管道超声导波检测专用探头的研制

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第18卷第4期实验力学Vl01．18No．42003年12月J()I取NALOFD(PERIMErrAIMI~HANICSDec．2003文章编号：1001—4888(2003)04—0500—06管道超声导波检测专用探头的研制’何存富，于海群，吴斌(北京工业大学机电学院，北京100022)摘要：结合常规超声探头的研制技术，根据检测对象——管道的特殊性，从敏感元件、背衬材料、保护层以及外型等各方面详细介绍了一种管道超声导波检测专用探头的研制过程；利用这种探头分别在板和管中进行了激励

2、接收超声导波的实验，结果表明，这种探头能够激励接收超声导波．关键词：管道检测；超声导波；探头；长度伸缩型压电陶瓷中图分类号：0348文献标识码：A1引言目前比较常用的管道检测技术，如涡流、漏磁检测等，都有其本身无法克服的缺点，像检测速度慢、需要剥离管道外包层、不能在线检测等．而超声导波技术正是因为能够弥补这些不足而成为管道检测的一种新兴和前沿的发展方向．它具有传播距离远、检测范围大，检测效率高、不需要剥离外包层、可以进行在线检测等优点．目前国外对超声导波检测理论的研究比较深入，并且已经研制出专用探头和专用仪器以便对管道进行检测．

3、如文献E1-]和文献E2-]都对超声导波的理论及其实际应用进行了比较深入的研究．但是正因为它是一个新的发展方向，管道超声导波检测技术还不是太完善，在国内目前还没有用于管道超声导波检测的专用探头及仪器．在实验室，比较常用的方法是用胶将压电陶瓷片直接粘贴在管道表面来激励和接收超声导波信号，这将导致压电陶瓷片得不到重复使用，不但造成了资源的浪费，而且对所接收到的信号产生影响，给信号的提取以及分析都造成了很大的不便．为了解决此问题，本文研制了一种专用探头，使其与管道之间采用干耦合来对管道进行检测．目前，用于管道超声导波检测的专用探头已基

4、本研制成功，并在实验室中进行了用于管道检测的初步实验，取得了比较理想的结果．实验结果表明所研制的探头可以代替粘贴在管道表面的压电陶瓷片用于在管道中激励和·收稿日期：2002—07—08；修订日期t2003—05一l9基金项目：国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点项目、教育部骨干教师资助计划、北京市教委科技合同项目资助项目作者简介：何存富(1938一)，男，博士，教授．近年来一直从事实验固体力学无损检测、测试技术等方面的研究工作．维普资讯http://www.cqvip.com第4期何存富等：管道超声导波检测专用探头的研制5O

5、1接收超声导波．2探头的研制对一个检测系统性能的评价，激励和接收探头的性能是至关重要的．作为一个探头，最基本的要求就是能够有效地激励和接收信号，具有一定的灵敏度和分辨率等；而对于管道检测，由于环境一般都比较恶劣，因此它还要求必须便于安装和拆卸．这样，采用直接把压电陶瓷粘贴在管道上的方法显然不利于探头的重复使用，尤其对不同点多次测量而言；此外，由于本文的最终设计思想是把一系列同样的探头均匀分布在管道表面，因此每个探头的体积要小，结构上要易于集成，便于后面工作的进行．基于上述要求，对这种探头的研制主要从以下几个方面着手：选择压电元件

6、；采用合适的背衬材料及其配比；选用保护膜的材料及其厚度及合理的外型设计．2．1压电元件的选取从波在管道中传播时的频散曲线[3]可以看出：L(0，2)模态在40～100kHz的频率范围内是一种速度最快、几乎没有频散的模态．基于这种模态的特性，我们希望能够用所研制的探头激励出这种模态，并且尽可能地抑制其它模态．由于压电陶瓷具有方便、价廉、灵敏度高、频率响应快、技术完善等优点，因此选择探头的材料为压电陶瓷．实验表明L2]：长度伸缩型压电陶瓷能够有效地激励和接收L(0，2)模态波，并且由于其自身的特性，可以制作成长条状，很方便地固定在管

7、道表面．其基本结构如图1所示．由于PZT_5压电陶瓷的机电耦合系数、弹性常数以及压电常数等都比较高，并且具有较好的时间和温度稳定性．因此选用PZT-5系列压电陶瓷，其各种参数如表1所示．在压电陶瓷上下表面镀以银电极，为了引线方便，把底面的电极延伸到上表面．长度伸缩型压电陶瓷的伸缩模式如图2所示．在压电陶瓷的上下表面加上电压，压电陶瓷就会产生如图2所示的变形；反之，当压电陶瓷受F方向的力作用时，就会在上下表面产生电荷．图1长度伸缩型压电元件示意图图2电场垂直于长度方向的长度伸缩模式表1PZT-5系列压电陶瓷的参数2．2背衬材料的选

8、择当电脉冲激励压电元件时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射．在超声检测和超维普资讯http://www.cqvip.com502实验力学(2003年)第18卷声诊断领域中，来自前方的回波信号是有用的，但是从后面来的干扰杂波是要消除的，应该将背衬块做成像无限