實(shí)驗(yàn)名稱：充粘液管道損傷檢測

實(shí)驗(yàn)原理：在管道上的傳感器激發(fā)一束超聲能量脈沖，此脈沖沿著管道長度方向向遠(yuǎn)處傳播，并充斥整個(gè)圓周方向，在導(dǎo)波傳播過程中遇到缺陷時(shí)，入射波會(huì)在缺陷處發(fā)生反射、透射，由同一傳感器接受到入射信號(hào)和缺陷回波信號(hào)，可得到接受到的入射波和缺陷反射回波的時(shí)間差?t。若導(dǎo)波傳播速度C(采用楊氏速度)已知，就可以估算出缺陷的位置。

缺陷的位置可由缺陷反射回波信號(hào)所被接受到的時(shí)間來確定，而缺陷的大小則有缺陷反射回波信號(hào)的強(qiáng)度來確定，當(dāng)缺陷的裂紋越大，導(dǎo)波的缺陷反射回波就大，由此用反射系數(shù)來定量分析缺陷的大小。

圖a實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

首先通過計(jì)算機(jī)編程生成信號(hào)數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送到信號(hào)發(fā)生器，生成實(shí)驗(yàn)所需的原始激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器通過ch1將原始激勵(lì)信號(hào)輸入數(shù)字示波器，又通過ch2將激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)與功率放大器連接的壓電陶瓷環(huán)，使之產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動(dòng)，在管道中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波并在管道中傳播。最后經(jīng)壓電陶瓷應(yīng)變片接收后輸入數(shù)字示波器形成端面回波波形。

超聲導(dǎo)波的管道檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳感器、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一根4米長的鋼管，鋼管外徑為88毫米，壁厚為4毫米。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖a所示。

測試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-M4功率放大器、壓電陶瓷、示波器、鋼管

圖b實(shí)驗(yàn)被測件

實(shí)驗(yàn)過程：本實(shí)驗(yàn)主要的研究內(nèi)容為:(1)研究充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性，并與充水管道和空管中超聲導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行比對(duì);(2)研究充粘性液體管道的超聲導(dǎo)波損傷檢測。在同一個(gè)一根長為4米，外徑為88毫米，壁厚為4毫米的鋼管上進(jìn)行充機(jī)油、充水和空心鋼管實(shí)驗(yàn)。擬定實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1、將壓電傳感器貼在管道上。在管道端部緊貼與管道截面相同的壓電陶瓷環(huán)激勵(lì)導(dǎo)波，離壓電環(huán)10mm處的管道外壁沿周向均布16個(gè)相同規(guī)格的壓電陶瓷片接受導(dǎo)波:沿管道長度方向，每隔25cm處的管道外壁沿周向均布6個(gè)壓電陶瓷片跟蹤記錄導(dǎo)波傳播信號(hào)。

2、將所有實(shí)驗(yàn)儀器連接好后，進(jìn)行完好空管實(shí)驗(yàn)。激勵(lì)信號(hào)的頻率從100KHz到40KHZ每10KHz為間隔測量一次，周期數(shù)為10和20。

3、將管道豎立，向鋼管里注滿水，然后再平放管道進(jìn)行完好的充水管道實(shí)驗(yàn)。如圖3-2-8所示為測量結(jié)束后將鋼管中水放出。

4、將管道再次豎立，向鋼管里注滿機(jī)油，然后再平放管道進(jìn)行完好的充機(jī)油管道實(shí)

5、進(jìn)行有缺陷的充機(jī)油管道實(shí)驗(yàn)。利用鋸弓在距離鋼管端部2m處加工三種缺陷，缺陷分別為環(huán)向1/8圓弧、環(huán)向3/16圓弧和環(huán)向1/4圓弧。對(duì)這三種缺陷分別進(jìn)行超聲導(dǎo)波檢測。然后再將管中機(jī)油放出。

6、進(jìn)行有缺陷的空心管道實(shí)驗(yàn)。

7、進(jìn)行有缺陷的充水管道實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過對(duì)4米長無損傷充機(jī)油管道的超聲導(dǎo)波檢測，研究中心頻率與周期數(shù)對(duì)導(dǎo)波衰減程度、信號(hào)波峰值和單一模態(tài)激發(fā)的影響，來確定用來檢測有缺陷的充粘性液體的管道的超聲導(dǎo)波導(dǎo)波的最佳中心頻率。

在10周期不變的情況下，分別激發(fā)頻率40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz的導(dǎo)波信號(hào)，如圖c至圖i所示。

圖c充油管道在10周期40kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖d充油管道在10周期50kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖e充油管道在10周期60kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖f充油管道在10周期70kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖g充油管道在10周期80kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖h充油管道在10周期90kHz頻率下時(shí)程曲線圖

圖i充油管道在10周期100kHz頻率下時(shí)程曲線圖

由圖c至圖i所示的導(dǎo)波的時(shí)程曲線圖可得到，10周期70kHz頻率導(dǎo)波的端面回波次數(shù)最多為六次，測其傳播距離最遠(yuǎn)，并且激發(fā)出的模態(tài)數(shù)最少，適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測。如圖d所示在10周期50kHz下導(dǎo)波的端面波次數(shù)為六次傳播距離也較遠(yuǎn)，但其激發(fā)出的模態(tài)數(shù)較多，故不適合在充粘性液體管道中超聲導(dǎo)波檢測，當(dāng)周期數(shù)為20時(shí)，其在時(shí)域信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長，波形易疊加，折中取舍，選取10周期的信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

ATA-M4功率放大器是一款理想的單通道放大器。最大輸出345Vrms電壓，400VA功率，可驅(qū)動(dòng)0~100%的阻性或非阻性負(fù)載。輸出阻抗匹配多個(gè)檔位可選，客戶可根據(jù)測試需求調(diào)節(jié)。

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