专利名称：一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于在管道、薄壁细管以及其他空心圆柱结构中激励和接收多模式超声导波的换能器。
背景技术：
超声导波技术能够实现管道等空心圆柱结构的快速无损检测，该技术采用脉冲一回波原理，通过在结构某处布置换能器或换能器阵列即可实现数十米范围内结构的全局检测，效率高，成本低。空心圆柱结构中沿轴向传播的导波有多个模态。以管道为例，如图1所示为内径53mm,壁厚3.5mm的40#钢管中导波在O 150kHz时的群速度频散曲线。从频散曲线可以看出，管道中存在三种不同模式的导波，即轴对称纵向模式L(0，η)，轴对称扭转模式Τ(0，η)和非轴对称弯曲模式F (Μ，η)，其中，M=l，2，3…为周向阶次，η=1，2，3…为模数，每种模式又包含无限个导波模态。为使导波技术能够更好地应用于管道等空心圆柱结构的无损检测，要求换能器或换能器阵列所激励的导波具备三个特征:(I)为便于回波信号分析和处理，希望激励单一模态的导波；(2)导波在结构中是双向传播的，为分辨回波方向进而辨别损伤在换能器两侧的位置，需要激励单一方向的导波；(3)不同模式导波沿管壁的位移分布不同，因而不同模式导波对不同损伤敏感度不同，为最大限度的避免漏检，希望换能器阵列能够方便的激励出不同模式的导波。目前，激励单一模式下的单一单向导波激励装置多采用如下结构形式:(1)多个具有相同结构的换能器通过卡具装置沿管道圆周方向均匀布置组成单环阵列；(2)沿空心圆柱结构轴向布置2或3环具有相同结构的单环阵列组成多环阵列，通过控制各环换能器的激励时间与幅度来抵消所不期望出现的导波模态同时实现单一方向导波的激励。不同模式导波的激励需要由换能器对结构施加不同方向的载荷，然而现有换能器一次安装和激励只能对结构施加单一方向的载荷，利用现有换能器激励不同模式的单一单向导波主要采用两种方法:1、换能器阵列在激励完一种模式的导波后，将卡具上的所有换能器拆卸并旋转90°后重新安装进而激励另一种模式的导波；2、沿结构轴向布置至少5环换能器，依据所需激励的导波模式及激励该模式下的单一单向导波对于换能器环数的要求，设定各环换能器的安装方式以满足激励不同模式的单一单向导波对载荷方向的要求，进而有选择性的激励各环换能器，以实现各单一单向导波的激励。上述方法I给现场检测带来不便，例如对于一套面向24英寸管道检测的换能器阵列，要求单环换能器阵列至少布置56个换能器，若采用最少的2环换能器阵列设计，则实现一次不同模式导波的激励需要将至少112个换能器全部拆卸并重新安装，这将严重影响现场检测的效率。上述方法2由于采用了多环换能器阵列设计，使得换能器阵列结构复杂、体积大、质量重、成本高。例如，若要在24英寸的管道中激励单一单向的纵向模态L(0，2)和扭转模态T (0，I)，则需要5环换能器阵列布 置，共计至少需要280个换能器。
发明内容
本发明的目的是提供一种一次安装可对管道等空心圆柱结构施加多方向载荷并在结构中激励和接收多模式导波的换能器，使换能器阵列一次安装即可在管道等空心圆柱结构中激励和接收不同模式的单一单向导波，同时显著降低换能器阵列的体积、质量及成本。本发明的技术方案是:换能器结构中包括保护垫片、第一剪切型压电晶片、第二剪切型压电晶片、隔离层、硬质背衬壳体、左同轴电缆、右同轴电缆及粘接剂。两剪切型压电晶片在换能器结构中为上下水平布置，振动方向与各自极化方向相一致，且两剪切型压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两剪切型压电晶片之间的隔离层进行电气隔离；所述保护垫片、第一剪切型压电晶片、隔离层、第二剪切型压电晶片、硬质背衬壳体在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通过粘接剂粘接为一体。所述第一剪切型压电晶片极化方向依据换能器在结构表面的安装方式及激励期望模式导波所需的载荷方向灵活选择。为使两剪切型压电晶片在激励接收导波时互不影响，要求两剪切型压电晶片振动模式单一，因此两剪切型压电晶片均采用长方片状，且长厚之比均大于等于20。压电晶片太薄则制作工艺复杂，成本高，压电晶片太厚则其长度越长，换能器体积和质量就越大，同时也难于保证在被检测圆柱结构周向布置足够数量的换能器以抑制不期望出现的导波模态。综合考虑上述因素，所述第一剪切型压电晶片和第二剪切型压电晶片长厚之比均介于2(Γ30之间，第一剪切型压电晶片长度为8 30mm，最好为10 16mm,厚度为0.2 Imm,最好为0.4 0.8mm,宽度为2 4mm ;两剪切型压电晶片正负电极镀银或锡；为方便两剪切型压电晶片正负电极与同轴电缆连接，两剪切型压电晶片下表面负电极均翻边延伸至上表面，第二剪切型压电晶片长度相比第一剪切型压电晶片长度短2 3mm，厚度和宽度与第一剪切型压电晶片相同。所述隔离层采用聚酰亚胺材料，长、宽与第二剪切型压电晶片长、宽相同，厚度介于0.Γ0.5mm之间；隔离层上表面通过所述粘接剂与第二剪切型压电晶片下表面负电极粘接，隔离层下表面通过粘接剂与第一剪切型压电晶片上表面粘接，粘接厚度均介于2(Γ50μπι 之间。 所述保护垫片采用氧化铝硬质陶瓷，长、宽与第一剪切型压电晶片相同，厚度介于0.2 1.0mm之间；保护层下表面与被检测结构接触，上表面与第一剪切型压电晶片下表面负电极通过所述粘接剂粘接，粘接厚度介于2(Γ50μπι之间；保护垫片用作压电晶片与被检测结构的声阻抗过渡及对压电晶片起到机械防护和防止媒质腐蚀的作用。所述硬质背衬壳体为采用不锈钢材料的长方体结构，长度与第一剪切型压电晶片长度相等，宽度大于第一剪切型压电晶片宽度2 4mm，高度为5 10mm ;壳体左右两侧开有两个圆柱形通道，左侧同轴电缆穿过左侧圆柱形通道与第二剪切型压电晶片上表面正负电极连接后用所述粘接剂填充空隙，右侧同轴电缆穿过右侧圆柱形通道与第一剪切型压电晶片上表面正负电极连接后用所述粘接剂填充空隙；硬质背衬壳体用作所述压电晶片在激励信号施加结束后迅速停振，以提高缺陷检测的分辨力。所述粘接剂为钨粉和环氧树脂混合物，按照质量比3:1配比，环氧树脂采用Hysol93960
分别对换能器中的两压电晶片施加导波激励信号，则两剪切型压电晶片会产生彼此正交的振动，且其中一个压电晶片振动时另一个压电晶片不会对其振动能量产生影响，这使得换能器一次安装能够对结构表面施加不同方向的载荷进而激励出不同模式的导波。依据现有公知技术，沿被检测结构轴向布置3环换能器并使换能器对结构施加沿其轴向的载荷，可在被检测结构中激励出低阶的单一单向纵向模式导波，沿被检测结构轴向布置2环换能器并使换能器对结构施加沿其圆周切向的载荷，可在被检测结构中激励出低阶的单一单向扭转模式导波。因此，利用本发明换能器，沿被检测结构轴向总共布置三环具有相同换能器数量及结构的换能器阵列即可实现不同模式单一单向导波的激励。另一方面，沿被检测结构轴向传播的不同模式导波当其主要振动方向与某压电晶片极化方向一致时亦能引起该压电晶片的振动进而产生电压信号用于分析和处理，因此本发明换能器亦能实现一次安装即可接收结构中不同模式的导波。本发明换能器能够在空心圆柱结构中激励和接收不同模式的导波，其用于结构无损检测时具有以下优点(I)换能器一次安装即可对结构表面施加激励不同模式导波所需的不同方向载荷而不需要拆卸、旋转和重新安装换能器，显著提高了现场检测效率；(2)沿被检测结构轴向布置3环换能器阵列即可实现不同模式单一单向导波的激励与接收，与现有5环换能器阵列结构相比，一方面所需换能器数量减少了 2/5，同时也显著降低了换能器阵列的体积、质量和成本。
图1是内径53mm，壁厚3. 5mm的40#钢管中导波在O 150kHz时的群速度频散曲线图。图中横向和纵向坐标分别为频率(kHz)和导波群速度(m/ms)。图2是换能器结构正面剖视图。图中1硬质背衬壳体；2第一剪切型压电晶片；3第二剪切型压电晶片；4保护垫片；5隔离层；6粘接剂；7左圆柱型通道；8右圆柱型通道；9左同轴电缆；10右同轴电缆。图3是基于本发明换能器的管道中激励不同模式单一单向导波的三环换能器阵列示意图。图中11被检测管道；12换能器阵列；13单环换能器阵列。图4是利用本发明换能器在管道中激励单一单向纵向模态导波L(0，2)结果图。图中横向和纵向坐标分别为时间(ms)和接收到的导波信号电压幅度(V)。图5是利用本发明换能器在管道中激励单一单向扭转模态导波T(0，I)结果图。图中横向和纵向坐标分别为时间(ms)和接收到的导波信号电压幅度(V)。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。实施例以管道检测为例，但本发明应用不局限于实施例所举管道结构。期望激励的导波模态为管道检测中常用的轴对称纵向模态导波L(0，2)和轴对称扭转模态导波T(O, I)，但不局限于激励实施例所举导波模态。实施例1.在本实施例中，采用第一剪切型压电晶片2对管道施加轴向载荷以激励L(0，2)模态导波，采用第二剪切型压电晶片3对管道施加切向载荷以激励T(0，I)模态导波，为保证能够在不同外径的管道外壁布置足够数量的换能器以抑制弯曲模态导波，本实施例中的换能器长度方向沿管道轴向布置。换能器结构与设计:如图2所示，为本发明所提供的一种用于对管道等空心圆柱结构施加多方向载荷的换能器，包括保护垫片4、极化方向与振动方向一致的第一剪切型压电晶片2、极化方向与振动方向一致的第二剪切型压电晶片3、用于两剪切型压电晶片电气隔离的隔离层5、硬质背衬壳体1、左侧同轴电缆9和右侧同轴电缆10 ;第一剪切型压电晶片2极化方向沿其长度方向，第二剪切型压电晶片3极化方向沿其宽度方向；保护垫片4、第一剪切型压电晶片2、隔离层5、第二剪切型压电晶片3、硬质背衬壳体I在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通过粘接剂6粘接为一体。为使换能器与被检测管道良好耦合，第一剪切型压电晶片2和第二剪切型压电晶片3均采用长方片状；本实施例中第一剪切型压电晶片2长度为13mm，宽度为3mm，厚度为0.5mm ;第二剪切型压电晶片3长度为10mm，宽度为3mm，厚度为0.5mm ;两剪切型压电晶片正负电极镀锡，为方便接线，两剪切型压电晶片下表面负极均翻边延伸至上表面，上表面负极长度为Imm,上表面正极与上表面负极间距为1mm。保护垫片4采用氧化铝硬质陶瓷，长、宽与第一剪切型压电晶片2相同，厚度为
0.5mm，保护垫片4下表面与被检测结构接触，上表面与第一剪切型压电晶片2下表面负电极通过粘接剂6粘接，粘接厚度介于2(Γ50μπι之间。隔离层5采用聚酰亚胺材料，长、宽与第二剪切型压电晶片3长、宽相等，厚度为
0.2mm,隔离层5上表面通过粘接 剂6与第二剪切型压电晶片3下表面负极粘接，隔离层5下表面通过粘接剂6与第一剪切型压电晶片2上表面粘接，粘接厚度介于2(Γ50 μ m之间。硬质背衬壳体I采用不锈钢材料，形状为长方体结构，长度与第一剪切型压电晶片2长度相等，宽度大于第一剪切型压电晶片2宽度4mm，高度为10mm，硬质背衬壳体I左右两侧开有两个圆柱型通道，分别为左侧圆柱型通道7和右侧圆柱形通道8，通道内径均为2mm,高度均为6mm ;左侧同轴电缆9穿过左侧圆柱形通道7与第二剪切型压电晶片3上表面正负电极连接后用粘接剂6填充满左侧圆柱形通道7与左侧同轴电缆9之间的空隙，右侧同轴电缆10穿过右侧圆柱形通道8与第一剪切型压电晶片2上表面正负电极连接后用粘接剂6填充满右侧圆柱形通道8与右侧同轴电缆10之间的空隙，同轴电缆直径均为1.5_。粘接剂6为钨粉和环氧树脂的混合物，按照质量比3:1配比，环氧树脂为Hysol93960被检测管道11参数:内径53mm,壁厚3.5mm,长度5m,材质40#钢,无损伤,但不局限于实施例所举管道尺寸及材质。导波激励信号参数:由图1频散曲线，L(0，2)导波激励选择了非频散段，即群速度不随频率的变化而变化的80 100kHz，T(O, I)导波激励选择了非频散段的30 35kHz，步频1kHz，激励信号波形采用经汉宁窗调制的10周期正弦信号，压电晶片激励电压峰峰值为 300V。换能器阵列12:在频率IOOkHz处出现的最高弯曲模态阶次为7，因此沿管道11圆周方向共均匀布置8个换能器组成单环换能器阵列13，沿管道11轴向布置具有相同换能器数量和结构的三个单环换能器阵列13组成换能器阵列12，如图3所示；各单环换能器阵列13中的8根左侧同轴电缆9分别并联连接，以使导波激励装置能够分别激励各单环换能器阵列13中的第一剪切型压电晶片2进而对管道施加轴对称的轴向载荷，各单环换能器阵列13中的8根右侧同轴电缆10分别并联连接，以使导波激励装置能够分别激励各单环换能器阵列13中的第二剪切型压电晶片3进而对管道施加轴对称的切向载荷。换能器同样用作接收管道中导波信号的传感器。通过卡具装置对各换能器施加约40N的预紧力使换能器与管道外壁良好耦合。各单环换能器阵列13沿管道轴向的环间距离及激励顺序、幅度、延时时间均采用公知技术，所用导波激励接收装置和安装卡具装置均采用公知技术和设备。位于换能器阵列12中的中间单环换能器阵列13距管道11右端3.1m,距管道11左端1. 9m，利用换能器阵列12激励向其右侧传播的L (0，2)导波，则三个单环换能器阵列13都将被激励，激励向其左侧传播的T(0，I)导波，则需激励换能器阵列12中相邻的两个单环换能器阵列13。80kHz时的L(0，2)导波激励/接收结果如图4所示，由图4检测结果可以看出，右侧管端回波的到达时间约为1. 05s，理论波速为5960m/s，则导波所传播的距离为6. 26m,该距离为处于中间位置的单环换能器阵列13到右侧管端距离的两倍，且在管端回波之前无左侧管端的回波信号，由此可见换能器阵列12激励出了单一单向的L(0，2)模态导波，其他频率时的L(0，2)导波激励/接收结果与图4检测结果类似，在此不再列举。32kHz时的T(O, I)导波激励/接收结果如图5所示，由图5检测结果可以看出，左侧管端回波的到达时间约为1. 2s，理论波速3250m/s，则导波所传播的距离为3. 9m，该距离为处于中间位置的单环换能器阵列13到左侧管端距离的两倍，由此可见换能器阵列12激励出了单一单向的T(O, I)模态导波，其他频率时的T(0，I)导波激励/接收结果与图5检测结果类似，在此不再列举。实施例2.在本实施例中，采用第一剪切型压电晶片2对管道施加切向载荷以激励T (0，I)模态导波，采用第二剪切型压电晶片3对管道施加轴向载荷以激励L(0，2)模态导波，换能器长度方向沿管道轴向布置，第一剪切型压电晶片2极化方向沿其宽度方向，第二剪切型压电晶片3极化方向沿其长度方向；。被检测管道11参数内径206mm,壁厚6. 5mm,长度5m,材质20#钢，无损伤。换能器结构与设计、换能器阵列结构及在管道上的安装位置、所用导波激励信号、激励频率，激励和接收导波方法均与实施例1相同。不同的是换能器阵列12结构中各单环换能器阵列13所包含的换能器数量均为24个。检测结果显示，管道中单一单向的L (O, 2)导波激励/接收结果与图4相同，单一单向的τ(0，I)导波激励/接收结果与图5相同。
权利要求
1.一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，包括保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、第二剪切型压电晶片(3)、隔离层(5)、硬质背衬壳体(I)、左同轴电缆(9)、右同轴电缆(10)及粘接剂(6)，其特征在于；换能器结构中包括了两片上下水平布置的振动方向与各自极化方向相一致的剪切型压电晶片，称为第一剪切型压电晶片(2)和第二剪切型压电晶片(3)，两剪切型压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两剪切型压电晶片之间的隔离层(5)进行电气隔离；所述保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、隔离层(5)、第二剪切型压电晶片(3)、硬质背衬壳体(I)在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通过粘接剂(6)粘接为一体。
2.根据权利要求1所述的一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，其特征在于:所述第一剪切型压电晶片(2)和第二剪切型压电晶片(3)均为长方片状，且长厚之比均为20 30 ;第一剪切型压电晶片(2)长度为8 30mm，厚度为0.2 1mm，宽度为2 4mm ；第二剪切型压电晶片(3)长度比所述第一剪切型压电晶片(2)长度短2 3mm，厚度和宽度与第一剪切型压电晶片(2 )相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，其特征在于:隔离层(5)采用聚酰亚胺材料，长、宽与第二剪切型压电晶片(3)长、宽相同，厚度为0.1 0.5mm。
全文摘要
一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，属于无损检测技术领域。其特征是换能器中包含了两片上下水平布置的振动方向与各自极化方向相一致的剪切型压电晶片，两压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两压电晶片之间的隔离层进行电气隔离。分别对两压电晶片施加激励信号，则换能器能够对被检测结构表面施加激励不同模式导波所需的不同方向载荷，而沿被检测结构轴向传播的不同模式导波当其主要振动方向与某压电晶片极化方向一致时亦能引起该压电晶片的振动进而产生电压信号用于分析和处理。本发明的效果和益处是沿被检测结构轴向一次安装三环换能器阵列即可在结构中激励和接收不同模式的单一单向导波，应用简单，现场检测效率高。
文档编号G01N29/22GK103076402SQ20121059332
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者武湛君, 马书义, 王奕首 申请人:大连理工大学