管道超声导波检测专用探头的研制

第18卷　第4期2003年12月实　验　力　学JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CSV o l.18　N o.4D ec.2003文章编号:100124888(2003)0420500206管道超声导波检测专用探头的研制Ξ何存富,于海群,吴斌(北京工业大学机电学院,北京100022)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:O348 文献标识码:A1　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[1]和文献[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,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Ξ收稿日期:2002207208;修订日期:2003205219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(1938-),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.接收超声导波.2　探头的研制 对一个检测系统性能的评价,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40～100kH z 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[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PZT 25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PZT 25系列压电陶瓷,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　PZT 25系列压电陶瓷的参数密度Θ(103kg m 3)弹性常数s 13(10-12m 2 N )压电常数d 31(10-12C N )机电耦合系数k 317.5-8.45-2740.392.2　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105第4期 何存富等:管道超声导波检测专用探头的研制 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-回波持续时间等.综合考虑管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、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100Λm 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.图3　超声导波探头结构示意图2.4　探头的成型由于采用了环氧树脂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.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205 实　验　力　学 (2003年)第18卷　头接收,输入数字示波器显示.图4　实验装置示意图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60c m ):(1)超声导波探头对接,接收到的波形如图5所示.(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70kH 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.图5　两超声导波探头对接得到的波形图图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置2处的压电陶瓷激励(激励频率为70kH 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70kH 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,1,305第4期 何存富等:管道超声导波检测专用探头的研制 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够有效地激励和接收信号.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 (0,m )模态外还会产生F (n ,m )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 ,m )模态[2].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,前者的效果能够非常接近后者的效果.405 实　验　力　学 (2003年)第18卷　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]　Co rley C J ,F ischer R B ,Ro se J L et al .D evelopm ent of guided w aves ultrasonic technuques fo r detec 2ti on of co rro si on under insulati on in m etal p i pe [C ].P roceeding of the 1998A S M E Energy Sources T echno logy ,Houston ,1998.2-4.[2]　A lleyne D N and Caw ley P .Excitati on of lam b w aves in p i pes using dry -coup led p iezoelectric trans 2ducers [J ].N ondestructive Evaluati on ,1996,15(1):11-20.[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,2001,31(2):203-214.[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,1989,11(8)221-223.D evelop m en t of a Spec i al Tran sducer used i n the P ipes ′D etection w ith Ultrason ic Guided W avesH E Cun 2fu ,YU H ai 2qun ,W u B in (Beijing U niversity of techno logy ,Co llege of M echanical Engineering &App lied Electronics Techno logy ,Beijing 100022)Abstract :T h is article dep icts in detail a k ind of gu ided 2w aves tran sducer ,u sed fo r p i pes de 2tecti on and som e relative m anufactu re techn iques of the tran sducer .Experi m en ts of generat 2ing and receiving gu ided w aves on a p i p e and a p lane w ith these tran sducers are carried ou t .T he resu lt indicates that these tran sducers can effectively generate and receive gu ided w aves .Key words :p i p eline detecti on ;u ltrason ic gu ided w aves ;tran sducer ;length 2exp anding and con tracting p iezoelectric elem en t505第4期 何存富等:管道超声导波检测专用探头的研制 。