水下管道安全性检查中的超声导波技术(2)

　　2 传感器阵列制造和安装

　　2.1 传感器制造

　　T（0,1）模式导波是轴对称的 . 它只存在周向位移分量 ,轴向和径向位移分量是零。 因此，激励 T（0,1）模式的导波要求传感器阵列能够在管道上加载轴对称剪切载荷。 剪切振动模式是压电陶瓷振动模式之一。 对于厚度剪切压电陶瓷振子，应力应变关系如下：【1】

　　
　　如公式（9）所示，振子在激励状态下，仅存在剪应力 T5和剪应变 S5. 因此，传感器利用厚度剪切模式压电陶瓷作为敏感元件。 考虑到厚度剪切振子的生产工艺、在管道上的布局和传感器尺寸等因素， 振子通常的尺寸为长 12.5 mm、宽3.5 mm 和厚 0.8 mm,极化方向沿宽度方向。 厚度剪切振子的电极、极化方向、坐标系和剪切振动如图 4 所示。 当振子长度沿管道轴向时，顶部和底部将沿着相反的方向振动，继而，管道将发生周向剪切位移，并产生扭转模式。

　　振子是非常脆的，不能简单地压在管道上，所以下一步工作要把振子装在一个实用、安装简单并且可拆卸的传感器里。 如图 5 所示意性地说明了传感器的构造。 传感器由压电元件、阻尼层、保护层、RF 界面、钢壳和必要的电线组成。 阻尼层的作用是增加组件抗弯刚度，阻尼层的材料是加钨环氧树脂， 这种材料被广泛应用于传统超声传感器的高阻尼背垫。 保护层的材料是氧化铝陶瓷，这种材料可以保护压电元件，使其抗磨损，而且厚度和压电元件相等。

　　2.2 固定装置设计

　　设计固定装置的目的是开发一种易于生产和安装，并且适用于不同直径管道的可拆式传感器阵列。 为了达到这一目标，设计了一种新型传感器固定装置。 这个固定装置包括若干个用于传感器安装和定位的可拆式模块。 两个模块由销轴相互连接，这样，多个模块彼此连接就形成了一个类似于链状结构的环状传感器阵列。 每个模块包括两个传感器，距离是一个 T（0,1）模式波长的四分之一。 通过增加或减少模块的数量，可以用于不同直径管道的检查。

　　3 实验设置和结果

　　用于水下管道检查的实验系统包括具备防水功能的传感器阵列和自动收发开关，这个开关的功能是在系统的发射和接收模式之间自动切换，不需要用到继电器、功放和 IPC,其中，IPC 包括任意波形发生器和 PCI 总线的数据采集卡。波形发生器触发一个 5 周期、30.5 kHz 的激励信号， 并由汉宁（Hanning）函数修改。 接着 ,通过自动收发开关 ,激励信号被送往数据采集卡和功率放大器。 功率放大器把经过放大的信号发送给传感器， 这时信号的峰间电压达到了约 200 V. 然后，传感器激发了 T（0,1）模式的导波。 当信号被缺陷或管道端头反射回来时，同样的传感器接收了反射信号。 信号通过前级放大器被输入到数据采集板上，前级放大器的增益通常被设置为 20 dB. 检查系统的电源由 UPS 提供。

　　实验程序分为空中和水中两个阶段。 在一个长 3.3 m、外径 102 mm、壁厚 6 mm 的钢管上，加工出两处尺寸完全不同的周向缺陷， 分别距离安装在管道端头的传感器阵列 1.9 m和 2.9 m. 这两处缺陷部分减小了壁厚，横截面积分别为壁厚的 6.3%和 4.7%.

　　如图 6（a）和（b）所示分别表示管道在空中和在 5 m 深的水中时，经过 30.5 kHz 的 T（0,1）模式数字滤波后的检测信号。如图6 所示，信号明显被缺陷反射，人为缺口的回波信号与缺口的尺寸和位置具有良好的相关性。 管道在水中与在空中的测试结果几乎相同，这意味着水并没有影响 T（0,1）模式导波的传播特性。

　　实验结果与理论分析一致。 如果能减小跟踪开始时的混响，就能提高整体的信噪比。 接着，管道被下沉到另外一个深度。 结果大体上没有受到水深的影响。 对于每个深度，管道端头的回波被用作参照，与缺陷反射信号的幅值进行对比。 结果表明，深度增加对缺陷和管道端头反射信号的比值几乎没有影响。
　　
　　4 结 论
　　
　　在这项研究中，为检测水下管道的腐蚀缺陷，设计并制造了利用超声导波的可拆式传感器系统。 通过对水下管道上导波传播特性进行理论分析，选取了 T（0,1）模式的导波用作水下管道检查。 对于实验研究，设计了一种新型可拆式传感器阵列。 传感器利用在宽度方向上极化的厚度剪切模式压电陶瓷作为敏感元件。 固定装置包括若干由销轴连接的可拆式模块，多个模块相互连接就形成了一个类似于链状结构的传感器阵列环。 实验结果表明，传感器系统能够在水下管道上有效地激励和接收 T（0,1）模式导波，并且，人为缺口的回波信号与缺口的尺寸和位置具有良好的相关性。 对于空中测试和水中测试，缺陷检测和定位结果并没有显着的差别。 水深对测试结果也没有影响。

　　参考文献：

　　[1] Goldberg L. Diversity in Underwater Inspection [J]. MaterialsEvaluation,1996,54（3）：401-403.
　　[2] Mandal K,Dufour D,Krause T,et al. Investigations of mag-netic flux leakage and magnetic barkhausen voise signalfrom pipe steel[J]. J.Phys,1997,30（6）：962-973.