[发明专利]一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器

说明书

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－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0～150kHz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,n)，轴对称扭转模式T(0,n)和非轴对称弯曲模式F(M, n)，其中，M=1,2,3…为周向阶次，n=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：(1) 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1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(0,1)，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。