用于管道超声导波探伤的压电换能器及其控制方法和应用与流程

本发明涉及智能材料和结构健康监测技术，具体涉及一种用于管道超声导波探伤的压电换能器及其控制方法和应用。

背景技术：

管道作为一种重要的运输工具，在石油、化工等领域发挥着不可替代的作用。截止2013年底，我国已建成天然气管道逾6万公里，原油管道逾2.6万公里，成品油管道逾2万公里，管道已成为关系国民经济命脉的重要基础设施。近年来，由于腐蚀、意外损伤、磨损等因素，国内外管道安全事故频发，造成了巨大的生命和财产损失。因此，管道完整性检测及评价具有重要的意义。基于超声导波的无损检测方法由于其具有检测距离远，成本低等特点，已经成为管道完整性检测的重要技术手段。目前，基于超声导波的管道检测技术还主要出于实验室研究阶段，能够用于实际工业管道检测的仪器和系统还不多。一个主要的原因是管道导波具有多模态，高频散的复杂特性。以外径为100mm，壁厚3mm的铝管为例，在0kHz到200kHz的范围内，共有超过50多个沿着轴向传播的导波模态。每一个频率都对应着两个以上的导波模态。若无法激励出单一模态的导波，从众多导波中识别出与缺陷有关的回波信息将面临着难以克服的困难。另一方面，除零阶扭转导波T(0，1)外，所有的管道导波都具有较为严重的频散特性，即波速随着频率的变化而发生变化。由于导波大多都是采用窗函数调制的特殊波形激励，频散特性使得激励波形随着波传播距离的增加而变得扭曲，同时导波振幅迅速衰减，从而难以实现长距离检测。因此如何激励单一模态和非频散的导波是管道导波检测最核心的问题。

纵向模态导波L(0,2)由于其易于激发，且在一定的频率范围内具有较小的频散，因而是目前被研究的最为广泛，也相对成熟的导波模态。然而纵向导波模态由于其具有径向位移，当管道内部或者外部存在液体时，部分导波能量会泄露到液体中，从而严重影响了检测距离。相比纵向模态导波L(0,2)，零阶扭转导波T(0,1)具有明显的优势。零阶扭转导波T(0,1)是管道中唯一非频散的导波模态。同时由于零阶扭转导波T(0,1)只有切向位移，而液体不能承受剪切，故导波能量不会泄露到管道所运输的液体中。因此零阶扭转导波T(0,1)在管道完整性检测领域具有重要的应用前景。然而目前能够激励单一模态的零阶扭转导波T(0,1)的换能器还很少，极大的限制了T(0,1)导波的在管道完整性检测的应用。目前已经有两类扭转导波换能器相继被提出，并成功实现了商业应用。一类是以美国西南研究院(Southwest Research Institute)为代表的研发的电磁超声换能器(U.S.Pat.No.6429650B1)。该换能器通过在线圈通交变电流，从而形成交变磁场，交变磁场通过磁致伸缩效应引发铁磁材料产生变形，从而在管道中形成导波。然而电磁超声换能器需要施加一个较强的偏置磁场，从而换能器的体积相对较大。此外，电磁超声换能器能量转化效率低，从而需要较强的激励源来提高信噪比。上述因素使得电磁超声换能器只能用于无损检测而不适合用于结构健康监测。另一类是以英国帝国理工大学为代表的研发的干耦压电换能器(A.Demma,P.Cawly and M.Lowe,The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes,J.Acoust.Soc.Am.114(2),2003)。中国海洋石油总公司等单位也发展了类似的干耦压电换能器(ZL 201010605979.7)。干耦压电换能器通过周向布置厚度剪切压电片，从而实现扭转导波的激励和接收。然而厚度剪切压电换能器在不加压力的情况下，变形倾向于简单剪切，因而剪切变形难以有效的传递到管道上。加压装置使得干耦压电换能器体积较大。另一方面，厚度剪切型压电换能器谐振频率较高，通常远高于导波的激励频率，因而换能器无法在谐振频率附近激励来提高能量转换效率。上述两点使得干耦压电换能器亦只适合管道无损检测而不适合管道的健康监测。

与管道无损检测相比，管道健康监测技术能够实时预报管道的安全状况，同时能够节省人力和时间成本，从而是当前国内外管道完整性检测领域的研究热点与趋势。因此迫切需要研发适合管道健康监测的换能器。北京大学李法新课题组最近发展了一种面内剪切新压电换能器(ZL 201620284659.9)，该换能器能够在平板结构中激励出单一模态的水平剪切导波模态(SH0)，但不合适直接用于管道，该换能器尺寸小且能量转换效率高，故适合结构健康检查。由于平板结构中的水平剪切导波模态(SH0)在波形结构上与管道中的零阶扭转导波模态(T(0，1))类似，因此有希望在此基础上研发出合适管道健康监测的扭转导波压电换能器，进而推动管道健康监测的发展。

技术实现要素：

针对当前缺乏适合管道健康监测的导波换能器，本发明提出了一种可以在管道中激励和接收单模态零阶扭转导波T(0，1)的压电换能器，该换能器具有轻质、尺寸小和能量转换效率高的特点，适合管道健康监测。

本发明的一个目的在于提出一种用于管道超声导波探伤的压电换能器。

本发明的用于管道超声导波探伤的压电换能器包括：n个曲面换能板单元和一个柔性基底；其中，每一个曲面换能板单元的上表面为平面，粘接在柔性基底的下表面，曲面换能板单元的上表面的形状为矩形，四个侧面垂直于上表面，下表面为曲面，曲面沿着厚度方向的投影与上表面全等，曲面的曲率与被测管道的外表面曲率一致，下表面作为工作面；曲面换能板单元采用极化后的压电材料，极化方向沿着工作面的弦长方向，具有压电系数d24；与极化方向平行的两个相对的侧面为电极面；n个曲面换能板单元的上表面均匀地粘接在柔性基底的下表面，n个曲面换能板单元的极化方向取向一致；n个曲面换能板单元同侧的电极面分别采用一根导线电学连接一个电极柱，从而将n个曲面换能板单元并联；工作时，每一个曲面换能板单元的工作面紧贴被测管道的外表面，均匀分布在柔性基底的下表面的n个曲面换能板单元沿着被测管道的外表面周向均匀分布，并环绕沿着被测管道的外表面一周；在柔性基底的两端分别设有扣锁机构，通过扣锁机构将柔性基底的两端连接固定，使得压电换能器形成连接成一体的环形并固定在被测管道的外表面；压电换能器作为制动器激励被测管道的超声导波，或者作为传感器接收被测管道的超声导波；作为制动器时，信号发生器发出的激励信号经功率放大器放大后，连接至两个电极柱，同时激励n个曲面换能板单元，通过逆压点效应的d24模式在工作面产生面内剪切变形，对被测管道施加载荷，激励出超声导波；作为传感器时，被测管道的超声导波引起每个曲面换能板单元的工作面发生面内剪切变形，从而通过正压电效应的d24模式在电极面形成电位移，n个并联的曲面换能板单元将信号平均后，通过电极柱连接至前置放大器放大，通过数据采集数字模拟A/D卡传输到信号处理分析系统，n为≥2的自然数。

曲面换能板单元的上表面为矩形，沿着柔性基底长度方向的边长为长边a，沿着柔性基底宽度方向的边长为短边b，曲面换能板单元的最小厚度即工作面的最高点距上表面的距离为h，满足

柔性基底的长度为L，宽度为W，厚度为H，满足b≤W≤4b，0.1h≤H≤4h。柔性基底的长度等于被测管道的外周长，柔性基底具有一定的弹性，从而通过扣锁机构能够使得n个曲面换能板单元紧固地环绕被测管道的外表面。

曲面换能板单元的压电材料采用PZT陶瓷、铁电陶瓷或者铁电型的压电单晶；若采用陶瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值；若采用铁电型的压电单晶，则极化时应确保其具有较大的压电系数d24。柔性基底采用低弹性模量，高弹性的材料，如橡胶。

压电换能器用作制动器激励超声导波时，信号发生器产生窗函数调制的激励信号，信号中心频率为f₀，信号频率宽度为[f_min,f_max]，该频带称为工作频带。为抑制高阶模态的扭转波，f_max应小于被测管道扭转导波的一阶截止频率；为抑制频带范围内弯曲波的产生，曲面换能板单元的数量n应大于被测管道在[0,f_max]频带范围内弯曲导波模态出现的最高周向阶次。压电换能器激发的扭转波的波速为c_g，波长为λ＝c_g/f₀。为使压电换能器具有较高的能量转化效率，优选的曲面换能板单元的短边b满足：0.25λ≤b≤0.6λ。满足上述关系的压电换能器，在工作频带的中心频率f₀处激励单一模态的零阶扭转导波T(0，1)。

同理，压电换能器用作传感器接收超声导波时，接收信号的中心频率为f₀，信号频率宽度为[f_min,f_max]，该频带称为工作频带。为抑制高阶模态的扭转波，f_max应小于被测管道扭转导波的一阶截止频率；为抑制频带范围内弯曲波的产生，曲面换能板单元的数量n应大于被测管道在[0,f_max]频带范围内弯曲导波模态出现的最高周向阶次。压电换能器接收的扭转波的波速为c_g，波长为λ＝c_g/f₀。为使压电换能器具有较高的能量转化效率，优选的曲面换能板单元的短边b满足：0.25λ≤b≤0.6λ。满足上述关系的压电换能器，在工作频带的中心频率f₀处接收单一模态的零阶扭转导波T(0，1)。

本发明的压电换能器能够在工作频带的中心频率f₀处过滤弯曲导波模态，而只接收扭转导波。

本发明的压电换能器用作制动器只激励单一模态的扭转导波T(0，1)的原理如下：激励换能器安装在被测管道上后，n个曲面换能板单元沿着被测管道周向均匀分布；当n个曲面换能板单元同时被交流信号激励时，曲面换能板单元由于逆压电效应的d24模式在工作面产生面内剪切变形，从而在被测管道形成沿着周向均匀分布的剪切应力；由于曲面换能板单元的数量大于工作频段内管道中弯曲波的最高周向阶次，使得相邻的曲面换能板单元的间隙小于所激励扭转导波的半波长，从而可以近似的认为压电换能器施加在被测管道上的载荷为沿着周向的轴对称载荷；弯曲导波模态是非轴对称模态，故轴对称载荷不会激发弯曲导波模态；另一方面，纵向轴对称导波主要的位移沿着被测管道轴向，没有周向位移，因此沿着周向的轴对称载荷只会激发扭转导波；又激励信号的频率在扭转波的一阶截止频率以下，故只能激发单一模态的零阶扭转波T(0，1)。同理，本发明的压电换能器用作传感器只接收扭转波的原理如下：被测管道内有扭转波时，扭转波只有沿着被测管道周向的位移分量，且沿着被测管道周向均匀分布，周向位移分量引起每个曲面换能板单元的工作面发生面内剪切变形，从而通过正压电效应的d24模式在电极面形成电位移；被测管道内有弯曲波时，弯曲波虽然含有周向位移分量，但沿着被测管道周向分布不均匀，因此换能器只有少部分压电片会形成电位移；由于n个曲面换能板单元之间电路是并联，故所探测的信号实际上近似等于n个曲面换能板单元信号的平均，因此叠加的弯曲波信号将非常微弱，从而实现过滤弯曲波的功能。在实际工作中，采用主动产生一个确定频率的激励信号，然后通过探测该激励信号与缺陷作用后的回波信号，作为接收信号，来实现缺陷的定位与尺寸的识别。故本发明作为传感器时，可以事先根据接收信号的频率来设计传感器，接收信号处于工作频带，从而实现只接收零阶扭转导波T(0，1)的功能。

本发明的另一个目的在于提供一种用于管道超声导波探伤的压电换能器的控制方法。

本发明的压电换能器作为制动器激励被测管道的超声导波，或者作为传感器接收被测管道的超声导波。

本发明的压电换能器作为制动器激励被测管道的超声导波的控制方法，包括以下步骤：

1)n个曲面换能板单元的上表面均匀地粘接在柔性基底的下表面，n个曲面换能板单元的极化方向取向一致；n个曲面换能板单元的同侧的电极面分别采用一根导线电学连接一个电极柱，从而将n个曲面换能板单元并联；每一个曲面换能板单元的工作面紧贴被测管道的外表面，均匀分布在柔性基底的下表面的n个曲面换能板单元沿着被测管道的外表面周向均匀分布，并环绕沿着被测管道的外表面一周；通过设置在柔性基底两端的扣锁机构将柔性基底的两端连接固定，使得压电换能器形成连接成一体的环形并固定在被测管道的外表面；

2)信号发生器产生窗函数调制的激励信号，经功率放大器放大后，通过电极柱，同时激励并联的n个曲面换能板单元，曲面换能板单元由于逆压电效应的d24模式在工作面产生面内剪切变形，从而在被测管道形成沿着周向均匀分布的剪切应力；

3)曲面换能板单元的数量大于工作频段内管道中弯曲波的最高周向阶次，使得相邻的曲面换能板单元的间隙小于所激励扭转导波的半波长，从而压电换能器施加在被测管道上的载荷为沿着周向的轴对称载荷；弯曲导波模态是非轴对称模态，故轴对称载荷不会激发弯曲导波模态；

4)纵向轴对称导波主要的位移沿着被测管道的轴向，没有周向位移，沿着周向的轴对称载荷只会激发扭转导波；又激励信号的频率在扭转波的一阶截止频率以下，因此只能激发单一模态的零阶扭转波T(0，1)。

本发明的压电换能器作为传感器接收被测管道的超声导波的控制方法，包括以下步骤：

1)n个曲面换能板单元的上表面均匀地粘接在柔性基底的下表面，n个曲面换能板单元的极化方向取向一致；n个曲面换能板单元的同侧的电极面分别采用一根导线电学连接一个电极柱，从而将n个曲面换能板单元并联；每一个曲面换能板单元的工作面紧贴被测管道的外表面，均匀分布在柔性基底的下表面的n个曲面换能板单元沿着被测管道的外表面周向均匀分布，并环绕沿着被测管道的外表面一周；通过设置在柔性基底两端的扣锁机构将柔性基底的两端连接固定，使得压电换能器形成连接成一体的环形并固定在被测管道的外表面；

2)被测管道内有扭转波时，扭转波只有沿着被测管道周向的位移分量，且沿着被测管道周向均匀分布，周向位移分量引起每个曲面换能板单元的工作面发生面内剪切变形，从而通过正压电效应的d24模式在电极面形成电位移；被测管道内有弯曲波时，弯曲波虽然含有周向位移分量，但沿着被测管道周向分布不均匀，因此换能器只有少部分压电片会形成电位移；

3)n个曲面换能板单元之间并联，探测的信号近似等于n个曲面换能板单元信号的平均，因此叠加的弯曲波信号将非常微弱，只有扭转波引起并联的n个曲面换能板单元的电极面的电位移，从而实现过滤弯曲波的功能；

4)通过电极柱连接至前置放大器放大，通过数据采集A/D卡传输到信号处理分析系统。

本发明的又一目的在于提供一种压电换能器用作管道导波滤波器的用途。

本发明的优点：

本发明提供了一个可以在被测管道激励和接收单一模态的零阶扭转导波T(0，1)的压电换能器，本发明提出的压电换能器能量转换效率高、体积小尺寸紧凑，能够直接贴合在管道表面，非常适合用于管道健康监测，可以预见本发明将有力推动基于超声导波的管道健康监测的发展。

附图说明

图1为本发明的压电换能器紧贴在被测管道上的示意图，其中，(a)为立体结构示意图，(b)为侧视图；

图2为本发明的压电换能器的曲面换能板单元的示意图；

图3为本发明的压电换能器的展开示意图；

图4为壁厚为3mm，外径为100mm的铝管在0-250kHz范围内的导波的群速度频散曲线；

图5为零阶扭转导波T(0，1)的波形结构图；

图6为本发明的压电换能器的实施例一作为制动器在壁厚为3mm，外径为100mm的铝管用中心频率为150kHz信号激励T(0，1)的实验结果；

图7为本发明的压电换能器的实施例二作为传感器接收超声导波的实验结果，超声导波采用12个曲面换能板单元的压电换能器激励，其中(a)为只有12个曲面换能板单元的压电换能器作为传感器接收到的波形图，(b)为以本发明的32个曲面换能板单元的压电换能器作为传感器接收到的波形图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的压电换能器包括：n个曲面换能板单元15和一个柔性基底12；n个曲面换能板单元15的上表面均匀地粘接在柔性基底12的表面；n个曲面换能板单元的同侧的电极面分别采用一根导线电学连接一个电极柱，从而并联后的n个曲面换能板单元分别连接至正电极柱17和负电极住19；工作面紧贴被测管道10的外表面，n个曲面换能板单元沿着被测管道10的外表面周向均匀分布，并环绕沿着被测管道的外表面一周。

曲面换能板单元的个数为n，n大于被测管道10在[0,f_max]频带范围内弯曲导波模态出现的最高周向阶次。柔性基底12的长度等于被测管道10的外周长。

如图2所示，曲面换能板单元15上表面为平面，形状为矩形；下表面为曲面，曲面的曲率与被测管道10的外表面曲率一致。下表面为工作面，工作时紧贴在管道10的外表面。工作面沿着换能板15厚度方向的投影全等于换能板15的上表面，即工作面的弦长等于上表面的边长a。曲面换能板单元15与极化方向平行且与上表面垂直的两个相对的侧面为电极面。

图3展示了本发明的压电换能器的展开图。当换能器粘贴在管道10时，由于基底12为柔性材料，故可以展开成一个长条。当压电换能器需要紧贴在被测管道10时，柔性基底12通过扣锁机构14首尾连接，柔性基底具有弹性，使压电换能器套在被测管道10上，如图1所示。从图3可以看到，曲面换能板单元均匀的分布在柔性基底12表面，并通道导线18实现曲面换能板单元的电路并联。

为进一步说明本发明的换能器所激励的零阶扭转波T(0，1)在管道完整性检测领域的优势，图4给出了壁厚为3mm，外径为100mm的铝管在0到250kHz内沿着铝管轴向传播的超声导波的群速度频散关系图。可以看到被测管道中沿着轴向传播的导波共有三类：一类是轴对称的纵向导波模态L(0，m)，m为导波的模数(m＝1,2,3，···)，另一类是扭转轴对称的扭转导波模态T(0，m)，还有一类是非轴对称的弯曲导波模态F(N,m)，N为导波的周向阶次(N＝1,2,3，···)。可以看到零阶扭转导波T(0，1)是唯一非频散的导波模态，即其波速不随着频率的变化而发生变化。T(0，1)的非频散特性能够使导波的激励信号的波形和传播速度在传播过程中保持不变，从而提高了检测的距离，降低了信号分析的难度。另一方向，图5给出了零阶扭转导波T(0，1)的波形结构图。可以看到T(0，1)只有周向位移U_θ分量，由于液体不能承受剪切变形，因此扭转导波T(0，1)的能量不会泄露到液体中去，从而可以保证检测距离，这使得T(0，1)非常适合用于检测运输液体的管道。进一步，图5显示了零阶扭转导波T(0，1)的位移分量沿着被测管道壁厚几乎是均匀分布的，这说明T(0，1)波对被测管道表面和内部的缺陷具有相同的探测灵敏度，从而保证了缺陷探测不受缺陷在管壁位置的影响。

实施例一

为进一步说明本发明的压电换能器激励单一模态的零阶扭转导波T(0，1)的有效性，设计了一个用于在壁厚为3mm，外径为100mm铝管激励零阶扭转导波T(0，1)的压电换能器。压电换能器设计中心频率为150kHz，采用汉宁窗调制的五个周期的正弦信号作为激励信号，故工作频带内的最高频率为210kHz。由图4可知，0～210kHz内，弯曲导波F(N,1)的最高周向阶次为31，因此曲面换能板单元的个数为32。曲面换能板单元采用极化后的PZT-5H陶瓷，形状为正方形，上表面边长均为6mm，最小厚度h为1.9mm。柔性基底采用橡胶，长度为314mm，宽为12mm，厚为2mm。为了实验方便，同时制备了曲面换能板单元的数量为12的压电换能器。

图6展示了用制备所得的32个曲面换能板单元的压电换能器作为制动器，用中心频率为150kHz，幅值为20V的电压在壁厚为3mm，外径为100mm铝管上激励T(0,1)的实验结果。信号采用曲面换能板单元的数量为12的压电换能器接收，由于曲面换能板单元的个数低于弯曲导波F(N,1)的最高周向阶次，因此该换能器既能接收扭转波又能接收弯曲导波模态。图6显示本发明所制备的32个曲面换能板单元的压电换能器成功激励出了单一模态、高信噪比的零阶扭转波T(0，1)，没有任何其他的弯曲模态导波被激发。激励点和接收点之间的间隔600mm，从而可以计算本发明的压电换能器所激励的零阶扭转波T(0，1)的波速为3050m/s,与铝管中T(0，1)的理论值3099m/s非常接近。可以看到本发明所激励的零阶扭转波T(0，1)波形与激励信号波形完全一致，没有任何频散。

实施例二

在本实施例中，将实施例一中制备的32个曲面换能板单元的压电换能器作为传感器。

图7(a)展示了用换能板个数为12的压电换能器作为制动器在150kHz激励并用换能板个数为12的压电换能器接收的超声导波信号。可以看到除了零阶扭转导波T(0，1)外，还有弯曲导波模态被激发出来。图7(b)展示了当用本发明制备的32个曲面换能板单元的压电换能器作为传感器时，只有零阶扭转导波T(0，1)被探测到，弯曲导波模态被过滤掉了。这表明本发明可以用作滤波传感器，可以极大的降低接收信号的复杂程度，具有重要的应用价值。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。