管道超声导波高灵敏度接收型传感器试验研究

摘要

近年来，超声导波检测技术一直是管道无损检测领域的研究热点。传感器是超声导波检测系统的重要组成部分，接收型传感器的相对灵敏度直接关系到管道中缺陷的检出率。在对实验室环境下粘贴于管道外表面的压电陶瓷片进行封装制作成传感器的过程中，传感器内部的匹配层和背衬层会影响到传感器的相对灵敏度等接收性能参数。因此，研究匹配层和背衬层如何影响传感器相对灵敏度，以研制出高灵敏度的接收型传感器显得尤为重要。
　　本文主要采用试验研究的方法对匹配层和背衬层如何影响接收型超声导波传感器的相对灵敏度等接收性能参数进行了研究，以达到成品接收型传感器不降低甚至提高压电晶片的相对灵敏度的目的。运用所研制的接收型传感器对管道中的人工模拟缺陷进行检测，与PZT-5压电陶瓷片相比传感器表现出较高的相对灵敏度。本文主要研究工作和成果包括：
　　1)结合实际应用，提出了运用传输线法进行传感器接收性能评定的方法，建立了传输线法的试验系统。运用传输线法初步对比了压电陶瓷片（PZT-5型）与新型铁电弛豫单晶体——铌镁酸铅晶体（PMN-PT）的接收性能。
　　2)在分析匹配层的经典设计理论的基础上，提出了超声导波传感器匹配层设计思路，并通过试验的方法对不同厚度的304不锈钢片和有机玻璃作为匹配层对PZT-5接收性能的影响进行了试验研究，试验结果表明厚度为0.15mm的304不锈钢片作为匹配层时PZT-5压电振子的接收性能能够满足相对灵敏度和信噪比等参数的要求。
　　3)通过试验的方法对不同比例的碳化硅、环氧树脂和聚硫橡胶作为背衬层时对传感器接收性能的影响进行了研究，制作了具有匹配层、PZT-5和背衬层的简易传感器，通过传输线法评定了此简易传感器的接收性能。试验结果表明，随着碳化硅比重的增加，简易传感器的相对灵敏度降低；碳化硅的比重低时，传感器接收到的杂波幅值大，信噪比低；当背衬层中碳化硅、环氧树脂和聚硫橡胶的比例达到3:2:1时，简易传感器的接收性能达到标准参数要求。
　　4)通过试验的方法对比了PZT-5压电陶瓷片和PZT-5型压电式超声导波传感器对长度18m管道中截面缺损率20％人工模拟缺陷的检测能力，结果表明此传感器对人工模拟缺陷的相对灵敏度高于压电陶瓷片。
　　总结：运用试验的方法确定了接收型超声导波传感器的匹配层材料及厚度和背衬层材料配比，并制作了超声导波接收型传感器；运用此传感器进行了管道中人工模拟缺陷检测，结果表明此传感器的相对灵敏度高于PZT-5压电陶瓷片。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 压电式超声导波传感器的基本理论

2.1 压电式超声导波传感器的设计理论

2.2 压电式超声导波传感器的性能评定

2.3 本章小结

第3章 压电式超声导波传感器参数分析与设计

3.1 压电式超声导波传感器结构简介

3.2 压电晶片选取

3.3 匹配层的设计与试验

3.3 背衬层试验

3.4 传感器的封装

3.5 本章小结

第4章 压电式超声导波传感器接收管道中L（0,2）模态导波试验

4.1 试验系统建立

4.2 夹具的设计

4.3 L(0,2)模态超声导波激励和接收试验

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果