三片永磁 鐵4，軛鐵5與位於螺線管6兩端的、在鋼絞線1同一軸線方向上的兩塊永磁 鐵4的外端面相連接。螺線管6上所環繞的漆包線7共有三層，內層線圈的 兩端為711和712，中層線圈的兩端為721和722，外層線圈的兩端為731和 732，層與層之間用黑色膠帶相隔，每兩個臺階之間部分的各層漆包線的環繞 方向均相同，若將線圈端頭712和721相連接，端頭722和731相連接，再 將激勵電壓加載在線圈端頭711和732，即可實現三層線圈的串聯連接。若將 線圈端頭711、 721和731相連接，端頭712、 722和732相連接，再將激勵 電壓加載在線圈端頭711和712，即可實現三層線圈的並聯連接，如圖2所示。
本實施例中鋼絞線為7芯，公稱直徑18.30mm，中心鋼絲直徑為6.30mm， 外圍鋼絲直徑為6.00mm。鋼絞線的密度為7843kg/m3，其縱波波速5990m/s， 橫波波速3233m/s。將激勵傳感器和接收傳感器安裝在一根鋼絞線中，兩者相 距L=500mm。由函數發生器產生峰峰值為200mV的經漢寧窗調製的10個震 蕩周期的單音頻信號，選擇的頻率為160kHz。激勵信號經功率放大器進行功 率放大，激勵的導波信號在激勵傳感器和接收傳感器的不同線圈組合形式下 的鋼絞線中傳播，經傳播距離L後，接收傳感器接收信號，在數字示波器顯 示，並通過埠存儲到計算機中。
首先，接收用磁致伸縮型傳感器使用單層線圈，激勵傳感器分別採用單 層線圈、雙層線圈並聯、三層線圈並聯、雙層線圈串聯、三層線圈串聯五種 方式進行激勵，實驗結果如圖3(a)-(e)所示，圖3(f)給出了各種條件下接收到 的第一個波包的峰峰值與單層線圈激勵條件下接收波包峰峰值的比值。其次， 激勵用磁致伸縮型傳感器使用單層線圈，接收傳感器分別採用單層線圈、雙 層線圈並聯、三層線圈並聯、雙層線圈串聯、三層線圈串聯五種方式進行接 收，實驗結果如圖4(a)-(e)所示。圖4(f)給出了各種條件下接收到的第一個波 包的峰峰值與單層線圈接收條件下接收波包峰峰值的比值。通過分析圖3和 圖4信號可以看出，隨著線圈層數的增加，接收信號的幅度越來越大，但增 加的幅度有所減少，對於激勵傳感器，採用線圈並聯的方式比串聯的方式增加的幅度更大，對於接收傳感器，採用線圈串聯的方式比並聯的方式增加的 幅度更大。
通過上述分析可知，三層線圈並聯用於激勵傳感器，三層線圈串聯用於
接收傳感器可使接收信號的效果達到最佳。圖5為採用單層線圈用於激勵接 收傳感器和採用三層線圈並聯用於激勵接收傳感器，三層線圈串聯用於接收 傳感器時的接收信號對比，從圖5中可以明顯看出，通過採用三層線圈並聯 用於激勵傳感器，三層線圈串聯用於接收傳感器的組合方式後，接收信號的 幅值增加了 57%，有效地提高了磁致伸縮型傳感器的檢測性能。
權利要求
1、一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器，包括激勵端傳感器和接收端傳感器，激勵端傳感器包括鞍片(3)、永磁鐵(4)、軛鐵(5)、以及套在鋼管外表面的螺線管(6)，螺線管(6)外表上的兩端及中間部分均設置有臺階，每兩個臺階之間的部分都環繞有漆包線(7)，每經過一個臺階漆包線(7)便改變一次環繞方向；鞍片(3)套在鋼管外表面並與螺線管(6)的兩端緊密接觸，在鞍片(3)的外表面沿圓周方向均勻固定有三片永磁鐵(4)，軛鐵(5)與位於螺線管(6)兩端的、在鋼管同一軸線方向上的兩塊永磁鐵(4)的外端面相連接；接收端傳感器的結構與激勵端傳感器的上述結構相同，並與激勵端傳感器沿鋼管的軸向並列布置；其特徵在於所述的激勵端傳感器和接收端傳感器的螺線管(6)上所環繞的漆包線(7)為N層，N為大於等於2小於等於6的整數，每兩個臺階之間部分的各層漆包線的環繞方向相同，各層環繞的漆包線之間採用並聯或串聯的方式進行連接，漆包線(7)的兩端與功率放大器相連。
2、 根據權利要求1所述的一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器，其特徵在於當激勵端傳感器和接收端傳感器安裝在鋼絞線上時，在螺線管(6)兩端的鋼絞線上還設置有夾片(2)，夾片(2)內表面形狀與鋼絞線外表面形狀相適應並與鋼絞線緊密接觸，鞍片(3)套在夾片(2)的外表面。
3、 根據權利要求1或權利要求2所述的一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器，其特徵在於在各層漆包線(7)之間設置有絕緣層。
全文摘要
本發明是一種採用多層繞線線圈的高性能磁致伸縮傳感器，屬於聲學傳感器技術領域。本發明使用永磁鐵在傳感器附近產生偏置磁場，當漆包線兩端加上交變電壓時，會在鋼絞線上產生交變磁場，由於鐵磁材料存在磁致伸縮效應，在鋼絞線中會產生局部的機械振動，這種振動會從激勵源向兩個方向同時傳播，根據磁致伸縮逆效應而被接收傳感器捕獲到。螺線管上環繞有多層漆包線，層與層之間用黑色膠帶相隔，每兩個臺階之間部分的各層漆包線的環繞方向均相同，各層環繞的漆包線之間採用並聯或串聯的方式進行連接，同時用於激勵和接收信號。本發明解決磁致伸縮傳感器在鋼絞線中接收信號幅值低、信噪比差的現狀，使檢測範圍和檢測精度得到了有效的提升。
文檔編號G01N29/04GK101551254SQ20091008373
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者何存富, 劉增華, 斌 吳, 張力新, 樊尚春, 剛 王, 趙繼辰 申請人:北京工業大學