[发明专利]一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器

说明书

技术领域

本发明属于超声导波无损检测领域，可在管道中激励T(0,1)模态，并对管道进行无损检测。 

背景技术

超声导波技术具有高效、快速和大范围缺陷检测的能力，可以对板、管和杆结构材料进行无损检测，因此超声导波技术广泛应用于多类工程结构的无损评价和健康监测。其中，使用轴对称的纵波模态和扭转波模态的导波方法可以实现管道的快速、高效的检测，尤其是在管道中激励的T(0,1)模态。T(0,1)模态的波包结构简单，而且具有非频散特性，这便使其入射信号能够在传播过程中保持信号波形，传播更长的距离而有小的衰减。相比较纵波模态，纵波模态在管道中传播时，其质点振动方向沿着波的传播方向，这便使得纵波几乎不会与管道中的轴向缺陷发生反射、折射现象。扭转模态在管道中传播时，质点振动方向与传播方向垂直，使得其检测沿着波传播方向的缺陷成为可能，也因为此，T(0,1)模态是当前研究的热点。然而在管道中难以快捷、有效的激励T(0,1)模态，限制了其在工程领域的应用，因此需要设计一种安装方便，而又能够有效激励T(0,1)模态的传感器，对工程结构进行无损评价及健康监测，使其更具有工程应用价值。 

在管道中激励T(0,1)模态，主要有两类传感器，一类是压电传感器(Piezoelectric transducers,PZT)，另一类是磁致伸缩传感器(Magnetostrictive sensor,MsS)。针对压电传感器，国外学者研究的较早，使用其激励T(0,1)模态，研究比较成熟的是D.N.Alleyne2001年，在《AIP Conference Proceedings》上发表《Rapid,long range inspection of chemical plant pipework using guided waves》中设计制造的新型传感器阵列，阵列由两组通过干耦合方式安装的压电探头组成，压电探头为长度伸缩型，在管道上可以激励出方向单一的扭转模态。这种压电传感器激励T(0,1)模态没有使用耦合剂将压电片粘贴在管道上，而是使用夹具使得压电材料可以和管道紧密配合。但此方法使用夹具预紧压电片很容易导致预紧力不均匀，对有效产生信噪比高，激励效果良好的T(0,1)模态存在一定影响。 国内学者对使用压电传感器激励T(0,1)模态同样进行了研究，发表的文献主要包括刘增华2006年，在《仪器仪表学报》的《扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究》，在激励扭转模态时，利用敏感元件的物理特性，在充水管道中激励了T(0,1)模态，并实现了缺陷检测。但是在使用敏感元件的物理特性激励扭转模态的同时，就意味着敏感元件和冲水管道需要接触并耦合良好，这就造成了在使用时安装较复杂，不利于现场的快速检测。