导波技术
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导波检测技术
资料来源于********
主要内容
一、导波技术的发展概况
二、导波基础理论介绍
三、管道缺陷导波检测技术介绍
四、国内外各种导波仪器的介绍 五、导波检测案例
一、 导波技术的发展概况 导波发展历程: 简单结构导波理论研究—导波实验验证
复杂结构导波理论研究—导波实验验证
导波缺陷检测理论研究—导波检测工程应用
对称模式
对称模式
垂直的弯曲波模式 水平弯曲波模式
3.1导波模态的选择
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
1、轴对称模态（L和T），管道360度能量相同，
声速 (m/s) 焊缝、法兰和缺陷轻易分辨出来 2、L（0，2）的特点：
Vgr (m/s)
6.0
L(0,2)
L(0,1)
4.0
（1）在30~100kHz频率附近是非频散的， 速度不随频率变化，因而信号形状和幅度 在传播过程中可保存下来。
二、 导波理论介绍
无限大体中的波分为：纵波L和横 波S(剪切波)，模式固定，速度固 定，不随频率的不同而发生变化。
纵波的速度约为横波速度的两倍
而在一弹性半空间表面处，或两个 弹性半空间表面处，由于介质性质
的不连续性，超声波将经受一次反
射或透射而发生波形转换。
图1波型转换 (a) 一般情况下纵波的入射；(b)入射角为时的纵波 入射；(c) 入射角为时的纵波入射；(d) 入射波为剪切波
一、导波技术的发展概况
• 国内管道超声导波检测技术方面的研究较 国外起步略晚，但在相关各领域也已开展 了一些研究。但大多都是停留在理论研究、 传感器研发以及管道缺陷实验室实验检测 阶段。
一、导波技术的发展概况
• 检测设备方面: 1999年英国TWI公司（英国焊接研究所）开发出 第一台用于现场管道检测的导波检测仪，世界上 主要有： 英国TWI公司的TELETEST导波检测仪 英国导波公司WAVEMARKER导波检测仪 美国西南研究院研制的MSSR-202导波检测仪 以色列SONIC公司研发的ISONIC系列导波等。
Transducer Array in Ring
Guided Ultrasonics Ltd
一、导波技术的发展概况
• 1997年Alleyne采用两个传感器环通过理论计算与 实验研究实现了单向超声导波在管道中的激励。 • 2002年，英国帝国理工大学的Laguerre, Kwun应 用磁致伸缩传感器在管道中激励、接收纵向柱面 导波，虽然这种方法可以和管道实现无接触，但是 只能用于铁磁性材料的结构
t1
Vg
V p2 V fd
2 p
d fd
dVp
二、 导波理论介绍
导波最主要的特性：频散性和多模态性 1、频散性：频率不同,波速不同，同一频率，不同模态波速也不同
b a
a)60m
b)110m
图4 频散现象示意图
信号展宽为分析有用的信号带来了很大的困难，幅度的减小降低了检测的灵敏度， 使得信号特征的识别与提取变得困难并由此导致检测结果的失真
i,j=1~6
Bij ——同管径尺寸（内径a、外径b）、材料的lamb常数、材料的密度、频率以及波数k有关的函数
二、 导波理论介绍
图6 钢管中不同模态的相速度、群速度频散曲线
管道中导波的运动实际上可分为三种类型：纵向模态（L模式）、扭转模
态（T模式）和弯曲模态(F模式)。这三种模态的导波分别用L(0,m)、T(0,m)
二、 导波理论介绍
2、多模态性：以板波为例 求解Lamb方程： tanqh 4k 2 pq • tan ph q 2 k 2 2
对称模态
反对称模态
2
•
tanqh q2 k 2 tan ph 4k 2 pq
2
中间参数：
ω q c T
k2
一、导波技术的发展概况
• 1959年D. C. Gazis首先研究得到无限长自 由空心圆柱体（管道）中导波传播问题的 理论解。 • 后人对板、管道中导波问题的所有理论研 究均基于上述理论解。
一、导波技术的发展概况
• 从这个时期以后，导波研究主要集中在导 波激励方式、导波传播特性的基础理论研 究方向上. • 对管道缺陷检测技术的应用研究是在20世 纪90年代末才开始的，比较著名单位是美 国的宾夕法尼亚大学和英国的帝国理工大 学。
一、导波技术的发展概况
• 1996年，英国帝国理工大学的D. N. Alleyne, P. Cawley提出了应用长度伸缩型PZT换能器 干耦合(粘接)于管道并且沿管道圆周均匀分 布的方法 • 1998年Rose在参考板中Lamb波激励方式后， 提出了在管道上应用Comb梳状传感器环列激 励导波的方法
二、 导波理论介绍
导波在管道内传播时，质点的位移必须满足Navier位移平衡方程：
2U G 2U ( G ) U 2 t
经过Helmholts分解,位移场分为纵波及横波两分量的形式 1 2 1 2 2 2 2 2 CT t 2 C L t 2
6.0
4.0
2.0
T(0,1)
1.0
T(0,2)
T(0,3)
T(0,4)
T(0,5)
T(0,6) T(0,7)
0.0
0.5
1.0
频率(MHz)
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 0.0
1.0
频率 (MHz)
2.0
3.0
管道的扭转模态T(0,m) 的(a)相速度和(b)群速度频散曲线
二、 导波理论介绍
• 管道中的波复杂，如下假设： • 1）假设管道是轴对称且无限长的； • 2）管道材料特性是均匀的、各向同性的线弹 性体，管轴平行于各向同性轴； • 3）假设导波是连续的、具有实频的能量有限 信号； • 4）假设管道的周围介质是真空，即内外表面 受力为零。
图6无限长无应力空心圆柱壳
和F(n,m)表示。 其中n反映该模态绕管壁螺旋式传播形态；m反映该模态在管厚方向上的振 动形态，且二者均为正整数。
二、 导波理论介绍
纵向模态：圆柱体的各个单元作伸展和收缩运动，但不会 出现轴线的横向位移，轴对称的模态。 扭转模态中：圆柱体的每个横截面都保持原来的平面不变， 并围绕它的中心旋转，其轴线未被扰动而保持原状，轴对 称的模态。
二、 导波理论介绍
有限体中的波 位于板内的纵波、横波将会在两个平 行的边界上产生来回的反射，而沿平行板
面的方向行进，即平行的边界制导弹性波
在板内传播。这样的一个系统称为平板波 导，在此板状波导中传播的弹性波是超声 无损检测中最常用的一种导波形式——板 波（或Lamb波）
图2 板中导波
二、 导波理论介绍
一、导波技术的发展概况
缺陷
两个缺陷的弯管中接收到的波形图
有限元模拟结果
实验结果
(a) 110kHz
(b) 130kHz
一、导波技术的发展概况 • 数值分析主要解决的问题
模拟了导波在管道中的传播特性
确定了不同导波模态对不同缺陷的敏感度
确定了管道缺陷检测的主要影响参数
确定了缺陷处导波模态的转换规律
而在弯曲模态中圆柱体轴线的各单元作横向运动，模态
F(n,m)被认为是非轴对称的
二、 导波理论介绍
T 模态
L 模态
F 模态
三、管道缺陷导波检测技术介绍
常规探头 局部检测 焊缝 腐蚀
腐蚀
导波探头 导波 法兰
焊缝
腐蚀
100% 检测
腐蚀
幅度或A扫描
管道缺陷导波检测 的主要技术就包含 了：导波模态的选 择和激励、缺陷导 波信号的识别。
一、导波技术的发展概况
• 除了压电陶瓷技术、磁滞伸缩技术研究以 外，还有PVDF（压电薄膜技术）和EMAT （电磁）技术。
一、导波技术的发展概况
• 由于研究波导结构中导波同缺陷关系问题的复杂 性，因此对管道传播特性和缺陷检测原理的研究， 目前常用的方法是通过数值计算的方法研究理想 条件下导波同结构中管道传播特性和待检测缺陷 的相关关系。 • 两种数值计算方法：有限元法和边界元法。
2
ω p k2 c L
k--波数
k
w cp
二、 导波理论介绍
• 对上述两个方程求解就可以得到相速度和频率的关系
图5 钢板的相速度、群速度频散曲线
• 对于板中的Lamb波来说仅存在两种传播模式：即反对称型的A模态和 对称型的S模态。 • 低频有两种模态，高频模态较多，且都有截止频率。
• 对于导波问题的研究，最早见于对平板中 导波的研究。20世纪初H. Lamb最早求解得 到了自由金属薄板中所传播波的波动解， 后人将板中传播的导波命名为Lamb波
Guided Waves
• Long range inspection
– They are partially reflected by discontinuities in the waveguide cross section
除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型 的波导。 导波检测技术就是利用导波在波导中传播过程中 如果遇到缺陷或边界就会部分被反射回来的原理。
二、 导波理论介绍
导波的最基本的参数：群速度 和相速度 相速度：单个质点传播方向 l Cp 的速度 t
2
图3 群速度与相速度的关系
群速度：弹性波的包络上具 有某种特性（如幅值最大）的点 的传播速度波能量的速度 C g l
Which Guided Wave Mode?
• Different modes travel at different velocities • Different frequency components travel at different velocities
• Simplest to use low frequency modes below A1 cut-off – Only 2 modes – Easier data interpretation
一、导波技术的发展概况
• 国外对超声导波检测技术方面的研究起步较早，可 以追溯到19世纪后期20世纪早期，主要的国家有英、 美、加、日、德等.
• 最早的工作主要是进行理论求解，渐渐地，研究者 们将理论应用到一些特定的物理现象中。比如通过 波在地球的多层地壳中的传播来分析地震和核爆炸 的影响。
一、导波技术的发展概况
一、导波技术的发展概况
• 导波激励方法的关键技术——传感器 1997年，美国宾西法尼亚大学的Rose教授提出了内插
式锥型压电传感器进行在管道内激励、接收导波的思路 。
随后，Rose提出了在管道内填充一个内插式抛物线 型铜反射镜、利用脉冲激光和铜反射镜聚焦使脉冲激光的 能量经反射后沿管道圆周方向均匀分布的方法，也可以在 管道中激励能量沿圆周均匀分布的导波模态 。
2.0
频率 (kHz)
（2）由于该模态传播速度最快，故任何不 希望出现的模态转换信号均在其后到达。
0.0 0.00 0.02 0.04
Frequency (MHz)
百度文库
0.06
3.1导波模态的选择
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
（3）该模态的径向位移分量相对较小，轴向 位移分量相对较大，且幅值相差不大，因 此对管道内外表面具有相同的灵敏度。
得到相应的位移场、应力场及势函数，再代入边界条件就可得到一个线性方程组。 为了使该方程组有解，其系数行列式需为零：
B11 B 21 B31 Det . . . Bi1 B 12 B22 B32 . . . Bi 2 B13 B23 B33 . . . Bi 3 ......B1 j ......B2 j ......B3 j . 0 . . ......Bij
轴向位移
径向位移
-1
0 归一化位移
1
L(0,2)
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
3.1导波模态的选择
• T（0，1）模态
12.0 10.0
T(0,2)
3.0
T(0,3)
T(0,4)
T(0,1)
T(0,5)
T(0,6)
T(0,7) Vgr (m/ms)
Vph (m/ms)
8.0 2.0
Transducer
Defect
Structure (waveguide)
– Potentially provide a rapid means of inspecting large areas of plate-like structures from a small number of locations
资料来源于********
主要内容
一、导波技术的发展概况
二、导波基础理论介绍
三、管道缺陷导波检测技术介绍
四、国内外各种导波仪器的介绍 五、导波检测案例
一、 导波技术的发展概况 导波发展历程: 简单结构导波理论研究—导波实验验证
复杂结构导波理论研究—导波实验验证
导波缺陷检测理论研究—导波检测工程应用
对称模式
对称模式
垂直的弯曲波模式 水平弯曲波模式
3.1导波模态的选择
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
1、轴对称模态（L和T），管道360度能量相同，
声速 (m/s) 焊缝、法兰和缺陷轻易分辨出来 2、L（0，2）的特点：
Vgr (m/s)
6.0
L(0,2)
L(0,1)
4.0
（1）在30~100kHz频率附近是非频散的， 速度不随频率变化，因而信号形状和幅度 在传播过程中可保存下来。
二、 导波理论介绍
无限大体中的波分为：纵波L和横 波S(剪切波)，模式固定，速度固 定，不随频率的不同而发生变化。
纵波的速度约为横波速度的两倍
而在一弹性半空间表面处，或两个 弹性半空间表面处，由于介质性质
的不连续性，超声波将经受一次反
射或透射而发生波形转换。
图1波型转换 (a) 一般情况下纵波的入射；(b)入射角为时的纵波 入射；(c) 入射角为时的纵波入射；(d) 入射波为剪切波
一、导波技术的发展概况
• 国内管道超声导波检测技术方面的研究较 国外起步略晚，但在相关各领域也已开展 了一些研究。但大多都是停留在理论研究、 传感器研发以及管道缺陷实验室实验检测 阶段。
一、导波技术的发展概况
• 检测设备方面: 1999年英国TWI公司（英国焊接研究所）开发出 第一台用于现场管道检测的导波检测仪，世界上 主要有： 英国TWI公司的TELETEST导波检测仪 英国导波公司WAVEMARKER导波检测仪 美国西南研究院研制的MSSR-202导波检测仪 以色列SONIC公司研发的ISONIC系列导波等。
Transducer Array in Ring
Guided Ultrasonics Ltd
一、导波技术的发展概况
• 1997年Alleyne采用两个传感器环通过理论计算与 实验研究实现了单向超声导波在管道中的激励。 • 2002年，英国帝国理工大学的Laguerre, Kwun应 用磁致伸缩传感器在管道中激励、接收纵向柱面 导波，虽然这种方法可以和管道实现无接触，但是 只能用于铁磁性材料的结构
t1
Vg
V p2 V fd
2 p
d fd
dVp
二、 导波理论介绍
导波最主要的特性：频散性和多模态性 1、频散性：频率不同,波速不同，同一频率，不同模态波速也不同
b a
a)60m
b)110m
图4 频散现象示意图
信号展宽为分析有用的信号带来了很大的困难，幅度的减小降低了检测的灵敏度， 使得信号特征的识别与提取变得困难并由此导致检测结果的失真
i,j=1~6
Bij ——同管径尺寸（内径a、外径b）、材料的lamb常数、材料的密度、频率以及波数k有关的函数
二、 导波理论介绍
图6 钢管中不同模态的相速度、群速度频散曲线
管道中导波的运动实际上可分为三种类型：纵向模态（L模式）、扭转模
态（T模式）和弯曲模态(F模式)。这三种模态的导波分别用L(0,m)、T(0,m)
二、 导波理论介绍
2、多模态性：以板波为例 求解Lamb方程： tanqh 4k 2 pq • tan ph q 2 k 2 2
对称模态
反对称模态
2
•
tanqh q2 k 2 tan ph 4k 2 pq
2
中间参数：
ω q c T
k2
一、导波技术的发展概况
• 1959年D. C. Gazis首先研究得到无限长自 由空心圆柱体（管道）中导波传播问题的 理论解。 • 后人对板、管道中导波问题的所有理论研 究均基于上述理论解。
一、导波技术的发展概况
• 从这个时期以后，导波研究主要集中在导 波激励方式、导波传播特性的基础理论研 究方向上. • 对管道缺陷检测技术的应用研究是在20世 纪90年代末才开始的，比较著名单位是美 国的宾夕法尼亚大学和英国的帝国理工大 学。
一、导波技术的发展概况
• 1996年，英国帝国理工大学的D. N. Alleyne, P. Cawley提出了应用长度伸缩型PZT换能器 干耦合(粘接)于管道并且沿管道圆周均匀分 布的方法 • 1998年Rose在参考板中Lamb波激励方式后， 提出了在管道上应用Comb梳状传感器环列激 励导波的方法
二、 导波理论介绍
导波在管道内传播时，质点的位移必须满足Navier位移平衡方程：
2U G 2U ( G ) U 2 t
经过Helmholts分解,位移场分为纵波及横波两分量的形式 1 2 1 2 2 2 2 2 CT t 2 C L t 2
6.0
4.0
2.0
T(0,1)
1.0
T(0,2)
T(0,3)
T(0,4)
T(0,5)
T(0,6) T(0,7)
0.0
0.5
1.0
频率(MHz)
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 0.0
1.0
频率 (MHz)
2.0
3.0
管道的扭转模态T(0,m) 的(a)相速度和(b)群速度频散曲线
二、 导波理论介绍
• 管道中的波复杂，如下假设： • 1）假设管道是轴对称且无限长的； • 2）管道材料特性是均匀的、各向同性的线弹 性体，管轴平行于各向同性轴； • 3）假设导波是连续的、具有实频的能量有限 信号； • 4）假设管道的周围介质是真空，即内外表面 受力为零。
图6无限长无应力空心圆柱壳
和F(n,m)表示。 其中n反映该模态绕管壁螺旋式传播形态；m反映该模态在管厚方向上的振 动形态，且二者均为正整数。
二、 导波理论介绍
纵向模态：圆柱体的各个单元作伸展和收缩运动，但不会 出现轴线的横向位移，轴对称的模态。 扭转模态中：圆柱体的每个横截面都保持原来的平面不变， 并围绕它的中心旋转，其轴线未被扰动而保持原状，轴对 称的模态。
二、 导波理论介绍
有限体中的波 位于板内的纵波、横波将会在两个平 行的边界上产生来回的反射，而沿平行板
面的方向行进，即平行的边界制导弹性波
在板内传播。这样的一个系统称为平板波 导，在此板状波导中传播的弹性波是超声 无损检测中最常用的一种导波形式——板 波（或Lamb波）
图2 板中导波
二、 导波理论介绍
一、导波技术的发展概况
缺陷
两个缺陷的弯管中接收到的波形图
有限元模拟结果
实验结果
(a) 110kHz
(b) 130kHz
一、导波技术的发展概况 • 数值分析主要解决的问题
模拟了导波在管道中的传播特性
确定了不同导波模态对不同缺陷的敏感度
确定了管道缺陷检测的主要影响参数
确定了缺陷处导波模态的转换规律
而在弯曲模态中圆柱体轴线的各单元作横向运动，模态
F(n,m)被认为是非轴对称的
二、 导波理论介绍
T 模态
L 模态
F 模态
三、管道缺陷导波检测技术介绍
常规探头 局部检测 焊缝 腐蚀
腐蚀
导波探头 导波 法兰
焊缝
腐蚀
100% 检测
腐蚀
幅度或A扫描
管道缺陷导波检测 的主要技术就包含 了：导波模态的选 择和激励、缺陷导 波信号的识别。
一、导波技术的发展概况
• 除了压电陶瓷技术、磁滞伸缩技术研究以 外，还有PVDF（压电薄膜技术）和EMAT （电磁）技术。
一、导波技术的发展概况
• 由于研究波导结构中导波同缺陷关系问题的复杂 性，因此对管道传播特性和缺陷检测原理的研究， 目前常用的方法是通过数值计算的方法研究理想 条件下导波同结构中管道传播特性和待检测缺陷 的相关关系。 • 两种数值计算方法：有限元法和边界元法。
2
ω p k2 c L
k--波数
k
w cp
二、 导波理论介绍
• 对上述两个方程求解就可以得到相速度和频率的关系
图5 钢板的相速度、群速度频散曲线
• 对于板中的Lamb波来说仅存在两种传播模式：即反对称型的A模态和 对称型的S模态。 • 低频有两种模态，高频模态较多，且都有截止频率。
• 对于导波问题的研究，最早见于对平板中 导波的研究。20世纪初H. Lamb最早求解得 到了自由金属薄板中所传播波的波动解， 后人将板中传播的导波命名为Lamb波
Guided Waves
• Long range inspection
– They are partially reflected by discontinuities in the waveguide cross section
除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型 的波导。 导波检测技术就是利用导波在波导中传播过程中 如果遇到缺陷或边界就会部分被反射回来的原理。
二、 导波理论介绍
导波的最基本的参数：群速度 和相速度 相速度：单个质点传播方向 l Cp 的速度 t
2
图3 群速度与相速度的关系
群速度：弹性波的包络上具 有某种特性（如幅值最大）的点 的传播速度波能量的速度 C g l
Which Guided Wave Mode?
• Different modes travel at different velocities • Different frequency components travel at different velocities
• Simplest to use low frequency modes below A1 cut-off – Only 2 modes – Easier data interpretation
一、导波技术的发展概况
• 国外对超声导波检测技术方面的研究起步较早，可 以追溯到19世纪后期20世纪早期，主要的国家有英、 美、加、日、德等.
• 最早的工作主要是进行理论求解，渐渐地，研究者 们将理论应用到一些特定的物理现象中。比如通过 波在地球的多层地壳中的传播来分析地震和核爆炸 的影响。
一、导波技术的发展概况
一、导波技术的发展概况
• 导波激励方法的关键技术——传感器 1997年，美国宾西法尼亚大学的Rose教授提出了内插
式锥型压电传感器进行在管道内激励、接收导波的思路 。
随后，Rose提出了在管道内填充一个内插式抛物线 型铜反射镜、利用脉冲激光和铜反射镜聚焦使脉冲激光的 能量经反射后沿管道圆周方向均匀分布的方法，也可以在 管道中激励能量沿圆周均匀分布的导波模态 。
2.0
频率 (kHz)
（2）由于该模态传播速度最快，故任何不 希望出现的模态转换信号均在其后到达。
0.0 0.00 0.02 0.04
Frequency (MHz)
百度文库
0.06
3.1导波模态的选择
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
（3）该模态的径向位移分量相对较小，轴向 位移分量相对较大，且幅值相差不大，因 此对管道内外表面具有相同的灵敏度。
得到相应的位移场、应力场及势函数，再代入边界条件就可得到一个线性方程组。 为了使该方程组有解，其系数行列式需为零：
B11 B 21 B31 Det . . . Bi1 B 12 B22 B32 . . . Bi 2 B13 B23 B33 . . . Bi 3 ......B1 j ......B2 j ......B3 j . 0 . . ......Bij
轴向位移
径向位移
-1
0 归一化位移
1
L(0,2)
三 管 道 缺 陷 导 波 检 测 技 术 介 绍
3.1导波模态的选择
• T（0，1）模态
12.0 10.0
T(0,2)
3.0
T(0,3)
T(0,4)
T(0,1)
T(0,5)
T(0,6)
T(0,7) Vgr (m/ms)
Vph (m/ms)
8.0 2.0
Transducer
Defect
Structure (waveguide)
– Potentially provide a rapid means of inspecting large areas of plate-like structures from a small number of locations