管道导波检测中传感器数量和频率特性研究.pdf
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1、第 3 0 卷第4 期 2 0 0 4 年1 2 月 北京工业大学学报 J oURNAL oF BEI J I NG UN ERS 兀Y oF TE CHNoLoGY V 0 l l 3 0 No 4 De c 2 0 0 4 管道导波检测 中传感器数量和频率特性研究 何存 富,刘增华,郑王 景 瑜,吴 斌,王秀彦 ( 北京 工 业大 学 机 械工 程 与应用 电子 技术学 院 ,北京l 0 0 0 2 2 ) 摘要:为了有效地检测管道缺陷, 使 用 P Z T传感器在管道中激励并接收超声导波, 采用轴对称激励接收的方 法 , 通 过 多组 实验 研究 了导波 在 一定 频率 范 围 内管 道
2、 端部 与缺 陷 的第 1次反 射 回波 的幅值 大 小 与频率 之 间的 关 系, 分析了传感器中探头个数对信号大小的影响, 确定了激励导波的最佳频率范围实验表明, 反射回波幅值的 大 小 与传 感 器 的 固有特 性 有 关, 有 缺 陷管 道检 测 与无 缺 陷管 道 检测 的 最佳 实验 频 率 一致 , 可 以考 虑 以无缺 陷 管 道 的最 佳 实验频 率 作为 频率 选择 的参 考 关 键词 :管 道 ;导 波; 传感 器; 反射 回波 ;激 励频率 中图分类号:TB 5 5 l 文献标识码:A 文章编号:0 2 5 4 0 0 3 7 ( 2 0 0 4 ) 0 4 0 3 9
3、 3 0 5 导波检测技术是将 探头固定在一个地方 , 通过激励 导波, 同时检 测几 十米长管道 的一种 高效 的无损检 测 方法 由于导波具 有多模 态和频散特性 , 因此选择合适 的传感器 , 在给定 的频率范 围内激励所需要 的导 波 模态进行检测就 变得十分重要 J B a r s h i n g e r 等 人 通过一个斜探 头激励 接收导波, 得到 了一定频率范 围 内 2种不 同缺 陷的反射 回波幅值 的大小 , 但其未给 出传感器频 率的选择对检测缺陷 的回波大小 的影 响, 并且 其选择 反射 回波幅值 的方法 具有 很大 的人为 因素, 实验结果 也没有规 律性 和借鉴性
4、 D N Al l e y n e 等人 利用 P Z T压 电陶瓷 片制作 的可拆卸 式的传感器 对无缺 陷管道进行 了导波检 测实验 选择的频率 为 7 0 k H z , 没有在 其他频 率和 有缺 陷管 道 中进 行实验 , 以 比较不 同频率下 导波幅值 的大小和 缺陷检 测的 实际效果 针对 以上不 足, 作者 通过一组实验 , 分析 了 P Z T传感 器对不同激励频 率的响应, 得到 了激励导 波的最佳频率 范围; 并分 析了传感器 中探头 的个数 对信 号大小 的影响 管道 中的导波 在 空 心 圆柱 管 中沿 轴 向传 播 的超 声 波存 在 3种 不 同 的模 态 , 即
5、纵 向、 扭转 和弯 曲模 态 本 实验均采用轴 对称 P Z T传感器 作 为激 励和接收传感器 , 产生轴 对称 纵向导波, 抑 制弯曲模 态, 不 产 生扭 转模态 纵 向模态 的理论分 析可 以用相速 度或群速度 频散 曲线来表 示 图 l即为圆管 的群速度 C 的频散 曲线 其 中: 外 径 D= l 0 8 mm, 壁 厚 d=4 5 mm, 纵 波 速 度c = 5 9 6 k m S _ 。 , 横波 速度C = 3 2 6 k m S _ 。 由图 l 可以看 出: 在 ( 7 0 3 6 0 )k Hz范围内, 只有 2个纵 向轴对称模态 , 即: L ( 0 , 1 )
6、模态 和 L( 0 , 2 ) 模 态 对于 L ( 0 , 2 )模 态, 频散相对较低 , 并且 最大 6 5 4 3 2 1 0 t k Hz 图 l 圆管 的群速 度频散 曲线 H g 1 Gr o u p v e l o c i t y d i s p e r s i o n c ur v e s of pi pe 而 L( 0 , 1 ) 模态 的 c 在此频率范围只相 当于 L ( 0 , 2 ) 模 态的一半 另外, L ( 0 , 2 ) 模态导波在传播过程中在管 收稿 日期:2 0 0 3 0 9 0 8 基 金项 目:国家 自然科 学基 金资助 项 目( 1 0 3 7
7、2 0 0 9 , 1 0 2 7 2 0 0 7 ) ; 北京 市 自然 科学基 金 资助项 目 ( 3 0 1 1 0 0 1 ) ; 北 京市教 委科 技 发展计 划项 目( 9 9 0 1 0 3 0 3 ) 作者简介:何存富 ( 1 9 5 8 一) , 男, 山西大同人, 教授, 博士生导师 维普资讯 http:/ 3 9 4 北京工业大学学报 2 0 0 4 年 的内外表面的轴向位移相对较大, 而在 内外表面的径 向位移相对较小 , 在较长距离 的传播过程 中能量衰减较 少 而 L ( o , 1 ) 模态恰好相反 , 由于径 向位移相对较大 , 该模态在传播 中能量被管道吸收而
8、迅速衰减 L( o , 2 ) 模 态的这些特 征 , 对于实验具有 重要 的指 导意义 , 本实验 即是将 L( o , 2 ) 模 态反射 回波 的幅值 作为分析参量 , 进而分析传感 器的数量和频率对激励和接 收导波 的影响 2 实验研 究 实验利 用 P Z T传感器 ( 即压 电陶瓷片) 在一定 的频率范 围内激励 和接收导波 , 分析端部或缺 陷回波的 幅值 变化情况 , 揭示 了传感器 自身的特性 与频率选择 的关系 并 选择一定的频率 , 使得 压电陶瓷片激励接 收的 导波 幅值较大 , 以指 导实 际应 用中的管道 缺陷检测 为此 , 作 者在现有 的条件下 , 设计了一组
9、实验进 行对 比具体方 法是在一定 频率范 围下 , 使压 电陶瓷 片同时激励和接 收导波信号 , 得 到不 同频率下 的第 1 次端面反射 回波或 缺陷反射 回波 的幅值 , 进行 统计分析 2 1 实验装置 整套 实 验装 置 ( 见 图 2 ) 由薄 壁管 道 、 任 意波 形发 生器 ( H P 3 3 1 2 0 ) 、 功 率 放 大器 ( U l t r a 2 0 2 0 ) 、 前 置 放 大器 、 数 字示 波器 ( T DS 3 0 3 4 ) 和 一组 P Z T传感 器组成 在 使用传感器激 励单音 频信号 时, 激励信号 由任意波形 发生器产生 ; 经功率 放大器
10、进行功率放大 ; 通 过转换开 关激 励探头 , 在试件 中产 生超声 导波; 激 励 出的信号 在管道 中传播 , 经过 转换 开 关返 回传感 器, 此 时传感器又作 为接 收传感 器接收 导波信 号, 经 前置放大器 放大后 , 在数 字示 波器上显示 测试的 2根管道长度、 外径和壁厚分别为 4 、 1 0 8 、 4 5 mm 一 根无缺 陷, 一根带有人工缺陷 缺 陷位于管道中部 , 为沿周 向 1 8圆弧长, 约 l i n i r l 宽的通槽 2 2 传感器 的选择 T e k 3 0 3 4 l 数 字 记 忆 示 波 器n f 前 置 H P 3 3 1 2 0 A H
11、U l w a 2 0 2 0 大 器 任 意波 形发 生器 I l 功率 放大 器 I = = 1 J l 管 道 l l _ 。_ 一 - 图2 实验 装置示 意 图 P i g 2 Ex p e rime n t a l s e t u p 实验采 用的传感 器 , 为外购 的锆钛 酸铅 压 电陶瓷 片 ( 即 P Z T传感器 ) 振动模式 为长度伸 缩型 每个 压 电陶瓷 片尺寸为 1 2 5 mm3 2 r n l T l 0 5 r n l T 1 其 主要性 能指标见 表 1 其 中: 为耦合系 数; l 、 K 为 机电耦 合系数 ; s T, , s 。 为相对介 电常数;
12、 d d 3 。 为压电常数 ; p为密度; 为居里温度 ; O 为机 械品质 因数; N 为压 电常数 表1 压电陶瓷主要性能指标 Ta b 1 M a i n pe r f or m anc e s of pi e z oe l e c t ri c c e r am i c 在 自由状 态下, 该压 电陶瓷 片在长度方 向的谐振 频率 为 : 厂 = 6N只与材料性质有 关; 6为长度方 向压电 陶瓷的有效 长度, 如 图 3所示 由于压 电陶瓷为手工制作 , 因此 6会有所变化 通过测量 , 6大致为 8 5 1 T U T I 则 厂 = 2 k Hz m 8 5 mm = 2 3
13、6 k Hz 利 用 Ag i l e n t 公 司4 2 9 4 A型阻抗分析仪进行抽样测 试, 吕 吕 l n 图3 压 电陶瓷 长度方 向截 面尺寸 Pig 3 S e c ti o n d i me n s i o n s o f p i e z o e l e c t ric c e r a m i c i n l o n g d i r e c t i o n 压 电陶 瓷 片的厂 变化 范 围 大致 在 ( 2 2 0 2 4 5 )k Hz, 与理 论 结 果相 吻合 图 4为 其 中一 片压 电 陶瓷 厂 为 ( 6 0 3 3 0 )k H z的电导图 从 图中可 以直观
14、地看 出 2 4 1 k Hz为长度方 向上的谐振频率 维普资讯 http:/ 兰 塑 塑 堡重 篁: 笪堕量 茎 竺 堡壁 堡壑 量 皇 堑 丝笪窒 在本 次实验 中, 在无缺 陷和有 缺 陷管 道 的一端分别贴 有 4 8片和 2 4片的压 电陶瓷 片, 沿 周 向均 匀分 布 图 5为 4 8片压电陶瓷片在无缺 陷管道上 的实 际布置 图 f k H z 图4压 电陶瓷 电 导图 F i g 4 Co n d u c t a n c e o f p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c 2 3 激励信 号的选 取 冈5 压 电陶瓷环 实 际布 置 图
15、 R g 5 P i e z o e l e c t r i c c e r a m i c r i n g c l a m p e d t o p i p e 为使被 激励 的信 号在传播 过程 中频散现象 尽可能 降低 , 在实验 中选取经汉 宁窗调制 的正 弦信号作为 激 励 信 号 , 其 震 荡 次 数 为 l 0个 周 期, 经 功 率 放 大 器 放大 后 , 峰 峰 值 可 达 l 5 0 v 图 6即 为 该 信 号 在 7 0 k H z时的时域 波形和频域 图 tI t s ( a )时域 波形 2 4实验 结果及分析 0 4 , 芝0 2 0 0 l 0 0 20 0
16、3 00 4 00 5 00 f k H z ( b )频域 图 图6 7 0 k H z 激 励信 号图 F i g 6 S k e t c h o f e x c i t e d s i g n a l a t 7 0 k Hz 从 前面分析可知 , 在 ( 7 0 3 6 0 )k H z频率范 围内, L ( 0 , 2 ) 为群速度最快的纵 向导波 从示波器可 获得 端 面或缺 陷处的第 1 次 反射 回波 电压峰 峰值, 这一 回波 为 L( 0 , 2 ) 模 态 的反 射 回波 对于不 同频率 , 传感 器 的激励 电压峰峰值相 应发生变化 为 了对不 同频率下反射 回波 幅值
17、进 行对 比, 作者采用 反射 回波 的电 压峰 峰值 除 以激励信号 的电压峰峰值 , 得 到回波 的量纲一 的幅值 , 并 以此幅值作为参考量 后 面所指 的幅 值均指 此值 频率 的改 变以 l 0 k H z为单位 2 4 1无缺 陷管 道 中的导波实验 利用压 电陶瓷环在 4 I T I 无缺陷 的管道 中进行 导波 传播情 况实验, 即采 用 4 8 、 2 4 、 l 2片激励并 接收 导波 信 号 这 3组实验均 为轴 对称 激励和接收 图 7 ( a ) 、 ( b ) 分别 显示 了 2 4片激励接 收时 2个 频率下的幅值经量纲 一化 后的波形 图 从 图 7 ( a )
18、 可 以 看 出, 在 l 9 0 k H z下 , 端 面反射 回波 幅值较大且清 晰, 信噪 比高 而在 3 6 0 k H z时 ( 图 7 ( b ) ) , 端 面反射 回波 幅值小 , 且杂 波较多, 信 噪 比低, 根本无 法进行管道检测 图 8分别为 3种情况下 频率范 围为 ( 7 0 3 6 0) k H z 端 面反 射 回波 的幅值变化 图 由图 8可以看出: 1 )在使用 个数不 同的压 电陶瓷片激励 接收信号 时, 端面反射 回波 的幅值 变化趋势大 致相 同 从 7 0 k H z开始 幅值 逐渐增加 , 在 ( 1 8 0 2 2 0 )k H z范围 内出现幅
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- 关 键 词:
- 管道 导波 检测 传感器 数量 频率特性 研究
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