管道导波检测中传感器数量和频率特性研究.pdf

《管道导波检测中传感器数量和频率特性研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管道导波检测中传感器数量和频率特性研究.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第 3 0 卷第4 期 2 0 0 4 年1 2 月 北京工业大学学报 J oURNAL oF BEI J I NG UN ERS 兀Y oF TE CHNoLoGY V 0 l l 3 0 No 4 De c 2 0 0 4 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，郑王 景 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l 0 0 0 2 2 ) 摘要：为了有效地检测管道缺陷， 使 用 P Z T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 频率 范 围 内管 道

2、 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 道检 测 与无 缺 陷管 道 检测 的 最佳 实验 频 率 一致 ， 可 以考 虑 以无缺 陷 管 道 的最 佳 实验频 率 作为 频率 选择 的参 考 关 键词 ：管 道 ；导 波； 传感 器； 反射 回波 ；激 励频率 中图分类号：TB 5 5 l 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 4 0 0 3 7 ( 2 0 0 4 ) 0 4 0 3 9

3、 3 0 5 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 模态进行检测就 变得十分重要 J B a r s h i n g e r 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 回波幅值 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

4、 D N Al l e y n e 等人 利用 P Z T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 7 0 k H z ， 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 通过一组实验 ， 分析 了 P Z T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 管道 中的导波 在 空 心 圆柱 管 中沿 轴 向传 播 的超 声 波存 在 3种 不 同 的模 态 ， 即

5、纵 向、 扭转 和弯 曲模 态 本 实验均采用轴 对称 P Z T传感器 作 为激 励和接收传感器 ， 产生轴 对称 纵向导波， 抑 制弯曲模 态， 不 产 生扭 转模态 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 l即为圆管 的群速度 C 的频散 曲线 其 中： 外 径 D= l 0 8 mm， 壁 厚 d=4 5 mm， 纵 波 速 度c = 5 9 6 k m S _ 。 ， 横波 速度C = 3 2 6 k m S _ 。 由图 l 可以看 出： 在 ( 7 0 3 6 0 )k Hz范围内， 只有 2个纵 向轴对称模态 ， 即： L ( 0 ， 1 )

6、模态 和 L( 0 ， 2 ) 模 态 对于 L ( 0 ， 2 )模 态， 频散相对较低 ， 并且 最大 6 5 4 3 2 1 0 t k Hz 图 l 圆管 的群速 度频散 曲线 H g 1 Gr o u p v e l o c i t y d i s p e r s i o n c ur v e s of pi pe 而 L( 0 ， 1 ) 模态 的 c 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 日期：2 0 0 3 0 9 0 8 基 金项 目：国家 自然科 学基 金资助 项 目( 1 0 3 7

7、2 0 0 9 ， 1 0 2 7 2 0 0 7 ) ； 北京 市 自然 科学基 金 资助项 目 ( 3 0 1 1 0 0 1 ) ； 北 京市教 委科 技 发展计 划项 目( 9 9 0 1 0 3 0 3 ) 作者简介：何存富 ( 1 9 5 8 一) ， 男， 山西大同人， 教授， 博士生导师 维普资讯 http:/ 3 9 4 北京工业大学学报 2 0 0 4 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 ( o ， 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

8、迅速衰减 L( o ， 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( o ， 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 实验研 究 实验利 用 P Z T传感器 ( 即压 电陶瓷片) 在一定 的频率范 围内激励 和接收导波 ， 分析端部或缺 陷回波的 幅值 变化情况 ， 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

9、实验进 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 1 次端面反射 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 ( H P 3 3 1 2 0 ) 、 功 率 放 大器 ( U l t r a 2 0 2 0 ) 、 前 置 放 大器 、 数 字示 波器 ( T DS 3 0 3 4 ) 和 一组 P Z T传感 器组成 在 使用传感器激 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

10、进行功率放大 ； 通 过转换开 关激 励探头 ， 在试件 中产 生超声 导波； 激 励 出的信号 在管道 中传播 ， 经过 转换 开 关返 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 测试的 2根管道长度、 外径和壁厚分别为 4 、 1 0 8 、 4 5 mm 一 根无缺 陷， 一根带有人工缺陷 缺 陷位于管道中部 ， 为沿周 向 1 8圆弧长， 约 l i n i r l 宽的通槽 2 2 传感器 的选择 T e k 3 0 3 4 l 数 字 记 忆 示 波 器n f 前 置 H P 3 3 1 2 0 A H

11、U l w a 2 0 2 0 大 器 任 意波 形发 生器 I l 功率 放大 器 I = = 1 J l 管 道 l l _ 。_ 一 - 图2 实验 装置示 意 图 P i g 2 Ex p e rime n t a l s e t u p 实验采 用的传感 器 ， 为外购 的锆钛 酸铅 压 电陶瓷 片 ( 即 P Z T传感器 ) 振动模式 为长度伸 缩型 每个 压 电陶瓷 片尺寸为 1 2 5 mm3 2 r n l T l 0 5 r n l T 1 其 主要性 能指标见 表 1 其 中： 为耦合系 数； l 、 K 为 机电耦 合系数 ； s T， ， s 。 为相对介 电常数；

12、 d d 3 。 为压电常数 ； p为密度； 为居里温度 ； O 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 Ta b 1 M a i n pe r f or m anc e s of pi e z oe l e c t ri c c e r am i c 在 自由状 态下， 该压 电陶瓷 片在长度方 向的谐振 频率 为 ： 厂 = 6N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 ， 因此 6会有所变化 通过测量 ， 6大致为 8 5 1 T U T I 则 厂 = 2 k Hz m 8 5 mm = 2 3

13、6 k Hz 利 用 Ag i l e n t 公 司4 2 9 4 A型阻抗分析仪进行抽样测 试， 吕 吕 l n 图3 压 电陶瓷 长度方 向截 面尺寸 Pig 3 S e c ti o n d i me n s i o n s o f p i e z o e l e c t ric c e r a m i c i n l o n g d i r e c t i o n 压 电陶 瓷 片的厂 变化 范 围 大致 在 ( 2 2 0 2 4 5 )k Hz， 与理 论 结 果相 吻合 图 4为 其 中一 片压 电 陶瓷 厂 为 ( 6 0 3 3 0 )k H z的电导图 从 图中可 以直观

14、地看 出 2 4 1 k Hz为长度方 向上的谐振频率 维普资讯 http:/ 兰 塑 塑 堡重 篁： 笪堕量 茎 竺 堡壁 堡壑 量 皇 堑 丝笪窒 在本 次实验 中， 在无缺 陷和有 缺 陷管 道 的一端分别贴 有 4 8片和 2 4片的压 电陶瓷 片， 沿 周 向均 匀分 布 图 5为 4 8片压电陶瓷片在无缺 陷管道上 的实 际布置 图 f k H z 图4压 电陶瓷 电 导图 F i g 4 Co n d u c t a n c e o f p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c 2 3 激励信 号的选 取 冈5 压 电陶瓷环 实 际布 置 图

15、 R g 5 P i e z o e l e c t r i c c e r a m i c r i n g c l a m p e d t o p i p e 为使被 激励 的信 号在传播 过程 中频散现象 尽可能 降低 ， 在实验 中选取经汉 宁窗调制 的正 弦信号作为 激 励 信 号 ， 其 震 荡 次 数 为 l 0个 周 期， 经 功 率 放 大 器 放大 后 ， 峰 峰 值 可 达 l 5 0 v 图 6即 为 该 信 号 在 7 0 k H z时的时域 波形和频域 图 tI t s ( a )时域 波形 2 4实验 结果及分析 0 4 ， 芝0 2 0 0 l 0 0 20 0

16、3 00 4 00 5 00 f k H z ( b )频域 图 图6 7 0 k H z 激 励信 号图 F i g 6 S k e t c h o f e x c i t e d s i g n a l a t 7 0 k Hz 从 前面分析可知 ， 在 ( 7 0 3 6 0 )k H z频率范 围内， L ( 0 ， 2 ) 为群速度最快的纵 向导波 从示波器可 获得 端 面或缺 陷处的第 1 次 反射 回波 电压峰 峰值， 这一 回波 为 L( 0 ， 2 ) 模 态 的反 射 回波 对于不 同频率 ， 传感 器 的激励 电压峰峰值相 应发生变化 为 了对不 同频率下反射 回波 幅值

17、进 行对 比， 作者采用 反射 回波 的电 压峰 峰值 除 以激励信号 的电压峰峰值 ， 得 到回波 的量纲一 的幅值 ， 并 以此幅值作为参考量 后 面所指 的幅 值均指 此值 频率 的改 变以 l 0 k H z为单位 2 4 1无缺 陷管 道 中的导波实验 利用压 电陶瓷环在 4 I T I 无缺陷 的管道 中进行 导波 传播情 况实验， 即采 用 4 8 、 2 4 、 l 2片激励并 接收 导波 信 号 这 3组实验均 为轴 对称 激励和接收 图 7 ( a ) 、 ( b ) 分别 显示 了 2 4片激励接 收时 2个 频率下的幅值经量纲 一化 后的波形 图 从 图 7 ( a )

18、 可 以 看 出， 在 l 9 0 k H z下 ， 端 面反射 回波 幅值较大且清 晰， 信噪 比高 而在 3 6 0 k H z时 ( 图 7 ( b ) ) ， 端 面反射 回波 幅值小 ， 且杂 波较多， 信 噪 比低， 根本无 法进行管道检测 图 8分别为 3种情况下 频率范 围为 ( 7 0 3 6 0) k H z 端 面反 射 回波 的幅值变化 图 由图 8可以看出： 1 )在使用 个数不 同的压 电陶瓷片激励 接收信号 时， 端面反射 回波 的幅值 变化趋势大 致相 同 从 7 0 k H z开始 幅值 逐渐增加 ， 在 ( 1 8 0 2 2 0 )k H z范围 内出现幅

19、值最高 的 L ( 0 ， 2 ) 模态 的端 面反射回波 并且在 2 3 0 k Hz附近 出现小 幅回落， 随后有 所提高， 到 2 6 0 k H z后 ， 幅值逐渐下降 说 明压 电陶瓷片个数的变化不 会改变端面反射 回波 的幅值 变化趋势 ， 回波幅值的变化 只与压 电陶瓷片的固有特性和 导波特性有 关 2 )在整 个频率范 围内， 从幅值 的量值来看 ， 随压 电陶瓷片的成倍 减少， 其大小 也相应成倍减少 压 电 陶瓷片 的个 数与回波 幅值 的大小呈线性 对应 关系， 说 明随着压 电陶瓷片的增加 ， 不仅可 以有效 抑制弯 曲模 维普资讯 http:/ 3 9 6 北京工业大

20、学学报 2 0 0 4 芷 态， 而且 可以增加激励信号 的能量 3 )在谐振频率范 围内， 压 电陶瓷激励接 收导波的效果最好 如前所述 ， 自由状态时 ， 压电陶瓷片长度 方 向的谐振频率在 ( 2 2 0 2 4 5 )k H z由于 粘贴 在管道上 ， 导致 参振质量 的增 大， 故 ， 相应有所 降低 因 此可 以理解 ， 在 3种情 况下 ， 端 面反 射 回波 幅值 均在 ( 1 8 0 2 2 0 )k H z出现最大值 是压 电陶瓷工作 在谐振 频率范 围内的结果 在工作频率远 离谐振频率 范围时， 回波 幅值 逐渐降低， 压电陶瓷的工作效率也相应降 低 ( 见 图 7 )

21、端 面 反射 回波 r - 端面 反射 回波 L 0_ 3 5 ， 、kHz 图8 无缺 陷管 道 ， 端 面回波 幅值 变化 图 F i g 8 Va ri a ti o n o f e n d mfl e c ti o n wa v e f o r m a m p l i t u d e wi t h f r e q u e n c y i n the p i p e wi tho u t d e f e c t 2 4 2有缺 陷管道 中的导波实验 利 用压 电陶瓷环在 4 m 有缺 陷的管道中进行 了 2组 导波激 励接收实验 ， 分别采 用2 4片激励接 收和 1 2 片激励接 收，

22、 其他条件 与前 组实验相同 图 9为 2种情 况下的缺陷 回波 幅值变化 图 从 图中可以看 出： 1 )从 7 0 k H z开始 回波 幅值逐渐 降低， 在 1 0 0 k H z出现极小值 ， 随后逐 渐上升； 在 ( 1 8 0 2 2 0 )k H z之 间出现最 大值， 之后幅值逐 渐下 降 整 个变化趋势 与无缺 陷管 道的端 面回波变化趋势相 似 这说 明可以 通过无缺 陷管道端 面反射 回波 的变化趋 势来 选择合适 的频率激励 传感 器， 使得 接收到 的缺陷反射 回波 的 幅值效果最好 这 在实际检测 中具有 十分重要 的意义 2 )在 ( 1 8 0 2 2 0 )k

23、 H z， 1 2片激励接 收的缺陷 回波幅值大致相 当于 2 4片的一半 然而随着远离此 区 域 ， 2种情 况下 的缺陷 回波 幅值逐 渐靠近 ， 差值 减小 这说 明激励 接收频率 在远离 谐振频率 范围时， 增加 压 电陶瓷 的个数并不能有效地提高 缺陷 回波 的幅值 ， 改变导波检 测的效果 图 1 0 ( a ) 、( b ) 分别 为2 4片压 电陶瓷在 1 9 0 、 3 6 0 k H z激励接 收时的幅值经量纲一化后 的波 形 图从 图 中可 以看 出， 在 1 9 0 k H z时， 缺陷反射 回波和端 面反射 回波 均较强， 具 有较好 的信噪 比； 而 在 3 6 0

24、 k H z ， 杂波 较多 ， 信噪 比低 007 50 1 5 0 25 0 35 0 f k H z 图9 有 缺 陷管道 ， 缺 陷 回波幅值 变 化 图 开g 9 Va fi a ti o n o f d e f e c t mfle c ti o n wa v e f o r m amp l i t u d e wi t h f r e q u e n c y i n the p i p e wi th d e f e c t 一 0 0 端 面反射 回波 I 【 。 缺 陷 射回 波 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 t m s ( a )1 9 0 k H z ( b

25、 )3 6 0 k H z 图 1 0 有 缺 陷管道 ， 压 电陶 瓷环激 励接 收波形 图 Fi g 1 0 W a v e f o r m s r e c e i v e d b y p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c r i n g i n the p i p e wi th d e f e c t 维普资讯 http:/ 第4 期 何存富等：管道导波检测 中传感器数量和频率特性研究 3 9 7 3 结束语 实验 分析 了压 电陶瓷片在 不 同频率下 导波 反射 回波 的幅值变化情 况， 说 明在导波检测 中激励接 收频 率的选取 与压电陶 瓷

26、片的频率 特性有 关 同时通过 2组实 验， 揭示 了可 以通过 无缺 陷管 道端面 回波 幅值 大小的变化作参照 ， 选取最佳 频率 对具 有相 同截面尺 寸的带缺 陷的管道 进行 检测 实验 的对象是 单层管道 ， 而 对于有粘弹性外 包层 的管 道， 由于在相 同的频 率范围 内， 增加 了许 多单层 管道所 没有的模态 ， 同时需 要考虑 导波模态 在粘 弹性层 的衰 减， 使得 导波检测 显得更加复 杂， 因此 传感 器 和激励导波频率 的选择显得更加重要 奉 实验 为今后在有粘弹性 外包层 的管道缺 陷检测中选择传感器与 工作频率 打下 了一定的基础 参考 文献 ： 1 B AR

27、S HI N GE R J ， R OS E J L ， A VI OL I M J Gu i d e d wa 、 e r e s o n a n c e t u n i n g f o r p i p e i n s p e c t i o n J J o u r n a l o f P r e s s u r e Ve s s e l Te c h n o l o g y， 2 0 0 2( 8) ： 3 0 3 3 1 0 2 AL L E YNE D N， C AWL E Y P T h e e x c i t i o n o f L a mb wa v e s i n p i pe

28、s u s i n g d r y c o u p l e d p i e z o e l e c t ri c t r a n s d u c e r s J J o u rna l o f N o n d e s t r u c t i v e E v a l u a t i o n ， 1 9 9 6 ， 1 5 ( 1 ) ：1 1 2 0 【 3 R OS E J LU l t r a s o n i c Wa x ， e s i n S o l i d Me d i a M C a mb ri d g e ：C a mb ri d g e U n i v e r s i t y P

29、 r e s s ， 1 9 9 9 4 王 秀彦 ，王 智 ，焦敬 品 ，等 超声 导波 在管 中传播 的理 论分 析 试验 研究 J 机 械工 程学 报 ，2 0 0 4 ，4 0( 1 ) ： 1 1 1 6 W ANG Xi u y a n，W A NG Z hi ，J I AO J i n g pi n ，e t a 1 Th e o r e t i c a l a n d e x pe ri me n t a l s t u di e s o f u l t r a s o n i c g u i d e d wa v e s p r o p a g a t i o n i n p

30、 i pes J Ch i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 4 ，4 0 ( 1 ) ：1 1 1 6 ( i n Ch i n e s e ) 5 李造 鼎 ，李 锡润 ，奥 和济 故 障诊 断 的声学 方法 M 北 京 ：冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 98 0 8 1 L I Z a o d i n g ， L I Xi n I n ， YU H e - j i Ac o u s t i c Me t h o d o f F a u l t Di a g n o s i s

31、M B e i j i n g ：Me t a l l u ri g i c a l I n d u s t ry P r e s s ， 1 9 8 9 8 0 81 ( i n Ch i n e s e ) St udy o n t he Num be r a nd t he Fr e que nc y Cha r a c t e r i s t i c o f Tr ans duc e r s i n Pi pe I ns pe c t i on Us i ng Gui de d W a ve s HE Cu n f u， LI U Ze ng h ua， ZHENG J i ng y

32、u， W U Bi n， W ANG Xi u y a n (Co l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e rin g a n d Ap p l i e d E l e c t r o n i c s Te c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e rsi l y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： I n or de r t o de t e c t d e f e ct

33、s i n pi p e s ef f e c t i ve l y， b y us i ng PZT t r a ns d uc e r s ， whi c h a re a t tac he d a x i s s y m me t ric a l l y a r ou nd t he pi pe ，t o g e n e r a t e a nd r e c e i ve ul t r a s oni c gu i de d w a ve s ，t he r e l a t i o n s hip b e t we e n t h e e c h o pea k - t o - pea

34、k a mp l i t u d e o f e c h o e s o f t h e p i pe e n d a n d d e f e c t a n d t h e e x c i ting f r e qu en c y w a s s tu d i e d The i nf l ue n c e of t h e t r an s du c e r S nu m be r t o t h e s i g na l Was r e s e a r c h e d a n d t h e be s t r a n ge of f r e q ue n c y wh i c h wa

35、s us e d t o g e ne r a m u l t r as on i c gu i de d wa v e s Was de t e r mi n e d Ex pe rimen ts de mons t r a t e t h a t ，t h e a m p l i tu d e re s p ons e i s e f f e c t e d by t he i n t rin s i c c ha r a c t er i s t i c o f t r a ns du c e rsTh e e x pe rime n t a l r e s u l ts s ho w

36、th a t ma ny c h oi c e s of t r a n s du c e r nu m be r a nd e x c i tin g f r e qu e nc y c a n be m a d e t o pr od uc e a g oo d re s u l t a n d be ke pt f or t he re f e renc e o f the pi pe de f e c t i n s pe c tion wi t h g ui d e d wa ve s Ke y wor ds ： pi pe ； gu i de d wa v e s ； t r a ns du c e rs； e c ho e s ； e x c i ting f r e q ue n c y 维普资讯 http:/