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  實驗名稱：基于超(chao)聲導(dao)波(bo)技術的(de)充液管道損傷檢測實驗研究

  研(yan)究方向(xiang)：無損檢測

  測試(shi)目的：

  超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)是(shi)一種高(gao)頻應(ying)力波(bo)(bo)，正(zheng)是(shi)由于激發的(de)頻率較高(gao)，其能力衰減較快，傳(chuan)播距離有限。故(gu)在管(guan)道(dao)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)中(zhong)，超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)技術需(xu)要(yao)逐點(dian)掃描管(guan)道(dao)的(de)每個斷面，若檢(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)管(guan)道(dao)較長,則利(li)用超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)技術時需(xu)要(yao)的(de)時間較長。

  超聲導波(bo)是顯著區別于超聲波(bo)的(de)一種(zhong)檢測(ce)方(fang)法(fa)，它激發(fa)的(de)是低(di)頻導波(bo)，這樣導波(bo)可以(yi)在(zai)管(guan)(guan)道中(zhong)傳(chuan)播較長的(de)距離(li)。其次，超聲導波(bo)比(bi)超聲波(bo)具有很強的(de)定(ding)向性。由于超聲導波(bo)能夠(gou)有效的(de)在(zai)管(guan)(guan)道表(biao)面(mian)激發(fa)，導波(bo)可在(zai)管(guan)(guan)道整個截面(mian)內分布并沿(yan)著管(guan)(guan)道縱(zong)向高速傳(chuan)播，因此該方(fang)法(fa)不僅能檢測(ce)管(guan)(guan)道斷裂等(deng)管(guan)(guan)道截面(mian)嚴重(zhong)損(sun)傷，同時可以(yi)檢測(ce)出管(guan)(guan)道表(biao)面(mian)及(ji)內部早期不可見的(de)線狀微小裂紋。

  測試設備：信號發生(sheng)器、、傳(chuan)感器、數字示波器以及(ji)計算機等。

  實驗(yan)過程：

  首先(xian)通過(guo)(guo)(guo)計算機編程生成(cheng)信(xin)(xin)號(hao)數據(ju)，通過(guo)(guo)(guo)USB接口發送到信(xin)(xin)號(hao)發生器(qi)，生成(cheng)實(shi)驗(yan)所需(xu)的(de)原始(shi)激(ji)勵(li)信(xin)(xin)號(hao)。信(xin)(xin)號(hao)發生器(qi)通過(guo)(guo)(guo)ch1將(jiang)原始(shi)激(ji)勵(li)信(xin)(xin)號(hao)輸(shu)入數字(zi)示(shi)波器(qi)，又通過(guo)(guo)(guo)ch2將(jiang)激(ji)勵(li)信(xin)(xin)號(hao)經過(guo)(guo)(guo)功率放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)后，驅動與(yu)功率放(fang)大(da)器(qi)連接的(de)壓電(dian)陶瓷環(huan)，使之產生相應(ying)頻率的(de)振動，在(zai)管道中激(ji)勵(li)出超聲導(dao)波并在(zai)管道中傳播。最(zui)后經壓電(dian)陶瓷應(ying)變片接收后輸(shu)入數字(zi)示(shi)波器(qi)形成(cheng)端(duan)面回(hui)波波形。

  超聲導波的(de)管道檢測實驗(yan)設(she)備主要有信(xin)號(hao)發(fa)生器、功(gong)率放大器、傳感(gan)器、數(shu)字示波器以及計算機組成。實驗(yan)對象(xiang)為一根(gen)4米(mi)長的(de)鋼(gang)管，鋼(gang)管外徑為88毫(hao)米(mi)，壁厚為4mm。

圖(tu)：實(shi)驗裝置圖(tu)

  目(mu)前，管道(dao)超(chao)聲導波(bo)檢測中所使(shi)用(yong)的傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)主(zhu)要有壓電傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)(PZT)、電磁聲傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)(EMAT)、脈沖激光式(shi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)和磁致伸(shen)縮式(shi)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)(MsS)等(deng)。由于壓電傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)技術較為(wei)成熟、操(cao)作(zuo)簡便且(qie)滿足本(ben)實驗的要求等(deng)優點(dian)，本(ben)實驗中采用(yong)PZT5材料的壓電陶瓷(ci)作(zuo)為(wei)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷具有在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)能與(yu)機(ji)械能之間的轉(zhuan)換和逆轉(zhuan)換的功(gong)能。如果要激(ji)勵(li)高頻率的超聲波(bo)(bo)，則只要產(chan)生(sheng)高頻電(dian)(dian)(dian)信(xin)號加在(zai)(zai)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷上(shang)，由(you)逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷會產(chan)生(sheng)高頻的機(ji)械振動(dong)，即超聲波(bo)(bo)。而由(you)于正(zheng)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應的存(cun)在(zai)(zai)，缺陷的回(hui)波(bo)(bo)以及端面的回(hui)波(bo)(bo)就會被轉(zhuan)換成電(dian)(dian)(dian)信(xin)號而在(zai)(zai)數字(zi)示波(bo)(bo)器(qi)上(shang)顯(xian)示。

  本(ben)實(shi)驗所使用的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)有兩種一(yi)一(yi)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)環和壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)環是按照管(guan)(guan)道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)截(jie)面尺寸加(jia)工的(de)(de)(de)(de)，其外徑為(wei)(wei)88毫(hao)米，壁(bi)厚為(wei)(wei)4毫(hao)米。為(wei)(wei)了(le)激發出較好的(de)(de)(de)(de)軸對稱導(dao)波(bo)，激發傳(chuan)(chuan)感器(qi)選用一(yi)個緊貼管(guan)(guan)道(dao)(dao)端部的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)環，如(ru)圖3-2-2所示。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)環的(de)(de)(de)(de)振動(dong)方向(xiang)在(zai)厚度(du)方向(xiang)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)片(pian)(pian)選用的(de)(de)(de)(de)是長度(du)伸縮型(xing)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)，尺寸為(wei)(wei)15mmx2.5mmx0.8mm。實(shi)驗的(de)(de)(de)(de)接(jie)收傳(chuan)(chuan)感器(qi)采用離壓(ya)電(dian)(dian)(dian)環10mm處(chu)的(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)道(dao)(dao)外壁(bi)沿周向(xiang)均布16個相同(tong)規格的(de)(de)(de)(de)PTZ壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)如(ru)圖3-2-2所示。沿管(guan)(guan)道(dao)(dao)長度(du)方向(xiang)，每隔(ge)25cm處(chu)，在(zai)管(guan)(guan)道(dao)(dao)外壁(bi)沿周向(xiang)均布6個同(tong)樣(yang)規格的(de)(de)(de)(de)PTZ5壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)。此壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)為(wei)(wei)跟蹤記錄(lu)其所在(zai)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置的(de)(de)(de)(de)超(chao)聲導(dao)波(bo)在(zai)充(chong)粘(zhan)性(xing)(xing)液體(ti)管(guan)(guan)道(dao)(dao)中(zhong)(zhong)傳(chuan)(chuan)播的(de)(de)(de)(de)信號。可精確的(de)(de)(de)(de)得出超(chao)聲導(dao)波(bo)在(zai)充(chong)粘(zhan)性(xing)(xing)液體(ti)管(guan)(guan)道(dao)(dao)中(zhong)(zhong)傳(chuan)(chuan)播信號的(de)(de)(de)(de)衰(shuai)減大小(xiao)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)環和壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)均用AB膠與鋼管(guan)(guan)相粘(zhan)貼在(zai)一(yi)起(qi)。使用沿周向(xiang)均布粘(zhan)貼壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)片(pian)(pian)和壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)環是為(wei)(wei)了(le)更好的(de)(de)(de)(de)接(jie)受或激勵縱(zong)向(xiang)模態的(de)(de)(de)(de)導(dao)波(bo)抑制(zhi)其他(ta)的(de)(de)(de)(de)模態。

圖：壓電陶瓷環

  實驗結果：

圖(tu)：充機(ji)油(you)、充水和空心鋼管實驗(yan)

  本次實驗(yan)主要(yao)是(shi)研(yan)究內容為：(1)研(yan)究充(chong)(chong)粘(zhan)性(xing)液(ye)(ye)體管(guan)道中超聲導波的傳播特性(xing)，并與充(chong)(chong)水管(guan)道和空管(guan)中超聲導波的傳播特性(xing)進行比對：(2)研(yan)究充(chong)(chong)粘(zhan)性(xing)液(ye)(ye)體管(guan)道的超聲導波損傷檢(jian)測。在(zai)同一(yi)個一(yi)根長為4米，外徑為88毫(hao)米，壁厚(hou)為4毫(hao)米的鋼管(guan)(如(ru)圖3-2-7所(suo)示)上進行充(chong)(chong)機(ji)油、充(chong)(chong)水和空心鋼管(guan)實驗(yan)。擬定實驗(yan)步驟如(ru)下：1、將(jiang)壓電傳感(gan)器貼在(zai)10周期不變的(de)情況下(xia)，分別(bie)激發頻率(lv)40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的(de)導波信(xin)號，如(ru)圖3-3-2至圖3-3-8所示。

  由圖3-3-2至圖3-3-8所示(shi)的導(dao)波(bo)(bo)(bo)的時(shi)程曲線圖可得(de)到10周(zhou)期(qi)7kHZ頻率導(dao)波(bo)(bo)(bo)的端(duan)面回(hui)波(bo)(bo)(bo)次(ci)數最多為六(liu)次(ci)，測(ce)(ce)其傳(chuan)播距離最遠(yuan)，并且激(ji)發出的模態(tai)數最少，適合(he)在充(chong)粘性(xing)液體(ti)管道中(zhong)(zhong)超聲導(dao)波(bo)(bo)(bo)檢(jian)測(ce)(ce)。如(ru)圖3-3-3所示(shi)在10周(zhou)期(qi)50kHZ下導(dao)波(bo)(bo)(bo)的端(duan)面回(hui)波(bo)(bo)(bo)次(ci)數為六(liu)次(ci)傳(chuan)播距離也較(jiao)遠(yuan)，但其激(ji)發出的模態(tai)數較(jiao)多，故不(bu)適合(he)在充(chong)粘性(xing)液體(ti)管道中(zhong)(zhong)超聲導(dao)波(bo)(bo)(bo)檢(jian)測(ce)(ce)。當周(zhou)期(qi)數為20時(shi)，其在時(shi)域信號的持(chi)續時(shi)間長，波(bo)(bo)(bo)形易疊(die)加(jia)，折中(zhong)(zhong)取舍，選取10周(zhou)期(qi)的信號進行(xing)實驗。

  根據(ju)圖(tu)3-3-2至圖(tu)3-3-8所示的(de)導波(bo)的(de)時程曲線圖(tu)，取各個頻率下的(de)超(chao)聲(sheng)導波(bo)第一次(ci)端面回(hui)波(bo)峰值(zhi)(zhi)(第一次(ci)回(hui)波(bo)的(de)最(zui)大值(zhi)(zhi)與最(zui)小(xiao)值(zhi)(zhi)絕對(dui)值(zhi)(zhi)之和的(de)一半)，繪制圖(tu)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(ke)以看出(chu)，當周期(qi)數為10時，在(zai)100kHz這段頻(pin)率范圍內，超聲導(dao)波(bo)(bo)的第一次端面回(hui)波(bo)(bo)峰值在(zai)7kHz附(fu)近達到最(zui)大即在(zai)70kHz左右的超聲導(dao)波(bo)(bo)在(zai)充粘液管道中傳播幅值最(zui)大。

  綜上所述，比較(jiao)理想的檢(jian)(jian)測周期數為(wei)(wei)10，頻率(lv)為(wei)(wei)70KHZ。該信號的導波為(wei)(wei)充粘性液體管道中超聲(sheng)導波檢(jian)(jian)測的最佳激勵信號。

安泰ATA-8202：

  圖(tu)：ATA-8202射頻功率放大(da)器(qi)

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