實(shi)驗名(ming)稱：基于(yu)超聲導波技術的充液(ye)管道損傷(shang)檢(jian)測實驗研究

　　研(yan)究方(fang)向(xiang)：無損檢測

　　測(ce)試(shi)目的：

　　超(chao)聲波(bo)是一種高(gao)(gao)頻(pin)應力(li)波(bo)，正(zheng)是由于激(ji)發的頻(pin)率較高(gao)(gao)，其能力(li)衰減較快，傳播距(ju)離有限(xian)。故在(zai)管道檢(jian)測中，超(chao)聲波(bo)檢(jian)測技術需要逐點掃描管道的每個斷(duan)面，若檢(jian)測的管道較長,則利用超聲波檢測技術時需要的時間較長。

　　超(chao)聲導波(bo)是顯著區(qu)別(bie)于(yu)超(chao)聲波(bo)的(de)(de)一種(zhong)檢(jian)測方(fang)法，它(ta)激發(fa)的(de)(de)是低頻導波(bo)，這樣導波(bo)可以在(zai)(zai)管(guan)道(dao)中(zhong)傳播(bo)(bo)較長的(de)(de)距(ju)離(li)。其次，超(chao)聲導波(bo)比超(chao)聲波(bo)具有很強的(de)(de)定向(xiang)性。由于(yu)超(chao)聲導波(bo)能夠有效的(de)(de)在(zai)(zai)管(guan)道(dao)表面激發(fa)，導波(bo)可在(zai)(zai)管(guan)道(dao)整個截(jie)面內(nei)分布并沿著管(guan)道(dao)縱向(xiang)高速(su)傳播(bo)(bo)，因此該(gai)方(fang)法不僅能檢(jian)測管(guan)道(dao)斷裂等(deng)管(guan)道(dao)截(jie)面嚴重損(sun)傷，同時(shi)可以檢(jian)測出管(guan)道(dao)表面及內(nei)部早期(qi)不可見的(de)(de)線(xian)狀微(wei)小裂紋。

　　測試設備(bei)：信號發生器、ATA-8202射頻功(gong)率放大器、傳(chuan)感器(qi)、數字(zi)示(shi)波器(qi)以及計(ji)算(suan)機等。

　　實驗過程：

　　首先通過計算(suan)機編程生成信號數據，通過USB接口發送到信號發生器，生成實驗所需的原始激勵信號。信號發生器通過ch1將原始激勵信號輸入數字示波器，又通過ch2將激勵信號經過功率放大器放大后，驅動與功率放大器連接的壓電陶瓷環，使之產生相應頻率的振動，在管道中激勵出超聲導波并在管道中傳播。最后經壓電陶瓷應變片接收后輸入數字示波器形成端面回波波形。

　　超聲(sheng)導波(bo)(bo)的管(guan)道(dao)檢(jian)測實驗(yan)設(she)備主要有信號發生器、功率放大器、傳感器、數字示波(bo)(bo)器以(yi)及計算機組成。實驗(yan)對象為一根4米長的鋼管，鋼管外徑為88毫米，壁厚為4mm。

圖：實驗(yan)裝(zhuang)置圖

　　目(mu)前，管道超(chao)聲(sheng)導波(bo)檢測中所使(shi)用的傳(chuan)感器(qi)主要(yao)有壓電傳(chuan)感器(qi)(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較為成熟、操作簡便且滿足本實驗的要求等優點，本實驗中采用PZT5材料的壓電陶瓷作為傳感器。

　　壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷具有在(zai)電(dian)(dian)能與機械(xie)(xie)能之間的(de)(de)轉換和逆轉換的(de)(de)功(gong)能。如果要(yao)激勵高頻率的(de)(de)超聲波(bo)，則只要(yao)產(chan)生高頻電(dian)(dian)信(xin)號加在(zai)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷上，由逆壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應，壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷會(hui)產(chan)生高頻的(de)(de)機械(xie)(xie)振動，即超聲波(bo)。而(er)由于正(zheng)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應的(de)(de)存在(zai)，缺陷的(de)(de)回波(bo)以及端面的(de)(de)回波(bo)就(jiu)會(hui)被轉換成電(dian)(dian)信(xin)號而(er)在(zai)數字示波(bo)器(qi)上顯示。

　　本實驗所使用的壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷有(you)兩(liang)種一一壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷環和壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷片。壓(ya)電環是(shi)按照管道的截面尺寸(cun)加工的，其外徑為88毫米，壁厚為4毫米。為了激發出較好的軸對稱導波，激發傳感器選用一個緊貼管道端部的壓電陶瓷環，如圖3-2-2所示。壓電環的振動方向在厚度方向。壓電片選用的是長度伸縮型壓電陶瓷，尺寸為15mmx2.5mmx0.8mm。實驗的接收傳感器采用離壓電環10mm處的管道外壁沿周向均布16個相同規格的PTZ壓電陶瓷片如圖3-2-2所示。沿管道長度方向，每隔25cm處，在管道外壁沿周向均布6個同樣規格的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波在充粘性液體管道中傳播的信號。可精確的得出超聲導波在充粘性液體管道中傳播信號的衰減大小。壓電陶瓷環和壓電陶瓷片均用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是為了更好的接受或激勵縱向模態的導波抑制其他的模態。

圖(tu)：壓電陶瓷環

　　實驗結果(guo)：

圖：充(chong)機油、充(chong)水和(he)空心鋼(gang)管實(shi)驗

　　本次實驗主(zhu)要是研(yan)究內(nei)容(rong)為(wei)：(1)研究充粘性液體管道中超聲導波的傳播特性，并與充水管道和空管中超聲導波的傳播特性進行比對：(2)研究充粘性液體管道的超聲導波損傷檢測。在同一個一根長為4米，外徑為88毫米，壁厚為4毫米的鋼管(如圖3-2-7所示)上進行充機油、充水和空心鋼管實驗。擬定實驗步驟如下：1、將壓電(dian)傳感器(qi)貼在10周期不變的情(qing)況下，分別激發頻率(lv)40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的導波信號，如圖3-3-2至(zhi)圖3-3-8所示。

　　由圖(tu)3-3-2至圖3-3-8所(suo)示的(de)(de)(de)(de)導波(bo)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)程曲線(xian)圖可得到10周(zhou)期(qi)7kHZ頻率導波(bo)的(de)(de)(de)(de)端面(mian)(mian)回(hui)波(bo)次(ci)數最(zui)(zui)多為(wei)六(liu)(liu)次(ci)，測其傳(chuan)播(bo)距離最(zui)(zui)遠，并(bing)且激(ji)發出的(de)(de)(de)(de)模態數最(zui)(zui)少(shao)，適合在充粘(zhan)性液(ye)體(ti)管道中(zhong)超(chao)聲(sheng)導波(bo)檢(jian)測。如圖3-3-3所(suo)示在10周(zhou)期(qi)50kHZ下導波(bo)的(de)(de)(de)(de)端面(mian)(mian)回(hui)波(bo)次(ci)數為(wei)六(liu)(liu)次(ci)傳(chuan)播(bo)距離也較(jiao)遠，但(dan)其激(ji)發出的(de)(de)(de)(de)模態數較(jiao)多，故(gu)不適合在充粘(zhan)性液(ye)體(ti)管道中(zhong)超(chao)聲(sheng)導波(bo)檢(jian)測。當周(zhou)期(qi)數為(wei)20時(shi)(shi)，其在時(shi)(shi)域信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)持續時(shi)(shi)間長，波(bo)形易疊加，折中(zhong)取(qu)舍，選取(qu)10周(zhou)期(qi)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)進行(xing)實驗(yan)。

　　根據(ju)圖3-3-2至圖3-3-8所示的導波的時程曲線圖，取各個頻率下的超聲導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值之和的一半)，繪制圖3-3-9。

圖：10周期時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，當周期數為10時，在100kHz這段頻率范圍內，超聲導波的第一次端面回波峰值在7kHz附近達到最大即在70kHz左右的超聲導波在充粘液管道中傳播幅值最大。

　　綜上所述(shu)，比較理想的檢測周(zhou)期(qi)數為10，頻率為70KHZ。該信號的導波為充粘性液體管道中超聲導波檢測的最佳激勵信號。

安(an)泰ATA-8202射頻功率放大器：

　　圖(tu)：ATA-8202射頻功率放大器

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