實驗名稱：基于超聲導波技術的充液管道損傷檢測實驗研究

研究方向：無損檢測

測試目的：

超聲波是一種高頻應力波，正是由于激發的頻率較高，其能力衰減較快，傳播距離有限。故在管道檢測中，超聲波檢測技術需要逐點掃描管道的每個斷面，若檢測的管道較長,則利用超聲波檢測技術時需要的時間較長。

超聲導波是顯著區別于超聲波的一種檢測方法，它激發的是低頻導波，這樣導波可以在管道中傳播較長的距離。其次，超聲導波比超聲波具有很強的定向性。由于超聲導波能夠有效的在管道表面激發，導波可在管道整個截面內分布并沿著管道縱向高速傳播，因此該方法不僅能檢測管道斷裂等管道截面嚴重損傷，同時可以檢測出管道表面及內部早期不可見的線狀微小裂紋。

測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器、傳感器、數字示波器以及計算機等。

實驗過程：

首先通過計算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。

超聲導波的管道檢測實驗設備主要有信號發生器、功率放大器、傳感器、數字示波器以及計算機組成。實驗對象為一根4米長的鋼管，鋼管外徑為88毫米，壁厚為4mm。

圖：實驗裝置圖

目前，管道超聲導波檢測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。

壓電陶瓷具有在電能與機械能之間的轉換和逆轉換的功能。如果要激勵高頻率的超聲波，則只要產生高頻電信號加在壓電陶瓷上，由逆壓電效應，壓電陶瓷會產生高頻的機械振動，即超聲波。而由于正壓電效應的存在，缺陷的回波以及端面的回波就會被轉換成電信號而在數字示波器上顯示。

本實驗所使用的壓電陶瓷有兩種一一壓電陶瓷環和壓電陶瓷片。壓電環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：壓電陶瓷環

實驗結果：

圖：充機油、充水和空心鋼管實驗

本次實驗主要是研究內容為：(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、將壓電傳感器貼在10周期不變的情況下，分別激發頻率40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的導波信號，如圖3-3-2至圖3-3-8所示。

由圖3-3-2至圖3-3-8所示的導波的時程曲線圖可得到10周期7kHZ頻率導波的端面回波次數最多為六次，測其傳播距離最遠，并且激發出的模態數最少，適合在充粘性液體管道中超聲導波檢測。如圖3-3-3所示在10周期50kHZ下導波的端面回波次數為六次傳播距離也較遠，但其激發出的模態數較多，故不適合在充粘性液體管道中超聲導波檢測。當周期數為20時，其在時域信號的持續時間長，波形易疊加，折中取舍，選取10周期的信號進行實驗。

根據圖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，比較理想的檢測周期數為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。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

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