管道导波检测中传感器数量和频率特性研究.pdf

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第30卷第4期
北京工业大学学报
Vol 30 No 4
2004年12月
OURNAL OF BENING UNIVERSITY OF TECINOLOGY
Dec.2004
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,郑璟瑜,吴斌,王秀彦
(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100022)
摘要:为了有效地检测管道缺陷,使用PZT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颖率范围内管道端部与缺陷的第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,有缺陷管道檢测与无缺陷管道柃測的最佳实验颖率一致,可以考虑以无缺陷管
道的最佳实验频率作为颖率选择的参考
关键词:管道;寻波;传感器;反射回波;激励频率
中图分类号:TB551
文献标识码:A
文章编号:0254-0037(2004)04-0393-05
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
波模态进行检測就变得十分重要. J Barshinger 3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,
并且其选择反射叫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. D N Alleyne
等人2利用PZT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70kHz,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,作者通过一组头验,分析了PZT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.
1管道中的导波3
在空心圆柱管中沿轴向侒播的超声波存在3种不同的模
6.0
0,2)
态,即纵向、扭转和弯曲模态.本实验均采用轴对称PZT传感器
F(1,3
作为激励和接收传感器,产生轴对称纵向导波,押制弯曲模态,不'4
产生扭转模た
(0,1
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1即为圆管的群速度c的频散曲线
0.
00200300400
其中:外径D=108mm,壁厚d=4.5mm,纵波速度
1/khz
596km?s',横波速度r=3.26km:s.由图1可以看出:在
图1圆管的群速度频散曲线
(70~360)kz范围内,只有2个纵向轴对称模态,即:L(0,1)模态
Fig. I Group veloclty dispersion
和(0,2)模态.对于L(0,2)模悫,频散相对较低,并且c2最大
curves of pi
而L(0,1)模态的c2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
收稿目期:2003-09-08
基金项日:国家自然科学基金资助项月(10372009,10272007);北京市自然科学基金资助项目(3011001);
北京市教委科技发展计划项日(99010303
作者简介:何存富(1958-),男,山西大同人,教授,博土生导师
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北京工业大学学报
2004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(0,1)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迅速衰减4
L(0,2)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(0,2)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实验硏究
实验利用PZT传感器(即压电陶瓷片)在一定的频率范内激劤和接收导波,分析端部或缺陷回波的
幅值变化情況、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,设计了一组买验进
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
次端闻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
Tek3034
(HP33120)、功率放大器(Uura2020)、前置放大器、数字示
数字记忆示波器
波器(TDS3034)和一组PZT传感器组成、在使用传感器激
前置
HP33120A
Ultra2020
励单音频信号时,激励信号由任意波形发生器产生;经功率
放大器任意波形发生器功率放大器
放大器进行功率放大;通过转换开关激励探头,在试件中产
转换开关
生超声导波;激励出的信号在管道中传播,经过转换开关返
管道
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
器
测试的2根管道长度、外径和壁厚分别为4、108、4.5mm
图2实验装置示意图
根无缺陷,一根带有人工缺陷.缺陷位于管道中部,为沿周
Fg. 2 Experimental setup
向1/8圆弧长,约1mm宽的通槽
2.2传感器的选择
实验采用的传感器,为外购的锆钛酸铅压电陶瓷片(印PZT传感器).振动模式为长度伸縮型、每个
压电陶瓷片尺寸为12.5mm×3.2mm×0.5m,其主要性能指标见表1.其中:K,为耦合系数;K,、K:为
机电耦合系数;eJ/e为相对介电常数;d』d』1为压电常数;p为密度;为居里温度;Qn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
Tab1 Main performances of piezoelectric ceramic
参数FK1Ke/eod2/(10-12C?N-)d21/(10~1C.-N-')P「(kg?m)7/cQnN(kHtz:m)
大小0.650.390.551.75×103
450
195
7.7×10
在自由状态下,该压电陶瓷片在长度方向的诸振频率
电极
为S:f,=N/6.N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,
12
因此6会有所变化.通过测量,δ大致为8.5mm.则/,=
图3压电陶瓷长度方向截面尺寸
2kHz?m/8.5mm=236kHz
Fg 3 Section dimensions of piezoelectric
利用 Agilent公司4294A型阻抗分析仪进行抽样测试,
ceramic in long direction
压电陶瓷片的f,变化范用大致在(220~245)kHz,与理论结果相吻合.图4为其中一片压电陶瓷∫
为(6