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超声导波检测仪

/ultrasonic guided wave test instrument/
条目作者沈建中

沈建中

最后更新 2023-06-21
浏览 168
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应用超声导波对波导型工件进行无损检测的仪器。常见波导有板材、棒材和管材等。

英文名称
ultrasonic guided wave test instrument
所属学科
仪器科学与技术

导波理论研究起始于20世纪初,最早见于平板导波的研究。1917年,英国数学家、力学家H.兰姆(Horace Lamb,1849~1934)首次得到自由金属薄板中导波的波动解,后来便以他的名字命名,称为兰姆波(Lamb波)。1958年,美国科学家D.C.加齐斯(D.C.Gazis)研究出无限长自由空心圆柱体中导波传播的理论解。1961年,美国通用电气公司的工程师D.C.沃尔顿(D.C.Worlton)将其应用于无损检测领域。1973年,美国科学家R.B.汤姆森(R.B.Thomson)建立了基于洛伦兹力和磁致伸缩机理的电磁超声兰姆模型,并把电磁超声导波技术应用到金属试件的检测中。中国在1988年以理论分析和实验验证的方式,首次发现了兰姆波在板端面的全反射和全模式转换现象。90年代初,管道导波和棒波被应用于工程结构的无损检测。21世纪,导波检测已成为长输管道完整健康监测的重要技术手段。

具有引导声波传播能力的物体称为声波导,简称波导。被导引传播的声波称为声导波,简称导波。导波在介质中传播时若遇到不连续性(如分层、开裂、孔洞损伤、工件厚度或管道横截面变化等)时,会发生反射、散射、模式转换以及异常衰减等现象。利用这些现象所产生的回波,可以确定和评估波导内的缺陷或其结构出现的异常。

除利用压电换能器外,还可利用电磁声换能器激励导波。电磁声的优点是换能器不需直接与工件接触,缺点是体积较大,灵敏度较低。

导波检测可分为信号激发、信号传播、信号采集和信号分析处理4个过程。

通过选择特定结构的探头和使用合适的激励信号,激发所期望的导波模式,是正确实现导波检测的基础。

导波检测具有检测距离长、检测效率高、检测速度快以及适用缺陷类型多等优点。检测距离一般可长达几十米乃至上百米。适用于对检测面受限的工件进行检测。如地下掩埋管道、高架或带有保温层的管道等,只须提供最小限度的检测面即可实施有效检测,不需暴露全部管道。缺点是导波检测使用的声波频率较低,一般在10~100千赫。有时也使用更高的频率,但探测距离会明显减少。激励导波的方式比较复杂,难以操作,且数据的解释高度依赖于操作人员。不存在适用于各种工件的导波探头,通常要根据工件几何形状、声波频率选择合适的波型模式进行激发。导波存在频散现象,在各向异性复合材料层合板结构中,频散更为严重。兰姆波检测可能会漏检单个的分层缺陷和面积较小的缺陷。

导波检测广泛应用于检测工程结构件,特别是长距离的金属管道。兰姆波主要用来检测厚度与波长相当的薄板材料,还应用于钢轨、棒材和金属平板结构等的检测。棒波和管道导波主要用来检测直径或壁厚与波长相当的棒材和管材。

激励和接收兰姆波常常使用可变角探头或兰姆波专用探头。检测系统主要包括产生激励信号的函数发生器、对接收信号进行放大的信号放大器以及计算机。计算机用于控制函数发生器、处理接收信号和显示得到的检测信号与处理结果。系统如图所示。

兰姆波检测示意图兰姆波检测示意图

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