實(shí)驗(yàn)名稱：基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的充液管道損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

研究方向：無(wú)損檢測(cè)

測(cè)試目的：

超聲波是一種高頻應(yīng)力波，正是由于激發(fā)的頻率較高，其能力衰減較快，傳播距離有限。故在管道檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)技術(shù)需要逐點(diǎn)掃描管道的每個(gè)斷面，若檢測(cè)的管道較長(zhǎng),則利用超聲波檢測(cè)技術(shù)時(shí)需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

超聲導(dǎo)波是顯著區(qū)別于超聲波的一種檢測(cè)方法，它激發(fā)的是低頻導(dǎo)波，這樣導(dǎo)波可以在管道中傳播較長(zhǎng)的距離。其次，超聲導(dǎo)波比超聲波具有很強(qiáng)的定向性。由于超聲導(dǎo)波能夠有效的在管道表面激發(fā)，導(dǎo)波可在管道整個(gè)截面內(nèi)分布并沿著管道縱向高速傳播，因此該方法不僅能檢測(cè)管道斷裂等管道截面嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)可以檢測(cè)出管道表面及內(nèi)部早期不可見的線狀微小裂紋。

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器、傳感器、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

首先通過(guò)計(jì)算機(jī)編程生成信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口發(fā)送到信號(hào)發(fā)生器，生成實(shí)驗(yàn)所需的原始激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)ch1將原始激勵(lì)信號(hào)輸入數(shù)字示波器，又通過(guò)ch2將激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)與功率放大器連接的壓電陶瓷環(huán)，使之產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動(dòng)，在管道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波并在管道中傳播。最后經(jīng)壓電陶瓷應(yīng)變片接收后輸入數(shù)字示波器形成端面回波波形。

超聲導(dǎo)波的管道檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳感器、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一根4米長(zhǎng)的鋼管，鋼管外徑為88毫米，壁厚為4mm。

圖：實(shí)驗(yàn)裝置圖

目前，管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)中所使用的傳感器主要有壓電傳感器(PZT)、電磁聲傳感器(EMAT)、脈沖激光式傳感器和磁致伸縮式傳感器(MsS)等。由于壓電傳感器技術(shù)較為成熟、操作簡(jiǎn)便且滿足本實(shí)驗(yàn)的要求等優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)中采用PZT5材料的壓電陶瓷作為傳感器。

壓電陶瓷具有在電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能。如果要激勵(lì)高頻率的超聲波，則只要產(chǎn)生高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上，由逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動(dòng)，即超聲波。而由于正壓電效應(yīng)的存在，缺陷的回波以及端面的回波就會(huì)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而在數(shù)字示波器上顯示。

本實(shí)驗(yàn)所使用的壓電陶瓷有兩種一一壓電陶瓷環(huán)和壓電陶瓷片。壓電環(huán)是按照管道的截面尺寸加工的，其外徑為88毫米，壁厚為4毫米。為了激發(fā)出較好的軸對(duì)稱導(dǎo)波，激發(fā)傳感器選用一個(gè)緊貼管道端部的壓電陶瓷環(huán)，如圖3-2-2所示。壓電環(huán)的振動(dòng)方向在厚度方向。壓電片選用的是長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷，尺寸為15mmx2.5mmx0.8mm。實(shí)驗(yàn)的接收傳感器采用離壓電環(huán)10mm處的管道外壁沿周向均布16個(gè)相同規(guī)格的PTZ壓電陶瓷片如圖3-2-2所示。沿管道長(zhǎng)度方向，每隔25cm處，在管道外壁沿周向均布6個(gè)同樣規(guī)格的PTZ5壓電陶瓷片。此壓電陶瓷片為跟蹤記錄其所在的位置的超聲導(dǎo)波在充粘性液體管道中傳播的信號(hào)。可精確的得出超聲導(dǎo)波在充粘性液體管道中傳播信號(hào)的衰減大小。壓電陶瓷環(huán)和壓電陶瓷片均用AB膠與鋼管相粘貼在一起。使用沿周向均布粘貼壓電陶瓷片和壓電陶瓷環(huán)是為了更好的接受或激勵(lì)縱向模態(tài)的導(dǎo)波抑制其他的模態(tài)。

圖：壓電陶瓷環(huán)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：充機(jī)油、充水和空心鋼管實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)主要是研究?jī)?nèi)容為：(1)研究充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性，并與充水管道和空管中超聲導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行比對(duì)：(2)研究充粘性液體管道的超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)。在同一個(gè)一根長(zhǎng)為4米，外徑為88毫米，壁厚為4毫米的鋼管(如圖3-2-7所示)上進(jìn)行充機(jī)油、充水和空心鋼管實(shí)驗(yàn)。擬定實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、將壓電傳感器貼在10周期不變的情況下，分別激發(fā)頻率40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的導(dǎo)波信號(hào)，如圖3-3-2至圖3-3-8所示。

由圖3-3-2至圖3-3-8所示的導(dǎo)波的時(shí)程曲線圖可得到10周期7kHZ頻率導(dǎo)波的端面回波次數(shù)最多為六次，測(cè)其傳播距離最遠(yuǎn)，并且激發(fā)出的模態(tài)數(shù)最少，適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測(cè)。如圖3-3-3所示在10周期50kHZ下導(dǎo)波的端面回波次數(shù)為六次傳播距離也較遠(yuǎn)，但其激發(fā)出的模態(tài)數(shù)較多，故不適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測(cè)。當(dāng)周期數(shù)為20時(shí)，其在時(shí)域信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，波形易疊加，折中取舍，選取10周期的信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)圖3-3-2至圖3-3-8所示的導(dǎo)波的時(shí)程曲線圖，取各個(gè)頻率下的超聲導(dǎo)波第一次端面回波峰值(第一次回波的最大值與最小值絕對(duì)值之和的一半)，繪制圖3-3-9。

圖：10周期時(shí)第一次端面回波峰值隨頻率變化曲線

從圖3-3-9中可以看出，當(dāng)周期數(shù)為10時(shí)，在100kHz這段頻率范圍內(nèi)，超聲導(dǎo)波的第一次端面回波峰值在7kHz附近達(dá)到最大即在70kHz左右的超聲導(dǎo)波在充粘液管道中傳播幅值最大。

綜上所述，比較理想的檢測(cè)周期數(shù)為10，頻率為70KHZ。該信號(hào)的導(dǎo)波為充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測(cè)的最佳激勵(lì)信號(hào)。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

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