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1、第 1 8卷第 4期 2 0 0 3年 1 2月 实 验 力 学 J ( ) I 取NAL OF D ( PE RI ME r r A I MI HANI CS Vl0 1 1 8 No 4 De c 20 03 文章 编号 : 1 0 0 1 4 8 8 8 ( 2 0 0 3 ) 0 4 0 5 0 0 0 6 管道超声 导波检测专 用探 头的研 制 何 存 富,于海群 ,吴斌 ( 北京 工业 大学 机 电学 院,北 京 1 0 0 0 2 2 ) 摘 要 :结合 常规 超 声探 头 的研 制 技 术 , 根 据 检 测 对 象 管 道 的 特 殊 性 , 从 敏 感 元 件 、 背 衬
2、材 料 、 保 护 层 以及 外 型 等 各 方 面 详 细 介 绍 了一 种 管 道 超 声 导 波 检 测 专 用探 头 的研 制 过 程 ; 利 用 这 种 探 头 分 别 在 板 和 管 中进 行 了激 励 接 收 超 声 导 波 的 实验 , 结 果 表 明 , 这 种探 头 能 够 激 励 接 收超 声 导 波 关 键 词 :管 道检 测 ;超 声 导 波 ; 探 头 ;长 度 伸 缩 型 压 电 陶瓷 中 图分 类 号 : 03 4 8 文 献 标 识 码 :A 1 引言 目前 比较 常用 的 管 道 检 测 技 术 , 如 涡 流 、 漏 磁 检 测 等 , 都 有 其 本 身
3、无 法 克 服 的缺 点 , 像 检 测 速 度 慢 、 需 要 剥 离 管 道 外 包 层 、 不 能 在 线 检 测 等 而 超 声 导 波 技 术 正 是 因为 能 够 弥 补 这 些 不 足 而 成 为 管 道 检测 的 一 种 新 兴 和 前 沿 的发 展 方 向 它 具 有 传 播 距 离 远 、 检 测 范 围大 , 检 测 效 率 高 、 不 需 要 剥 离 外 包 层 、 可 以 进 行 在 线 检 测 等 优 点 目前 国外 对 超 声 导 波 检 测 理 论 的 研 究 比较 深 入 , 并且 已经研制 出专用探 头和专用仪器 以便对管道进行检测 如文献E 1 - 和文献
4、 E 2 - 都对超声 导 波 的理 论 及 其 实 际 应 用 进 行 了 比较 深入 的 研 究 但 是 正 因为 它 是 一 个 新 的发 展 方 向 , 管 道 超 声 导 波 检测 技 术 还 不 是 太 完 善 , 在 国 内 目前 还 没 有 用 于 管道 超 声 导 波 检 测 的专 用 探 头 及 仪器 在 实 验 室 , 比较 常 用 的 方 法 是 用 胶 将 压 电 陶 瓷 片直 接 粘 贴 在 管 道 表 面 来 激 励 和 接 收 超 声 导 波 信 号 , 这 将 导 致 压 电陶 瓷 片得 不 到 重 复 使 用 , 不 但 造 成 了 资 源 的 浪 费 ,
5、而 且 对 所 接 收 到 的 信 号 产生影 响 , 给信号 的提取 以及 分析都造 成了很大 的不便 为了解决 此问题 , 本 文研制 了一种专 用探头 , 使其 与管道之 间采 用干耦合来 对管道进行检 测 目前 , 用 于管道超声 导波检测 的专用 探 头 已 基 本 研 制 成 功 , 并 在 实 验 室 中进 行 了用 于 管 道 检 测 的 初 步 实 验 , 取 得 了 比较 理 想 的 结 果 实 验 结 果 表 明 所 研 制 的 探 头 可 以 代 替 粘 贴 在 管 道 表 面 的压 电 陶 瓷 片用 于在 管 道 中 激 励 和 收 稿 日期 :2 0 0 2 0 7
6、 0 8 ;修订 日期 t 2 0 0 3 0 5 一 l 9 基 金项 目:国家 自然科 学基 金 、 北京 市 自然科 学 基金 重点项 目、 教育部 骨 干教 师 资助计 划 、 北 京市 教委 科技 合 同项 目 资助项 目 作 者简 介 :何存 富 ( 1 9 3 8 一) , 男 , 博士 , 教授 近年 来一直 从事 实验固 体力学 无损检 测 、 测试 技术 等方 面的研 究工 作 维普资讯 http:/ 第 4期 何存 富等 : 管道超 声导 波检测 专用探 头 的研 制 5 O 1 接 收 超 声 导 波 2探 头 的研 制 对 一 个 检 测 系 统 性 能 的评 价 ,
7、 激 励 和 接 收 探 头 的 性 能 是 至 关 重 要 的 作 为 一 个 探 头 , 最 基 本的要求 就是能够有 效地激励 和接收信号 , 具有一定 的灵 敏度 和分辨率 等 ; 而对于管道检 测 , 由于环境 一般都 比较 恶劣 , 因此它还要 求必须便于安装 和拆卸 这样 , 采用 直接把 压电 陶瓷粘 贴在 管道 上的方法显 然不利 于探头的重复 使用 , 尤其对不 同点 多次测 量而言 ; 此外 , 由于本文 的最终设计 思想是把一系列 同样 的探 头均匀分 布在管道表 面 , 因此每个 探头的体积要小 , 结构 上 要 易 于集 成 , 便 于后 面 工 作 的进 行 基
8、于上述要求 , 对这种探 头 的研制 主要 从 以下几个方 面着手 : 选 择压 电元 件 ; 采用 合适 的 背衬材料及 其配 比; 选用保 护膜 的材料及其厚度及合理的外型设计 2 1压 电元 件 的选 取 从 波在管道中传播时 的频散 曲线 3 可 以看 出: L( 0 , 2 ) 模态在 4 0 1 0 0 k Hz的频率范 围内是 一 种 速 度 最 快 、 几 乎 没有 频 散 的模 态 基 于 这种 模 态 的 特 性 , 我 们 希 望 能 够 用 所 研 制 的 探 头 激 励 出这 种 模 态 , 并 且 尽 可 能 地 抑 制 其 它 模 态 由 于 压 电 陶瓷 具 有
9、 方 便 、 价 廉 、 灵 敏 度 高 、 频 率 响应 快 、 技 术 完 善 等 优 点 , 因此 选 择 探 头 的 材料 为压电 陶瓷 实验表 明L 2 : 长度伸缩型压 电陶瓷能够有效地 激励 和接收 L ( 0 , 2 ) 模态波, 并 且 由于其 自身的特性 , 可 以制作成长条状 , 很 方便地固定 在管道表面 其 基本 结构如图 1 所示 由 于 P Z T _ 5压 电 陶 瓷 的机 电 耦 合 系 数 、 弹 性 常 数 以及 压 电常 数 等 都 比较 高 , 并 且 具 有 较 好 的 时 间 和 温 度 稳 定 性 因此 选 用 P Z T - 5系 列 压 电
10、陶 瓷 , 其 各 种 参 数 如表 1所 示 在 压 电 陶 瓷 上 下 表 面镀 以 银 电极 , 为 了 引 线 方 便 , 把 底 面 的 电极 延 伸 到 上 表 面 长 度 伸 缩 型 压 电 陶 瓷 的 伸 缩 模 式 如 图 2所 示 在 压 电 陶 瓷 的 上 下 表 面加 上 电压 , 压 电 陶 瓷 就 会 产 生 如 图 2所 示 的变 形 ; 反 之 , 当压 电 陶 瓷 受 F方 向 的 力 作 用 时 , 就 会 在 上 下 表 面 产 生 电 荷 图 1 长度 伸缩 型压 电元 件示 意图 图 2 电场垂 直 于长度方 向的长度 伸缩模 式 表 1 P Z T
11、- 5系列压 电 陶瓷的参 数 2 2背 衬 材 料 的 选 择 当电脉冲激励压 电元件 时, 它不但 向前方辐射声 能 , 而且 还 向后 方辐射 在超 声检测 和超 维普资讯 http:/ 5 0 2 实验力学 ( 2 0 0 3年 ) 第 1 8卷 声诊 断领域 中 , 来 自前 方 的回波信号是有用 的 , 但是从后 面来 的干扰杂 波是要 消除的 , 应 该将 背衬块 做成像无 限大 的吸声 媒质那样 , 使向后辐射的声能几乎全部消耗在其 中 背衬材料的声 阻抗 、 吸声性 能将直接影 响到换能器的技术指标 , 例 如频带 宽度、 灵敏度 、 脉 冲一回波持续 时间 等 综合 考虑管
12、道 检测对探 头的特性要求 , 在此采用 环氧树脂 和钨粉按 一定 比例配制 , 本 文采 用 了两 种 不 同 的配 比来 进 行 实 验 , 发 现 当背 衬 材 料 的 声 特 性 阻 抗 越 接 近 压 电元 件 的特 性 阻 抗 , 也就是说钨粉所 占比例较大 的情 况 , 压 电元件的振动特性 比较好 , 所 采集的信号也 比较好 2 3匹 配 层 的选 取 为了防止机械损 坏 、 媒 质腐蚀 和实现电绝缘 , 必须在其 外面包覆适 当材 料 它 主要 起到保 护 和阻抗匹配 的作 用 在 研制初期 , 由于没有 采用保护膜 , 由于机械 磨损 以及 一些其 它外在 因 素使探 头
13、上的银层脱 落而损 坏 了整个 探头 由于压 电陶瓷的声阻抗 与一些 管道所采用 的材料 的声 阻抗 差别 不 是 特 别 大 , 因此 在 此 没有 考 虑 阻 抗 匹配 的 问题 , 只 是 为 了保 护 压 电 陶 瓷 片不 受 损 坏 , 而 采 取 了 l O O t n左 右 厚 度 的 钢 片 或 者 铜 片 从定 性 的 角 度 分 析 , 显 然 对 整 个 探 头 的 性 能 会产生一定的影响 , 但 却会对 比较脆 弱的压 电陶瓷起 到保护作用 外 保 图 3超 声 导 波 探 头 结 构 示 意 图 环氧 树脂+ 钨粉 瓷 2 4探 头 的成 型 由于采用 了环氧树 脂
14、与钨粉 的混合物作为探 头的背衬材料 , 利用 环氧树脂浇 注技术将压 电 陶瓷 与 外 壳 以 及 保 护 膜 固定 在 一 起 由 于 采用 的 是 长 度 伸缩 型 压 电 陶 瓷 作 为 超 声 导 波 的激 励 元 件 , 为 了最 小 限 度 的 减 小 背 衬 层 对 压 电 陶瓷 运 动 的 限 制 , 我 们将 探 头设 计 成 如 图 3所 示 将 压 电 元 件 粘 合 在 背 衬 上 不 需 要 使 用 粘 合 剂 , 而是 利 用 环 氧树 脂 从 液 态 凝 固成 固态 的 同 时 , 本 身 所 具 有 的 粘 性 使 得 背 衬 与 压 电 陶瓷 粘 成 一 体
15、 3 超 声 导 波探 头在 管 道 检 测 中 的应 用 为了 试验所研 制的探 头在管道 上能否有效地激励 和接收超声 导波 , 本文在实验 室 中利用 所 研 制 探 头 采 用 干 耦 合 的 方 式 在 一 个 管 道 上 进 行 了一 系 列 的 实 验 , 得 到 了 比较 明显 的 效 果 3 1实 验 装 置 实验 装置如图 4所 示 , 主要包括 : 计算机 、 任意函数发生器 、 功率放 大器 、 激励压电探头 、 实 验 管 道 、 接 收 压 电探 头 、 示 波 器 任 意波形 发生 器产生一 个经汉 宁窗调制 的十个周期 的正 弦信号 , 经过功率放 大器放大后
16、加在 激励压电探 头上 , 探头在管道 中激励超声导波 , 波在管道 中传播一段 时间后 由接 收压电探 维普资讯 http:/ 第 4期 何存 富等 : 管道 超声 导波检 测专 用探 头 的研 制 5 0 3 头接 收 , 输人数字示波器 显示 图 4实验装 置示 意 图 探 头 3 2 实 验 结 果 为 了验 证 所 研 制 的探 头 能 否 在 管 道 中有 效 地 激 励 和 接 收 超 声 导 波 , 本 文 分 五 种 情 况 进 行 实 验 ( 位 置 1和 2之 间相 距 6 0 c m) : ( 1 )超 声 导 波 探 头 对 接 , 接 收 到 的波 形 如 图 5所
17、 示 ( 2 )利 用 位 于 图 4所 示 位 置 2处 的超 声 导 波探 头 激 励 ( 激 励 频 率 为 7 0 1 d - l z ) , 用 粘 贴 在 管 道 表 面 位 置 1处 的 压 电 陶 瓷 接 收 , 接 收 到 的波 形 如 图 6所 示 : 一! 。 。 - 一 。 l_ I “ 皿 I-V T 图 5两超 声导波探 头 对接得 到 的波形 图 一 。 : : :1IIIr 。 _。 一 血 一 v , - 1 III 一 : 图 6 利用 位置 2的探 头激励 、 位 置 1的压 电 陶瓷接 收得到 的波形 图 ( 3 )利 用 粘 贴 在 管 道 表 面 位
18、 置 2处 的 压 电 陶瓷 激 励 ( 激 励 频 率 为 7 0 k H z ) , 利 用 位 置 1处 的 超 声 导 波 探 头接 收 , 接 收 到 的波 形 图如 图 7所 示 ( 4 )利 用 位 置 2处 的 超 声 导 波 探 头 激 励 ( 激 励 频 率 7 0 k H z ) 、 位 置 1处 的探 头 接 收 , 接 收 到 的 波 形 图 如 图 8所 示 ( 5 )在 一 实验 钢 板 上 利 用 所 研 制 探 头 激 励 和接 收 所得 到 的 信 号 如 图 9所 示 此 外 , 我们 还通 过 改 变 激 励 信 号 的 频 率 、 探 头 之 间 的距
19、 离 等 条件 在实 验 管道 和 实 验 钢 板 上 进 行 了许 多 实 验 , 得 到 了一 系 列 的结 果 , 限 于篇 幅 的关 系 , 在 此 就 不 再 赘 述 3 3 实 验 分 析 前面实验所得到 的波形 图 中, 1通道 信号 是经汉宁窗调制 的十个周期 的单音频 激励信号 , 维普资讯 http:/ 5 0 4 实验力学 ( 2 0 0 3年 ) 第 1 8卷 3通道信号就 是利 用所研制 的探 头在 管道中激励 和接收到的导波信号 首 先 肯 定 的 是 , 从 上 面 得 到 的 实 验 结 果 可 以 说 明所 研 制 的 管 道 用 超 声 导 波 探 头 能
20、够 有 效 地激励和接收 信号 日 。 1 - r Jk - II- lI 眦血 血血 m J- I JlIIl 。 椰 图 7利用位 置 2处 的压 电陶瓷 激励 、 位置 1 处 的超 声 导波探 头接 收到 的波形 图 日 。 IIIIII : J 一1 业I I - II 址一 h J l lI I II II 山 - - 山 I1 一 I 呻 , -I I哪哪 Ir。 r T_ n 竹 町 ” ” 盘h c h , D 。 图 8利用位 置 2处的超 声导波 探头 激励 、 位 置 1处 的探 头接 收到 的波形 图 0 。 。 。 : : 一 。 j 。 : : _ lL 一 I
21、i 一 山 I I - 一 一 一 。 1 旷” ” m l l l lv ” ” ” ” 一 叩I ” 。 - 1l 一 。 。 , - r - _ r- h1 I ! 空 旦 J Ml ! 壁 璺 ! l f ch1, 6 O 0 图 9 在 一实 验钢板 上利 用所研 制探 头激励 和接收 得到 的波 形图 但是 , 我们从 图中也可 以看 到信号的模态 比较 复杂 , 如前所述 , 若将单 一 的长度伸缩形压 电 元 件 沿 管 道 轴 向方 向 粘 在 管 道 外 表 面 , 由 于激 励 源 的 非 对 称 性 , 在 管 道 中 除 了 产 生 L ( O , m) 模 态 外
22、还 会 产 生 F( n , ) 模 态 , 这 样 就 会 使 回 波 信 号 变 的 比较 复 杂 , 增 大 了 信 号 分 析 和 提 取 的 难 度 , 但 是 若 把 一 系 列 的 探 头 均 匀 分 布 在 管 道 周 向上 组 成 一 个 环 状 的 阵 列 探 头 , 就 可能 会 抑 制 不 对 称 的 F ( n , ) 模 态 。 在此还 需要说 明的是探 头与管道之 间采用 干耦合 的方式 , 即它们之 间不需要 任何耦合剂 或者 粘接 剂 , 而是通过压 力把压 电探 头 固定在管道 表面 , 可想而知 , 采用 这种方法得 到的效 果 不如 直接 把压 电陶瓷粘
23、贴在 管道表面得 到的效果好 , 但 是实验 证 明: 随着压力 的增大 , 前者 的 维普资讯 http:/ 第 4期 何存 富 等 : 管道超 声导 波检 测专用 探头 的研 制 5 0 5 效果能够非常接 近后 者的效果 4结 论 如 上 所 述 , 通 过 本 文 的研 究 可 以 得 到 以 下 结 论 : 1 )所研制 的超声导 波探 头能够在管道 中有效地激励 和接收超声导波 ; 2 )由于单个探 头激励 造成 的不对称加 载 , 激 励 出的模 态 比较 复杂 但 是这个 问题可 以通 过在管道表 面周 向均布一定数量 的探头予 以解决 ; 3 )由于采用 干耦合 方式 , 因
24、此接 收信号 的幅值会 随着压 力 的变化而变 化 , 实验 表明 , 当压 力增加到一 定数值后 , 接收信号的幅值可 以接近把压 电陶瓷粘贴在管道表面得到的信号幅值 ; 4 )研制 的超声 导波压 电探 头有望用于管道缺 陷的检测 参 考 文 献 : 1 C o r l e y C J ,F i s c h e r R B,R o s e J L d D e v e l o p m e n t o f g u i d e d wa v e s u l t r a s o n i c t e c h n u q u e s f o r d e t e c ti o n o f c o r r
25、 o s i o n u n d e r i n s u l a ti o n i n me t a l p i p e C P r o c e e d i n g o f t h e 1 9 9 8 A S ME E n e r g y S o u r c e s T e c h n o l o g y , I - k) us t on,1 998 2 4 2 3 A l l e y n e D N a n d C a wl e y P E x c i ta ti o n o f l a mb w a v e s i n p i pes u s i n g d r y -c o u p l
26、ed p i e z o e l ect ri c tr a n s d u c e r s J Non de s tru c tiv e Eva l ua tion,199 6, 1 5( 1): 11 2 O 3 何存 富 , 吴斌 , 范 晋伟 超 声柱 面导波 技术 及其应 用研 究进 展 J 力 学进展 ,2 0 0 1 ,3 1 ( 2 ) : 2 0 3 2 1 4 4 王耀俊 , 袁 忆 丰超声换 能 器背衬 材料 的声 学性能 J 无损 检测 , 1 9 8 9 , 1 1 ( 8 ) 2 2 1 2 2 3 De v e l o p me n t o f a S p e c
27、 i a l Tr a n s d u c e r u s e d i n t h e Pi p e s De t e c t i o n wi t h Ul t r a s o n i c Gu i d e d W a v e s HE Cu n f u,YU Ha i qu n,W u Bi n ( B e i j i n g L h a i v e r s i t y o f t echn o l o gy ,C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g& Ap p l i ed Hectr o n i c s T e
28、chn o l o gy 。 B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 ) Ab s t r a c t :q hi s a r tic l e d e p i c t s i n de t a i l a k i nd o f g ui d e d wa ve s t r a ns du c e r ,u s e d f o r p i p e s d e t e c ti on a n d s o me r e l a tiv e ma nu f a c t ur e t e c h ni q ue s o f t h e tra nsduc e r Ex p e rime n
29、ts of g e ne rat i n g a nd r e c e i vi n g gu i d ed wa ve s o n a p i p e a n d a p l a n e wi t h t h e s e tra nsduc e r s a r e c a r rie d o u t 乃 e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t the se tra n sd u c e r s c a n e f f e c tive l y g e n e r a t e a nd r e c e i ve gu i d e d wa ve s Ke y wo ni s :pi pe l i ne de t e c tio n;ul tra s on i c gu i de d wa v e s ;tra n sd u c e r;l e ng t h e x p a n ding a n d c on tra c t i n g p i e z o e l ec t r i c e l e me nt 维普资讯 http:/
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