管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的研制

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1、維普資訊http://www.cqvip.com第18卷第4期實(shí)驗(yàn)力學(xué)Vl01．18No．42003年12月J()I取NALOFD(PERIMErrAIMI~HANICSDec．2003文章編號(hào)：1001—4888(2003)04—0500—06管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的研制’何存富，于海群，吳斌(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100022)摘要：結(jié)合常規(guī)超聲探頭的研制技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象——管道的特殊性，從敏感元件、背襯材料、保護(hù)層以及外型等各方面詳細(xì)介紹了一種管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的研制過程；利用這種探頭分別在板和管中進(jìn)行了激勵(lì)

2、接收超聲導(dǎo)波的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，這種探頭能夠激勵(lì)接收超聲導(dǎo)波．關(guān)鍵詞：管道檢測(cè)；超聲導(dǎo)波；探頭；長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷中圖分類號(hào)：0348文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言目前比較常用的管道檢測(cè)技術(shù)，如渦流、漏磁檢測(cè)等，都有其本身無(wú)法克服的缺點(diǎn)，像檢測(cè)速度慢、需要?jiǎng)冸x管道外包層、不能在線檢測(cè)等．而超聲導(dǎo)波技術(shù)正是因?yàn)槟軌驈浹a(bǔ)這些不足而成為管道檢測(cè)的一種新興和前沿的發(fā)展方向．它具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測(cè)范圍大，檢測(cè)效率高、不需要?jiǎng)冸x外包層、可以進(jìn)行在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)．目前國(guó)外對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)理論的研究比較深入，并且已經(jīng)研制出專用探頭和專用儀器以便對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)．

3、如文獻(xiàn)E1-]和文獻(xiàn)E2-]都對(duì)超聲導(dǎo)波的理論及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了比較深入的研究．但是正因?yàn)樗且粋€(gè)新的發(fā)展方向，管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)還不是太完善，在國(guó)內(nèi)目前還沒有用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)的專用探頭及儀器．在實(shí)驗(yàn)室，比較常用的方法是用膠將壓電陶瓷片直接粘貼在管道表面來(lái)激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波信號(hào)，這將導(dǎo)致壓電陶瓷片得不到重復(fù)使用，不但造成了資源的浪費(fèi)，而且對(duì)所接收到的信號(hào)產(chǎn)生影響，給信號(hào)的提取以及分析都造成了很大的不便．為了解決此問題，本文研制了一種專用探頭，使其與管道之間采用干耦合來(lái)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)．目前，用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)的專用探頭已基

4、本研制成功，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了用于管道檢測(cè)的初步實(shí)驗(yàn)，取得了比較理想的結(jié)果．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的探頭可以代替粘貼在管道表面的壓電陶瓷片用于在管道中激勵(lì)和·收稿日期：2002—07—08；修訂日期t2003—05一l9基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、教育部骨干教師資助計(jì)劃、北京市教委科技合同項(xiàng)目資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：何存富(1938一)，男，博士，教授．近年來(lái)一直從事實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)無(wú)損檢測(cè)、測(cè)試技術(shù)等方面的研究工作．維普資訊http://www.cqvip.com第4期何存富等：管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的研制5O

5、1接收超聲導(dǎo)波．2探頭的研制對(duì)一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)，激勵(lì)和接收探頭的性能是至關(guān)重要的．作為一個(gè)探頭，最基本的要求就是能夠有效地激勵(lì)和接收信號(hào)，具有一定的靈敏度和分辨率等；而對(duì)于管道檢測(cè)，由于環(huán)境一般都比較惡劣，因此它還要求必須便于安裝和拆卸．這樣，采用直接把壓電陶瓷粘貼在管道上的方法顯然不利于探頭的重復(fù)使用，尤其對(duì)不同點(diǎn)多次測(cè)量而言；此外，由于本文的最終設(shè)計(jì)思想是把一系列同樣的探頭均勻分布在管道表面，因此每個(gè)探頭的體積要小，結(jié)構(gòu)上要易于集成，便于后面工作的進(jìn)行．基于上述要求，對(duì)這種探頭的研制主要從以下幾個(gè)方面著手：選擇壓電元件

6、；采用合適的背襯材料及其配比；選用保護(hù)膜的材料及其厚度及合理的外型設(shè)計(jì)．2．1壓電元件的選取從波在管道中傳播時(shí)的頻散曲線[3]可以看出：L(0，2)模態(tài)在40～100kHz的頻率范圍內(nèi)是一種速度最快、幾乎沒有頻散的模態(tài)．基于這種模態(tài)的特性，我們希望能夠用所研制的探頭激勵(lì)出這種模態(tài)，并且盡可能地抑制其它模態(tài)．由于壓電陶瓷具有方便、價(jià)廉、靈敏度高、頻率響應(yīng)快、技術(shù)完善等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇探頭的材料為壓電陶瓷．實(shí)驗(yàn)表明L2]：長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷能夠有效地激勵(lì)和接收L(0，2)模態(tài)波，并且由于其自身的特性，可以制作成長(zhǎng)條狀，很方便地固定在管

7、道表面．其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示．由于PZT_5壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)、彈性常數(shù)以及壓電常數(shù)等都比較高，并且具有較好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性．因此選用PZT-5系列壓電陶瓷，其各種參數(shù)如表1所示．在壓電陶瓷上下表面鍍以銀電極，為了引線方便，把底面的電極延伸到上表面．長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷的伸縮模式如圖2所示．在壓電陶瓷的上下表面加上電壓，壓電陶瓷就會(huì)產(chǎn)生如圖2所示的變形；反之，當(dāng)壓電陶瓷受F方向的力作用時(shí)，就會(huì)在上下表面產(chǎn)生電荷．圖1長(zhǎng)度伸縮型壓電元件示意圖圖2電場(chǎng)垂直于長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度伸縮模式表1PZT-5系列壓電陶瓷的參數(shù)2．2背襯材料的選

8、擇當(dāng)電脈沖激勵(lì)壓電元件時(shí)，它不但向前方輻射聲能，而且還向后方輻射．在超聲檢測(cè)和超維普資訊http://www.cqvip.com502實(shí)驗(yàn)力學(xué)(2003年)第18卷聲診斷領(lǐng)域中，來(lái)自前方的回波信號(hào)是有用的，但是從后面來(lái)的干擾雜波是要消除的，應(yīng)該將背襯塊做成像無(wú)限