基于PZT传感器的管道扭转模态激励效果研究

基于PZT传感器的管道扭转模态激励效果研究

毛亚东1,张伟1,2,严有琪1

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 镇江分院,江苏 镇江212000;2.江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江212013)

摘要导波激励模态单一性与衰减特性是导波激励效果的重要指标。采用PZT传感器,在建立基于PZT-5材料传感器并置于管道一端均匀对称分布的导波激励系统的基础上,以模态单一性与降低衰减特性为目标,研究了在低频段内模态特性以及传感器对T(0,1)模态的影响,得出了激励T(0,1)模态的最优激励方案。

关键词超声导波;PZT传感器;管道检测;扭转模态

收稿日期:2014-12-12

基金项目:江苏省科技基金资助项目(KJ(Y)2012049)

作者简介:毛亚东(1965—),男,高级工程师。研究方向:特种设备检验检测。E-mail:65688289@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.07.048

中图分类号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

管道运输作为一种安全、经济、便捷、对环境影响小的运输方式,在石油、天然气和化工等能源、材料运输中得以广泛应用,特别是在工业承压管道的应用中。频率范围在20~200 kHz的低频超声导波被广泛应用于工业管道无损检测中,特别是对于管道的缺陷检测[1]。传统的超声波检测方法只能检测探头的周边区域,而采用逐点检测会消耗大量的时间[2-3]。由于超声导波在低频段具有低衰减率,故可应用于长距离的管道缺陷检测,节省了大量时间和工作量。

在管道中有3种基本的导波模态:纵向模态,扭转模态与弯曲模态,其中纵向模态和扭转模态由于其对称性成为常用的检测模态[4]。在使用压电直探头激励管道的扭转模态时,其激励出的扭转模态并不是单一模态,且不同模态在同一频率下的波速也不同,这样会对缺陷的判别产生影响。

在导波传播特性的理论研究方面,D.C.Gazis利用弹性理论推导出超声导波在无限长、各向同性的空心圆柱壳中的弹性解和纵向模态导波、扭转模态导波在空心圆柱壳中传播的理论表达式,并画出了含有多种导波模态的频散曲线[5-6]。N.Armenakas等讨论了圆柱壳中导波传播理论,指出导波在管状波导中传播时存在多种模态,同时给出了可能出现的模态。LJ.Ditri等指出了导波的灵敏性和穿透力较大程度依赖于导波模态出现的数量和频率。北京工业大学何存富等人使用15 mm的传感器通过改变激励频率、传感器的粘贴个数等参数,研究了纵向模态导波的特性[7],并制造了专门的传感器[8]。本文研究了在低频段内导波特性以及传感器对T(0,1)模态的影响,得出了适合激励T(0,1)模态的最优激励方案,为以后导波的管道检测提供了实验依据。

1实验系统的建立

实验系统如图1所示,包括任意函数发生器、功率放大器、前置放大器、数字示波器,实验管道为长3 m,外径76 mm,壁厚4.5 mm的20钢钢管,管道的两端自由无约束。

图1　实验装置示意图

实验采用10个周期的汉宁窗调制的激励信号,并通过额定功率25 W增益44 dB的功率放大器放大能量后传入激励环。由于实验中的传感器接收到的信号比较微弱,所以需要使用前置放大器将PZT传感器接收到的微弱的信号放大。信号采集所用数字示波器最大采样点数为1 GSa/s,8位垂直分辨率,实时带宽50 Mbit·s-1,可清楚地显示实验所接收到的超声导波回波信号并保证不失真。激励管道中T(0,1)模态,采用均匀布置12个尺寸为25 mm×4 mm×1 mm的PZT传感器的方式进行,需要使直探头的主振动方向与管道切向方向振动位移方式保持一致,为了保证扭转模态的对称性,还必需使直探头环形阵列排列。

2扭转模态管道导波的激励与采集

由于T(0,1)以上的高阶模态截止频率较高,在200 kHz内,不会出现高阶模态。当PZT传感器并联激励,并联接收时,接收到的回波信号如图2所示,T(0,1)模态的导波占主导地位,但也存在弯曲模态的影响,信号的信噪比较高。

图2　并联接收信号

当PZT传感器并联激励,单个接收时,如图3所示。T(0,1)模态的导波占主导地位,但存在较强的弯曲模态散射波的影响,但随着激励频率的增大,弯曲模态的影响变小。

图3　单个接收信号

3实验结果分析

3.1频散特性对T(0,1)模态的影响

如图4所示为试验管道的群速度曲线,其中在0~140 kHz的频率范围内试验可能存在的模态。当激励频率在0~140 kHz时,扭转模态里只存在T(0,1)与F(1,2)模态导波。所以实验中激励的导波以T(0,1)模态导波为主,但也同时会伴随着附带模态的影响F(1,2)附带模态的存在使得T(0,1)模态能量减小,检测距离缩短,通过调整检测频率减少附带模态的影响。

图4　实验中T(0,1)和F(1.2)模态的群速度

3.2衰减特性对T(0,1)模态的影响

研究T(0,1)模态的衰减对于检测中使用T(0,1)非常重要,其对导波管道检测的检测频率的选择提供了重要的依据。可根据T(0,1)的衰减情况,适当的选择激励频率。

从图5中可看出,在30~100 kHz率变化范围内,随着频率的提高,T(0,1)模态的衰减系数存在增大趋势;频率在35 kHz时出现了一个峰值,在频率为70 kHz后,衰减系数又随着频率的增大衰减系数增大,这可能是由于激励频率约在35 kHz时,管道内出现了较为明显的弯曲模态,而附带模态的出现减弱了T(0,1)模态导波传播的能量,从而导致了T(0,1)模态衰减系数在此频段内较大。激励频率在70 kHz以上时,衰减系数便随着频率的增大而增大。

图5　T(0,1)模态的衰减系数曲线

3.3PZT传感器对T(0,1)模态的影响

在超声导波传感器的特性方面,激励T(0,1)模态时,应保证每个耦合在管道周向上传感器的谐振频率一致,其测试效果应以传感器耦合在管道上的测试效果为准。同样周向布置传感器的个数需要高于该频率段最高模态阶数,以保证激励出附带的弯曲模态的影响最小。

由于只要传感器的个数与布置合理,从原理上不会激励出其他扭转模态的导波,所以传感器长短的设计无需考虑其他扭转附带模态的影响,但是考虑到传感器中压电片的越大,其超声波的辐射能量就越大,所以对于检测管径较大、壁厚大的管道,选用25 mm的陶瓷片效果较好,同时由于PZT传感器的长度较长,以至于其谐振频率较低,衰减较小。然而,若利用T(0,1)模态导波检测管径较小,则需选用长度较短的PZT传感器,以防止PZT传感器之间的尺寸干涉。激励频率最好选取在50 kHz以上,在此频段内T(0,1)模态的衰减较小,附带弯曲模态的影响也较小,能够满足长直管道的检测需要。

4结束语

通过在管道中激励扭转模态T(0,1),发现在低频段内扭转模态中只存在T(0,1)模态,并通过分析T(0,1)模态特性以及传感器对扭转模态检测管道的影响实验发现:(1)在管道中激励扭转模频散现象必然存在,但通过选择适当的激励频率可减小影响。(2)导波的衰减特性是选择检测频率的重要因素,通过实验发现50~75 kHz时激励效果较好。(3)传感器的布置以及长度对检测效果也有重要影响,在保证激励能量足够大的同时要使传感器尽量对称布置。

参考文献

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[8]何存富,于海群,吴斌.管道超声导波检测专用探头的研制[J].实验力学,2003,18(4):500-505.