實驗名稱：充粘液管道損傷檢測

實驗原理：在管道上的傳感器激發(fā)一束超聲能量脈沖，此脈沖沿著管道長度方向向遠(yuǎn)處傳播，并充斥整個圓周方向，在導(dǎo)波傳播過程中遇到缺陷時，入射波會在缺陷處發(fā)生反射、透射，由同一傳感器接受到入射信號和缺陷回波信號，可得到接受到的入射波和缺陷反射回波的時間差?t。若導(dǎo)波傳播速度C(采用楊氏速度)已知，就可以估算出缺陷的位置。

缺陷的位置可由缺陷反射回波信號所被接受到的時間來確定，而缺陷的大小則有缺陷反射回波信號的強度來確定，當(dāng)缺陷的裂紋越大，導(dǎo)波的缺陷反射回波就大，由此用反射系數(shù)來定量分析缺陷的大小。

圖a實驗裝置示意圖

首先通過計算機編程生成信號數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送到信號發(fā)生器，生成實驗所需的原始激勵信號。信號發(fā)生器通過ch1將原始激勵信號輸入數(shù)字示波器，又通過ch2將激勵信號經(jīng)過功率放大器放大后，驅(qū)動與功率放大器連接的壓電陶瓷環(huán)，使之產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動，在管道中激勵出超聲導(dǎo)波并在管道中傳播。最后經(jīng)壓電陶瓷應(yīng)變片接收后輸入數(shù)字示波器形成端面回波波形。

超聲導(dǎo)波的管道檢測實驗設(shè)備主要有信號發(fā)生器、功率放大器、傳感器、數(shù)字示波器以及計算機組成。實驗對象為一根4米長的鋼管，鋼管外徑為88毫米，壁厚為4毫米。實驗裝置示意圖如圖a所示。

測試設(shè)備：信號發(fā)生器、ATA-M4功率放大器、壓電陶瓷、示波器、鋼管

圖b實驗被測件

實驗過程：本實驗主要的研究內(nèi)容為:(1)研究充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性，并與充水管道和空管中超聲導(dǎo)波的傳播特性進行比對;(2)研究充粘性液體管道的超聲導(dǎo)波損傷檢測。在同一個一根長為4米，外徑為88毫米，壁厚為4毫米的鋼管上進行充機油、充水和空心鋼管實驗。擬定實驗步驟如下:

1、將壓電傳感器貼在管道上。在管道端部緊貼與管道截面相同的壓電陶瓷環(huán)激勵導(dǎo)波，離壓電環(huán)10mm處的管道外壁沿周向均布16個相同規(guī)格的壓電陶瓷片接受導(dǎo)波:沿管道長度方向，每隔25cm處的管道外壁沿周向均布6個壓電陶瓷片跟蹤記錄導(dǎo)波傳播信號。

2、將所有實驗儀器連接好后，進行完好空管實驗。激勵信號的頻率從100KHz到40KHZ每10KHz為間隔測量一次，周期數(shù)為10和20。

3、將管道豎立，向鋼管里注滿水，然后再平放管道進行完好的充水管道實驗。如圖3-2-8所示為測量結(jié)束后將鋼管中水放出。

4、將管道再次豎立，向鋼管里注滿機油，然后再平放管道進行完好的充機油管道實

5、進行有缺陷的充機油管道實驗。利用鋸弓在距離鋼管端部2m處加工三種缺陷，缺陷分別為環(huán)向1/8圓弧、環(huán)向3/16圓弧和環(huán)向1/4圓弧。對這三種缺陷分別進行超聲導(dǎo)波檢測。然后再將管中機油放出。

6、進行有缺陷的空心管道實驗。

7、進行有缺陷的充水管道實驗

實驗結(jié)果：通過對4米長無損傷充機油管道的超聲導(dǎo)波檢測，研究中心頻率與周期數(shù)對導(dǎo)波衰減程度、信號波峰值和單一模態(tài)激發(fā)的影響，來確定用來檢測有缺陷的充粘性液體的管道的超聲導(dǎo)波導(dǎo)波的最佳中心頻率。

在10周期不變的情況下，分別激發(fā)頻率40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的導(dǎo)波信號，如圖c至圖i所示。

圖c充油管道在10周期40kHz頻率下時程曲線圖

圖d充油管道在10周期50kHz頻率下時程曲線圖

圖e充油管道在10周期60kHz頻率下時程曲線圖

圖f充油管道在10周期70kHz頻率下時程曲線圖

圖g充油管道在10周期80kHz頻率下時程曲線圖

圖h充油管道在10周期90kHz頻率下時程曲線圖

圖i充油管道在10周期100kHz頻率下時程曲線圖

由圖c至圖i所示的導(dǎo)波的時程曲線圖可得到，10周期70kHz頻率導(dǎo)波的端面回波次數(shù)最多為六次，測其傳播距離最遠(yuǎn)，并且激發(fā)出的模態(tài)數(shù)最少，適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測。如圖d所示在10周期50kHz下導(dǎo)波的端面波次數(shù)為六次傳播距離也較遠(yuǎn)，但其激發(fā)出的模態(tài)數(shù)較多，故不適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測，當(dāng)周期數(shù)為20時，其在時域信號的持續(xù)時間長，波形易疊加，折中取舍，選取10周期的信號進行實驗。

ATA-M4功率放大器是一款理想的單通道放大器。最大輸出345Vrms電壓，400VA功率，可驅(qū)動0~100%的阻性或非阻性負(fù)載。輸出阻抗匹配多個檔位可選，客戶可根據(jù)測試需求調(diào)節(jié)。

審核編輯 黃宇