基于PZT傳感器的管道扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵(lì)效果研究

毛亞東1,張偉1,2,嚴(yán)有琪1

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 鎮(zhèn)江分院,江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要導(dǎo)波激勵(lì)模態(tài)單一性與衰減特性是導(dǎo)波激勵(lì)效果的重要指標(biāo)。采用PZT傳感器,在建立基于PZT-5材料傳感器并置于管道一端均勻?qū)ΨQ分布的導(dǎo)波激勵(lì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,以模態(tài)單一性與降低衰減特性為目標(biāo),研究了在低頻段內(nèi)模態(tài)特性以及傳感器對(duì)T(0,1)模態(tài)的影響,得出了激勵(lì)T(0,1)模態(tài)的最優(yōu)激勵(lì)方案。

關(guān)鍵詞超聲導(dǎo)波;PZT傳感器;管道檢測(cè);扭轉(zhuǎn)模態(tài)

收稿日期:2014-12-12

基金項(xiàng)目:江蘇省科技基金資助項(xiàng)目(KJ(Y)2012049)

作者簡(jiǎn)介:毛亞東(1965—),男,高級(jí)工程師。研究方向:特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。E-mail:65688289@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.07.048

中圖分類號(hào)TP277

Research on Excitation of Torsional Mode in Pipes Based on the Piezoelectric Sensor

MAO Yadong1,ZHANG Wei1,2,YAN Youqi1

(1.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province,Zhenjiang 212013,China;

2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractModal unity and attenuation characteristics are important indicators of the incentive effects of guided wave.A guided-wave excitation system is established in which the PZT-5 wafers are symmetrical distributed at one end of the pipeline.In order to reduce the modal unity and attenuation characteristics,experiments have been conducted to study the effect of PZT wafer and modal characteristics on the T(0,1) mode.The optimal scheme to excitation of T(0,1) mode is obtained.

Keywordsultrasonic guided wave;PZT wafer;pipeline inspection;torsional mode

管道運(yùn)輸作為一種安全、經(jīng)濟(jì)、便捷、對(duì)環(huán)境影響小的運(yùn)輸方式,在石油、天然氣和化工等能源、材料運(yùn)輸中得以廣泛應(yīng)用,特別是在工業(yè)承壓管道的應(yīng)用中。頻率范圍在20~200 kHz的低頻超聲導(dǎo)波被廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道無(wú)損檢測(cè)中,特別是對(duì)于管道的缺陷檢測(cè)[1]。傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法只能檢測(cè)探頭的周邊區(qū)域,而采用逐點(diǎn)檢測(cè)會(huì)消耗大量的時(shí)間[2-3]。由于超聲導(dǎo)波在低頻段具有低衰減率,故可應(yīng)用于長(zhǎng)距離的管道缺陷檢測(cè),節(jié)省了大量時(shí)間和工作量。

在管道中有3種基本的導(dǎo)波模態(tài):縱向模態(tài),扭轉(zhuǎn)模態(tài)與彎曲模態(tài),其中縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)由于其對(duì)稱性成為常用的檢測(cè)模態(tài)[4]。在使用壓電直探頭激勵(lì)管道的扭轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí),其激勵(lì)出的扭轉(zhuǎn)模態(tài)并不是單一模態(tài),且不同模態(tài)在同一頻率下的波速也不同,這樣會(huì)對(duì)缺陷的判別產(chǎn)生影響。

在導(dǎo)波傳播特性的理論研究方面,D.C.Gazis利用彈性理論推導(dǎo)出超聲導(dǎo)波在無(wú)限長(zhǎng)、各向同性的空心圓柱殼中的彈性解和縱向模態(tài)導(dǎo)波、扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波在空心圓柱殼中傳播的理論表達(dá)式,并畫出了含有多種導(dǎo)波模態(tài)的頻散曲線[5-6]。N.Armenakas等討論了圓柱殼中導(dǎo)波傳播理論,指出導(dǎo)波在管狀波導(dǎo)中傳播時(shí)存在多種模態(tài),同時(shí)給出了可能出現(xiàn)的模態(tài)。LJ.Ditri等指出了導(dǎo)波的靈敏性和穿透力較大程度依賴于導(dǎo)波模態(tài)出現(xiàn)的數(shù)量和頻率。北京工業(yè)大學(xué)何存富等人使用15 mm的傳感器通過改變激勵(lì)頻率、傳感器的粘貼個(gè)數(shù)等參數(shù),研究了縱向模態(tài)導(dǎo)波的特性[7],并制造了專門的傳感器[8]。本文研究了在低頻段內(nèi)導(dǎo)波特性以及傳感器對(duì)T(0,1)模態(tài)的影響,得出了適合激勵(lì)T(0,1)模態(tài)的最優(yōu)激勵(lì)方案,為以后導(dǎo)波的管道檢測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,包括任意函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、前置放大器、數(shù)字示波器,實(shí)驗(yàn)管道為長(zhǎng)3 m,外徑76 mm,壁厚4.5 mm的20鋼鋼管,管道的兩端自由無(wú)約束。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)采用10個(gè)周期的漢寧窗調(diào)制的激勵(lì)信號(hào),并通過額定功率25 W增益44 dB的功率放大器放大能量后傳入激勵(lì)環(huán)。由于實(shí)驗(yàn)中的傳感器接收到的信號(hào)比較微弱,所以需要使用前置放大器將PZT傳感器接收到的微弱的信號(hào)放大。信號(hào)采集所用數(shù)字示波器最大采樣點(diǎn)數(shù)為1 GSa/s,8位垂直分辨率,實(shí)時(shí)帶寬50 Mbit·s-1,可清楚地顯示實(shí)驗(yàn)所接收到的超聲導(dǎo)波回波信號(hào)并保證不失真。激勵(lì)管道中T(0,1)模態(tài),采用均勻布置12個(gè)尺寸為25 mm×4 mm×1 mm的PZT傳感器的方式進(jìn)行,需要使直探頭的主振動(dòng)方向與管道切向方向振動(dòng)位移方式保持一致,為了保證扭轉(zhuǎn)模態(tài)的對(duì)稱性,還必需使直探頭環(huán)形陣列排列。

2扭轉(zhuǎn)模態(tài)管道導(dǎo)波的激勵(lì)與采集

由于T(0,1)以上的高階模態(tài)截止頻率較高,在200 kHz內(nèi),不會(huì)出現(xiàn)高階模態(tài)。當(dāng)PZT傳感器并聯(lián)激勵(lì),并聯(lián)接收時(shí),接收到的回波信號(hào)如圖2所示,T(0,1)模態(tài)的導(dǎo)波占主導(dǎo)地位,但也存在彎曲模態(tài)的影響,信號(hào)的信噪比較高。

圖2　并聯(lián)接收信號(hào)

當(dāng)PZT傳感器并聯(lián)激勵(lì),單個(gè)接收時(shí),如圖3所示。T(0,1)模態(tài)的導(dǎo)波占主導(dǎo)地位,但存在較強(qiáng)的彎曲模態(tài)散射波的影響,但隨著激勵(lì)頻率的增大,彎曲模態(tài)的影響變小。

圖3　單個(gè)接收信號(hào)

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1頻散特性對(duì)T(0,1)模態(tài)的影響

如圖4所示為試驗(yàn)管道的群速度曲線,其中在0~140 kHz的頻率范圍內(nèi)試驗(yàn)可能存在的模態(tài)。當(dāng)激勵(lì)頻率在0~140 kHz時(shí),扭轉(zhuǎn)模態(tài)里只存在T(0,1)與F(1,2)模態(tài)導(dǎo)波。所以實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)的導(dǎo)波以T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波為主,但也同時(shí)會(huì)伴隨著附帶模態(tài)的影響F(1,2)附帶模態(tài)的存在使得T(0,1)模態(tài)能量減小,檢測(cè)距離縮短,通過調(diào)整檢測(cè)頻率減少附帶模態(tài)的影響。

圖4　實(shí)驗(yàn)中T(0,1)和F(1.2)模態(tài)的群速度

3.2衰減特性對(duì)T(0,1)模態(tài)的影響

研究T(0,1)模態(tài)的衰減對(duì)于檢測(cè)中使用T(0,1)非常重要,其對(duì)導(dǎo)波管道檢測(cè)的檢測(cè)頻率的選擇提供了重要的依據(jù)?？筛鶕?jù)T(0,1)的衰減情況,適當(dāng)?shù)倪x擇激勵(lì)頻率。

從圖5中可看出,在30~100 kHz率變化范圍內(nèi),隨著頻率的提高,T(0,1)模態(tài)的衰減系數(shù)存在增大趨勢(shì);頻率在35 kHz時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)峰值,在頻率為70 kHz后,衰減系數(shù)又隨著頻率的增大衰減系數(shù)增大,這可能是由于激勵(lì)頻率約在35 kHz時(shí),管道內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的彎曲模態(tài),而附帶模態(tài)的出現(xiàn)減弱了T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波傳播的能量,從而導(dǎo)致了T(0,1)模態(tài)衰減系數(shù)在此頻段內(nèi)較大。激勵(lì)頻率在70 kHz以上時(shí),衰減系數(shù)便隨著頻率的增大而增大。

圖5　T(0,1)模態(tài)的衰減系數(shù)曲線

3.3PZT傳感器對(duì)T(0,1)模態(tài)的影響

在超聲導(dǎo)波傳感器的特性方面,激勵(lì)T(0,1)模態(tài)時(shí),應(yīng)保證每個(gè)耦合在管道周向上傳感器的諧振頻率一致,其測(cè)試效果應(yīng)以傳感器耦合在管道上的測(cè)試效果為準(zhǔn)。同樣周向布置傳感器的個(gè)數(shù)需要高于該頻率段最高模態(tài)階數(shù),以保證激勵(lì)出附帶的彎曲模態(tài)的影響最小。

由于只要傳感器的個(gè)數(shù)與布置合理,從原理上不會(huì)激勵(lì)出其他扭轉(zhuǎn)模態(tài)的導(dǎo)波,所以傳感器長(zhǎng)短的設(shè)計(jì)無(wú)需考慮其他扭轉(zhuǎn)附帶模態(tài)的影響,但是考慮到傳感器中壓電片的越大,其超聲波的輻射能量就越大,所以對(duì)于檢測(cè)管徑較大、壁厚大的管道,選用25 mm的陶瓷片效果較好,同時(shí)由于PZT傳感器的長(zhǎng)度較長(zhǎng),以至于其諧振頻率較低,衰減較小。然而,若利用T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)管徑較小,則需選用長(zhǎng)度較短的PZT傳感器,以防止PZT傳感器之間的尺寸干涉。激勵(lì)頻率最好選取在50 kHz以上,在此頻段內(nèi)T(0,1)模態(tài)的衰減較小,附帶彎曲模態(tài)的影響也較小,能夠滿足長(zhǎng)直管道的檢測(cè)需要。

4結(jié)束語(yǔ)

通過在管道中激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1),發(fā)現(xiàn)在低頻段內(nèi)扭轉(zhuǎn)模態(tài)中只存在T(0,1)模態(tài),并通過分析T(0,1)模態(tài)特性以及傳感器對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)檢測(cè)管道的影響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):(1)在管道中激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模頻散現(xiàn)象必然存在,但通過選擇適當(dāng)?shù)募?lì)頻率可減小影響。(2)導(dǎo)波的衰減特性是選擇檢測(cè)頻率的重要因素,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)50~75 kHz時(shí)激勵(lì)效果較好。(3)傳感器的布置以及長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)效果也有重要影響,在保證激勵(lì)能量足夠大的同時(shí)要使傳感器盡量對(duì)稱布置。

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