基于压电陶瓷传感器的应力波传播试验

刘瑜　(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

查春光　(北京新京润房地产有限公司，北京 100022)

基于压电陶瓷传感器的应力波传播试验

刘瑜(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

查春光(北京新京润房地产有限公司，北京 100022)

[摘要]为研究应力波在管道中的传播特性,了解应力波在管道传播中其能量变化与传播距离之间的关系,并验证压电陶瓷材料应用于应力波管道检测的可行性,以粘贴在管道上的压电陶瓷片作为信号激励器或接收器,通过监测不同位置处压电陶瓷接收器的输出电压,计算出各接收器输出电压的峰值。引入衰减指标这一概念作为应力波因子,并利用小波包能量法计算出应力波衰减指标,分析应力波衰减指标与传播距离之间的关系。研究结果表明,应力波在管道中传播时,距离激励器越远的接收器所接收到的应力波电压峰值越小,应力波能量衰减指标越大,说明随着应力波传播距离的增大,应力波能量不断减小,出现衰减。

[关键词]压电陶瓷;管道;应力波;衰减特性

管道[1]以其独特的优势迅速发展，成为继铁路、公路、水路和航空运输之后的第五大物质运输工具，在石油、化工、天然气和食品工业等方面发挥着巨大的作用。随着管道运营时间的增长，管道老化受损等问题日益突出，维护管道的安全运行，防止管道生产事故发生，已成为管道工业生产和安全部门的一项重要工作。因此，如何检测管道的健康状态也成为国内外专家的研究热点，管道无损检测技术[2]也由此悄然兴起。常见的管道无损检测技术包括涡流法、射线法、超声法、磁粉法、渗透法、漏磁法以及超声导波等。导波技术[3]由于其具有检测效率高、速度快和检测整个管道壁等优势，在各种结构的无损检测方面得到了快速发展和广泛应用，但在检测过程中存在使用何种传感器产生导波，对管道健康检测过程影响有多大等问题。近年来，智能材料与导波技术的结合成为结构无损检测技术的一大新发展，压电陶瓷材料[4]具有传感和驱动于一体，响应速度快、线性关系好、耗能低、价格低廉且易加工成型等优点，可将其制作成具有信号发射与接收双重功能的传感器，适用于结构无损监测领域。下面笔者探讨利用压电陶瓷片作为激励器和接收器进行管道应力波传播试验的可行性。

1应力波传播原理

传播导波的介质为波导，管道就是一种常见的空心圆柱形波导[5]。弹性波[6]具有一定的传播速度或走向曲线，有一定的传播路径即射线，在界面会出现发射、折射与波形变换等现象，从而改变其射线方向(传播路径)，这称为波的运动学特性。而且弹性波还具有一定的振幅、波形、激化方向、能量和频谱，在相互叠加时可能会出现干涉现象，在传播过程中可能出现几何发散现象，介质有时会出现能量吸收的现象，在界面上反射、折射与转换时强度会发生变化，这成为波的动力学特性。在某些情况下，弹性波还会出现频散特性，即波速为频率或波数的函数。频散现象只对非正弦波有意义，因为它所包含的多种频率的正弦波在传播过程要改变其形态。

根据弹性动力学理论，各向同性的弹性介质中，导波的运动方程为：

(1)

图1　PZT1作激发器时应力波传播示意

式中，λ、μ为拉姆常数；u为位移向量；ρ为介质的密度。

假设管材是轴对称、无限长的，材料特性是均匀的，横向各向同性的线弹性体，并且假设管材的周围介质是真空。应力波[7]在钢管传播过程中，其能量出现衰减，如材料不均匀产生的散射衰减，介质质点间的内摩擦产生的吸收衰减，因传播距离的增大产生的扩散衰减等，均会造成应力波能量的损失。其中，对于无损管道来说，由于传播距离而引起的应力波能量的衰减具有随距离的增大而增大的趋势。

如取PZT1作为激发器，依次PZT2、PZT3、PZT4、PZT5作为接收器。以部分钢管为例，图1为应力波在管道横向方向上的传播示意图，图1中W2、W3分别代表接收器PZT2、PZT3处的应力波。根据能量守恒原理有：

E2=Ei+ED(i=3,4,5)

(2)

式中，E2、E3、E4、E5分别为相应接收传感器接收的应力波能量；ED为由于传播距离增大所造成的能量损耗。

在激发器位置不变时，应力波在传播过程中，传播距离的增大，接收器接收到的应力波信号会有所变化，即ED会产生并有大小的变化。笔者在波能量传播理论的基础上，从试验的角度考虑由外贴在钢管壁的压电陶瓷所接收到的应力波能量随接收器之间的距离的变化情况，对管道应力波传播特性进行分析。

2衰减指标计算

采用小波变换[8]将不同位置处接收传感器的监测信号进行分解，S为含有n个采样点的接收信号，s为S经过N层小波包分解重构后得到的各频带的子信号，则：

s=s1+s2+…+s2N-1+s2N

(3)

文献[9]定义了信号经过小波包分解后得的信号中各频带子信号的能量的向量:

E1={e1,e2,e3,…,e2N-1,e2N}

(4)

式中，e为个频带子信号的能量，且:

(5)

式中，xk为S分解重构之后得到的各频带信号中的数据点，S经过小波包分解后所得到的向量E1中的各个点的和，即应力波能量为:

(6)

采用小波变换可以得到一种无量纲的信号计算方法，能够很好地描述不同传感器处信号能量大小关系。以小波包信号分解得到小波包能量值作为变量，利用上述数学计算方法，计算出横向距离上的2个接收传感器信号之间的数学值，将其定义为衰减指标I。

如以PZT1作为激发器，PZT2、PZT3、PZT4、PZT5作为接收器，通过小波变换得到接收器接收到信号的能量值分别为E1-2、E1-3、E1-4、E1-5，从而得到的小波包能量指标，即衰减指标:

(7)

式中，a、b分别代表2个接收器小波包分解后得到的能量值，且参考点为一定的接收传感器的能量值，如PZT2处接收信号的能量值为E1-2，即以E1-2作为参考点。

3试验设计

为了了解应力波在管道中的传播特性，进行了无损管道中的应力波传播试验。截取一段Q235无缝钢管作为试验模型，试件长为1000mm，外径为100mm，内径为90mm，管壁厚度为10mm。试验选用PZT-5H压电陶瓷传感器作为激励器和接收器，传感器的主要性能参数见表1，管道示意图与PZT传感器的布置情况如图2所示。

表1　PZT-5H主要性能参数

图2　管道示意图及传感器的布置图

图3　试验现场及试验装置

试验系统是由Agilent33120A任意波形发生器、NIUSB-6363采集卡、PC、PZT-5H型压电陶瓷片、管道和试验台座构成，试验现场及装置如图3所示。在进行试验之前，将PZT粘贴在无缝钢管的表面，PZT分布情况如图2所示，并进行防水处理。利用Agilent33120A产生的正弦波激励信号进行扫频，确定管道的敏感区间，然后利用正弦波进行激励，试验选择的激励频段为60~200kHz。按照管道的横向方向，从左到右于5个传感器中依次选取一个作为信号激励器，其余的4个传感器作为应力波信号接收器，记录无损管道内同一激励器下不同接收器采集的应力波信号。如在第1次试验中，将PZT-1作为信号激励器，将PZT-2、PZT-3、PZT-4和PZT-5作为接收器接收应力波信号，进行第1次信号采集，依次变化激励器和接收器的位置，完成试验信号的采集。最后，利用LabView软件作为平台自编程序进行数据分析和处理，得到接收传感器的应力波电压信号。

4试验结果与分析

图4　传感器PZT-4、PZT-3、PZT-2和PZT-1 接收应力波信号结果

4.1　应力波传播试验结果

为了解无损管道内的传播规律，进行了无损管道应力波传播试验。为便于讨论，现将每次信号激励器与接收器的相互关系用符号X-Y-Z表述，其中，X代表试验次数，Y代表激励传感器的编号，Z代表接收传感器的编号，如1-1-3表示第1次试验下传感器PZT-1作为激励器，传感器PZT-3所接收到的应力波信号。由于试验数据图形过多，现对第5次试验，即PZT-5作为激励器下PZT-1、PZT-2、PZT-3和PZT-4作为接受器采集的应力波信号进行试验分析，接受信号周期为1s。图4所示绘制了传感器PZT-1、PZT-2、PZT-3和PZT-4在0~1.0s内应力波信号。从图4中可以看出，随着PZT接受传感器与PZT激励传感器距离的增大，PZT传感器接收到的应力波信号强度减弱，峰值电压明显下降。

4.2　衰减指标

随着应力波检测技术的发展，应力波的计算与分析方法越来越多，常见的应力波信号分析方法[9]有如谱分析、逆谱分析和统计分析法；也可以采用逆映射理论、神经网络理论、重构理论和同态分析等技术。现采用小波变换与Matlab软件[10]相结合，对压电陶瓷传感器所接收的信号进行分析，并建立基于小波包能量下的衰减指标，探讨应力波在管道中的传播规律。

基于1-1-2、1-1-3、1-1-4、1-1-5信号建立小波包能量衰减指标，如图5(a)所示；基于5-5-4、5-5-3、5-5-2、5-5-1信号建立小波包能量衰减指标，如图5(b)所示。从图5(a)、图5(b)中可以看出，随着接收点到激励传感器距离的增加，应力波能量衰减指标逐渐增大，说明应力波在管道中传播的能量逐渐衰减。

5结论

笔者利用压电陶瓷作为传感器激励和接收信号，对应力波沿无缝钢管外壁轴向传播进行了试验研究，得到以下主要结论：

1)试验利用小波包能量法对信号进行分析，得到应力波传播能量衰减指标，应力波能量衰减随着传播距离的增大呈现出增大的趋势，说明在应力波沿钢管传播过程中，能量会出现衰减。

2)利用压电陶瓷片作为传感器，依靠其自身特有的压电效应的性质，将复杂的应力波动力特性以电压的形式表示出来，并引入能量衰减指标作为应力波因子，更能直观简洁表现出应力波在管道传播中的特性，对于缺陷管道中应力波的传播特点有一定的参考价值，也能较好的证明压电陶瓷片作为信号激励和接收器用于管道无损检测的可行性。

3)由于试验限制，未过多考虑频率变化对应力波的影响，信号频率较低，为了达到检测目的，需对激励信号频率进行优化。

[参考文献]

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[4]李环亭，孙晓红，陈志伟.压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势[J].现代技术陶瓷，2009(2)：28～33.

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[7]吴斌，韩强，李忱.结构中的应力波[M].北京：科学教育出版社，2001.

[8]刘占芳，张凯，冯晓伟，等.关于弹性应力波的3种传播模式[J].世界地震工程，2010(6)：65～72.

[9]倪林.小波变换与图像处理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[10]张德丰.Matlab小波分析[M].北京：机械工业出版社，2009.

[编辑]计飞翔

[引著格式]刘瑜，查春光.基于压电陶瓷传感器的应力波传播试验[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(28)：30~33.

[中图分类号]TU317+.9

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)28-0030-04

[作者简介]刘瑜(1990-)，女，硕士生，现主要从事钢管混凝土结构及其检测方面的研究工作；E-mail:379805301@qq.com。

[基金项目]湖北省教育厅科技计划重点项目(D20131205)；中国石油创新基金项目(2011D-5006-0605)。

[收稿日期]2015-06-05