射频功率放大器在超声导波技术管道损伤检测研究中的应用

实验名称：基于超声导波技术的充液管道损伤检测实验研究

研究方向：无损检测

测试目的：

超声波是一种高频应力波，正是由于激发的频率较高，其能力衰减较快，传播距离有限。故在管道检测中，超声波检测技术需要逐点扫描管道的每个断面，若检测的管道较长,则利用超声波检测技术时需要的时间较长。

超声导波是显著区别于超声波的一种检测方法，它激发的是低频导波，这样导波可以在管道中传播较长的距离。其次，超声导波比超声波具有很强的定向性。由于超声导波能够有效的在管道表面激发，导波可在管道整个截面内分布并沿着管道纵向高速传播，因此该方法不仅能检测管道断裂等管道截面严重损伤，同时可以检测出管道表面及内部早期不可见的线状微小裂纹。

测试设备：信号发生器、ATA-8202射频功率放大器、传感器、数字示波器以及计算机等。

实验过程：

首先通过计算机编程生成信号数据，通过USB接口发送到信号发生器，生成实验所需的原始激励信号。信号发生器通过ch1将原始激励信号输入数字示波器，又通过ch2将激励信号经过功率放大器放大后，驱动与功率放大器连接的压电陶瓷环，使之产生相应频率的振动，在管道中激励出超声导波并在管道中传播。最后经压电陶瓷应变片接收后输入数字示波器形成端面回波波形。

超声导波的管道检测实验设备主要有信号发生器、功率放大器、传感器、数字示波器以及计算机组成。实验对象为一根4米长的钢管，钢管外径为88毫米，壁厚为4mm。

图：实验装置图

目前，管道超声导波检测中所使用的传感器主要有压电传感器(PZT)、电磁声传感器(EMAT)、脉冲激光式传感器和磁致伸缩式传感器(MsS)等。由于压电传感器技术较为成熟、操作简便且满足本实验的要求等优点，本实验中采用PZT5材料的压电陶瓷作为传感器。

压电陶瓷具有在电能与机械能之间的转换和逆转换的功能。如果要激励高频率的超声波，则只要产生高频电信号加在压电陶瓷上，由逆压电效应，压电陶瓷会产生高频的机械振动，即超声波。而由于正压电效应的存在，缺陷的回波以及端面的回波就会被转换成电信号而在数字示波器上显示。

本实验所使用的压电陶瓷有两种一一压电陶瓷环和压电陶瓷片。压电环是按照管道的截面尺寸加工的，其外径为88毫米，壁厚为4毫米。为了激发出较好的轴对称导波，激发传感器选用一个紧贴管道端部的压电陶瓷环，如图3-2-2所示。压电环的振动方向在厚度方向。压电片选用的是长度伸缩型压电陶瓷，尺寸为15mmx2.5mmx0.8mm。实验的接收传感器采用离压电环10mm处的管道外壁沿周向均布16个相同规格的PTZ压电陶瓷片如图3-2-2所示。沿管道长度方向，每隔25cm处，在管道外壁沿周向均布6个同样规格的PTZ5压电陶瓷片。此压电陶瓷片为跟踪记录其所在的位置的超声导波在充粘性液体管道中传播的信号。可精确的得出超声导波在充粘性液体管道中传播信号的衰减大小。压电陶瓷环和压电陶瓷片均用AB胶与钢管相粘贴在一起。使用沿周向均布粘贴压电陶瓷片和压电陶瓷环是为了更好的接受或激励纵向模态的导波抑制其他的模态。

图：压电陶瓷环

实验结果：

图：充机油、充水和空心钢管实验

本次实验主要是研究内容为：(1)研究充粘性液体管道中超声导波的传播特性，并与充水管道和空管中超声导波的传播特性进行比对：(2)研究充粘性液体管道的超声导波损伤检测。在同一个一根长为4米，外径为88毫米，壁厚为4毫米的钢管(如图3-2-7所示)上进行充机油、充水和空心钢管实验。拟定实验步骤如下：1、将压电传感器贴在10周期不变的情况下，分别激发频率40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的导波信号，如图3-3-2至图3-3-8所示。

由图3-3-2至图3-3-8所示的导波的时程曲线图可得到10周期7kHZ频率导波的端面回波次数最多为六次，测其传播距离最远，并且激发出的模态数最少，适合在充粘性液体管道中超声导波检测。如图3-3-3所示在10周期50kHZ下导波的端面回波次数为六次传播距离也较远，但其激发出的模态数较多，故不适合在充粘性液体管道中超声导波检测。当周期数为20时，其在时域信号的持续时间长，波形易叠加，折中取舍，选取10周期的信号进行实验。

根据图3-3-2至图3-3-8所示的导波的时程曲线图，取各个频率下的超声导波第一次端面回波峰值(第一次回波的最大值与最小值绝对值之和的一半)，绘制图3-3-9。

图：10周期时第一次端面回波峰值随频率变化曲线

从图3-3-9中可以看出，当周期数为10时，在100kHz这段频率范围内，超声导波的第一次端面回波峰值在7kHz附近达到最大即在70kHz左右的超声导波在充粘液管道中传播幅值最大。

综上所述，比较理想的检测周期数为10，频率为70KHZ。该信号的导波为充粘性液体管道中超声导波检测的最佳激励信号。

安泰ATA-8202射频功率放大器：

图：ATA-8202射频功率放大器

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审核编辑 黄宇