基于壓電陶瓷傳感器的應力波傳播試驗

劉瑜　(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

查春光　(北京新京潤房地產有限公司，北京 100022)

基于壓電陶瓷傳感器的應力波傳播試驗

劉瑜(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

查春光(北京新京潤房地產有限公司，北京 100022)

[摘要]為研究應力波在管道中的傳播特性,了解應力波在管道傳播中其能量變化與傳播距離之間的關系,并驗證壓電陶瓷材料應用于應力波管道檢測的可行性,以粘貼在管道上的壓電陶瓷片作為信號激勵器或接收器,通過監測不同位置處壓電陶瓷接收器的輸出電壓,計算出各接收器輸出電壓的峰值。引入衰減指標這一概念作為應力波因子,并利用小波包能量法計算出應力波衰減指標,分析應力波衰減指標與傳播距離之間的關系。研究結果表明,應力波在管道中傳播時,距離激勵器越遠的接收器所接收到的應力波電壓峰值越小,應力波能量衰減指標越大,說明隨著應力波傳播距離的增大,應力波能量不斷減小,出現衰減。

[關鍵詞]壓電陶瓷;管道;應力波;衰減特性

管道[1]以其獨特的優勢迅速發展，成為繼鐵路、公路、水路和航空運輸之后的第五大物質運輸工具，在石油、化工、天然氣和食品工業等方面發揮著巨大的作用。隨著管道運營時間的增長，管道老化受損等問題日益突出，維護管道的安全運行，防止管道生產事故發生，已成為管道工業生產和安全部門的一項重要工作。因此，如何檢測管道的健康狀態也成為國內外專家的研究熱點，管道無損檢測技術[2]也由此悄然興起。常見的管道無損檢測技術包括渦流法、射線法、超聲法、磁粉法、滲透法、漏磁法以及超聲導波等。導波技術[3]由于其具有檢測效率高、速度快和檢測整個管道壁等優勢，在各種結構的無損檢測方面得到了快速發展和廣泛應用，但在檢測過程中存在使用何種傳感器產生導波，對管道健康檢測過程影響有多大等問題。近年來，智能材料與導波技術的結合成為結構無損檢測技術的一大新發展，壓電陶瓷材料[4]具有傳感和驅動于一體，響應速度快、線性關系好、耗能低、價格低廉且易加工成型等優點，可將其制作成具有信號發射與接收雙重功能的傳感器，適用于結構無損監測領域。下面筆者探討利用壓電陶瓷片作為激勵器和接收器進行管道應力波傳播試驗的可行性。

1應力波傳播原理

傳播導波的介質為波導，管道就是一種常見的空心圓柱形波導[5]。彈性波[6]具有一定的傳播速度或走向曲線，有一定的傳播路徑即射線，在界面會出現發射、折射與波形變換等現象，從而改變其射線方向(傳播路徑)，這稱為波的運動學特性。而且彈性波還具有一定的振幅、波形、激化方向、能量和頻譜，在相互疊加時可能會出現干涉現象，在傳播過程中可能出現幾何發散現象，介質有時會出現能量吸收的現象，在界面上反射、折射與轉換時強度會發生變化，這成為波的動力學特性。在某些情況下，彈性波還會出現頻散特性，即波速為頻率或波數的函數。頻散現象只對非正弦波有意義，因為它所包含的多種頻率的正弦波在傳播過程要改變其形態。

根據彈性動力學理論，各向同性的彈性介質中，導波的運動方程為：

(1)

圖1　PZT1作激發器時應力波傳播示意

式中，λ、μ為拉姆常數；u為位移向量；ρ為介質的密度。

假設管材是軸對稱、無限長的，材料特性是均勻的，橫向各向同性的線彈性體，并且假設管材的周圍介質是真空。應力波[7]在鋼管傳播過程中，其能量出現衰減，如材料不均勻產生的散射衰減，介質質點間的內摩擦產生的吸收衰減，因傳播距離的增大產生的擴散衰減等，均會造成應力波能量的損失。其中，對于無損管道來說，由于傳播距離而引起的應力波能量的衰減具有隨距離的增大而增大的趨勢。

如取PZT1作為激發器，依次PZT2、PZT3、PZT4、PZT5作為接收器。以部分鋼管為例，圖1為應力波在管道橫向方向上的傳播示意圖，圖1中W2、W3分別代表接收器PZT2、PZT3處的應力波。根據能量守恒原理有：

E2=Ei+ED(i=3,4,5)

(2)

式中，E2、E3、E4、E5分別為相應接收傳感器接收的應力波能量；ED為由于傳播距離增大所造成的能量損耗。

在激發器位置不變時，應力波在傳播過程中，傳播距離的增大，接收器接收到的應力波信號會有所變化，即ED會產生并有大小的變化。筆者在波能量傳播理論的基礎上，從試驗的角度考慮由外貼在鋼管壁的壓電陶瓷所接收到的應力波能量隨接收器之間的距離的變化情況，對管道應力波傳播特性進行分析。

2衰減指標計算

采用小波變換[8]將不同位置處接收傳感器的監測信號進行分解，S為含有n個采樣點的接收信號，s為S經過N層小波包分解重構后得到的各頻帶的子信號，則：

s=s1+s2+…+s2N-1+s2N

(3)

文獻[9]定義了信號經過小波包分解后得的信號中各頻帶子信號的能量的向量:

E1={e1,e2,e3,…,e2N-1,e2N}

(4)

式中，e為個頻帶子信號的能量，且:

(5)

式中，xk為S分解重構之后得到的各頻帶信號中的數據點，S經過小波包分解后所得到的向量E1中的各個點的和，即應力波能量為:

(6)

采用小波變換可以得到一種無量綱的信號計算方法，能夠很好地描述不同傳感器處信號能量大小關系。以小波包信號分解得到小波包能量值作為變量，利用上述數學計算方法，計算出橫向距離上的2個接收傳感器信號之間的數學值，將其定義為衰減指標I。

如以PZT1作為激發器，PZT2、PZT3、PZT4、PZT5作為接收器，通過小波變換得到接收器接收到信號的能量值分別為E1-2、E1-3、E1-4、E1-5，從而得到的小波包能量指標，即衰減指標:

(7)

式中，a、b分別代表2個接收器小波包分解后得到的能量值，且參考點為一定的接收傳感器的能量值，如PZT2處接收信號的能量值為E1-2，即以E1-2作為參考點。

3試驗設計

為了了解應力波在管道中的傳播特性，進行了無損管道中的應力波傳播試驗。截取一段Q235無縫鋼管作為試驗模型，試件長為1000mm，外徑為100mm，內徑為90mm，管壁厚度為10mm。試驗選用PZT-5H壓電陶瓷傳感器作為激勵器和接收器，傳感器的主要性能參數見表1，管道示意圖與PZT傳感器的布置情況如圖2所示。

表1　PZT-5H主要性能參數

圖2　管道示意圖及傳感器的布置圖

圖3　試驗現場及試驗裝置

試驗系統是由Agilent33120A任意波形發生器、NIUSB-6363采集卡、PC、PZT-5H型壓電陶瓷片、管道和試驗臺座構成，試驗現場及裝置如圖3所示。在進行試驗之前，將PZT粘貼在無縫鋼管的表面，PZT分布情況如圖2所示，并進行防水處理。利用Agilent33120A產生的正弦波激勵信號進行掃頻，確定管道的敏感區間，然后利用正弦波進行激勵，試驗選擇的激勵頻段為60~200kHz。按照管道的橫向方向，從左到右于5個傳感器中依次選取一個作為信號激勵器，其余的4個傳感器作為應力波信號接收器，記錄無損管道內同一激勵器下不同接收器采集的應力波信號。如在第1次試驗中，將PZT-1作為信號激勵器，將PZT-2、PZT-3、PZT-4和PZT-5作為接收器接收應力波信號，進行第1次信號采集，依次變化激勵器和接收器的位置，完成試驗信號的采集。最后，利用LabView軟件作為平臺自編程序進行數據分析和處理，得到接收傳感器的應力波電壓信號。

4試驗結果與分析

圖4　傳感器PZT-4、PZT-3、PZT-2和PZT-1 接收應力波信號結果

4.1　應力波傳播試驗結果

為了解無損管道內的傳播規律，進行了無損管道應力波傳播試驗。為便于討論，現將每次信號激勵器與接收器的相互關系用符號X-Y-Z表述，其中，X代表試驗次數，Y代表激勵傳感器的編號，Z代表接收傳感器的編號，如1-1-3表示第1次試驗下傳感器PZT-1作為激勵器，傳感器PZT-3所接收到的應力波信號。由于試驗數據圖形過多，現對第5次試驗，即PZT-5作為激勵器下PZT-1、PZT-2、PZT-3和PZT-4作為接受器采集的應力波信號進行試驗分析，接受信號周期為1s。圖4所示繪制了傳感器PZT-1、PZT-2、PZT-3和PZT-4在0~1.0s內應力波信號。從圖4中可以看出，隨著PZT接受傳感器與PZT激勵傳感器距離的增大，PZT傳感器接收到的應力波信號強度減弱，峰值電壓明顯下降。

4.2　衰減指標

隨著應力波檢測技術的發展，應力波的計算與分析方法越來越多，常見的應力波信號分析方法[9]有如譜分析、逆譜分析和統計分析法；也可以采用逆映射理論、神經網絡理論、重構理論和同態分析等技術?，F采用小波變換與Matlab軟件[10]相結合，對壓電陶瓷傳感器所接收的信號進行分析，并建立基于小波包能量下的衰減指標，探討應力波在管道中的傳播規律。

基于1-1-2、1-1-3、1-1-4、1-1-5信號建立小波包能量衰減指標，如圖5(a)所示；基于5-5-4、5-5-3、5-5-2、5-5-1信號建立小波包能量衰減指標，如圖5(b)所示。從圖5(a)、圖5(b)中可以看出，隨著接收點到激勵傳感器距離的增加，應力波能量衰減指標逐漸增大，說明應力波在管道中傳播的能量逐漸衰減。

5結論

筆者利用壓電陶瓷作為傳感器激勵和接收信號，對應力波沿無縫鋼管外壁軸向傳播進行了試驗研究，得到以下主要結論：

1)試驗利用小波包能量法對信號進行分析，得到應力波傳播能量衰減指標，應力波能量衰減隨著傳播距離的增大呈現出增大的趨勢，說明在應力波沿鋼管傳播過程中，能量會出現衰減。

2)利用壓電陶瓷片作為傳感器，依靠其自身特有的壓電效應的性質，將復雜的應力波動力特性以電壓的形式表示出來，并引入能量衰減指標作為應力波因子，更能直觀簡潔表現出應力波在管道傳播中的特性，對于缺陷管道中應力波的傳播特點有一定的參考價值，也能較好的證明壓電陶瓷片作為信號激勵和接收器用于管道無損檢測的可行性。

3)由于試驗限制，未過多考慮頻率變化對應力波的影響，信號頻率較低，為了達到檢測目的，需對激勵信號頻率進行優化。

[參考文獻]

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[10]張德豐.Matlab小波分析[M].北京：機械工業出版社，2009.

[編輯]計飛翔

[引著格式]劉瑜，查春光.基于壓電陶瓷傳感器的應力波傳播試驗[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(28)：30~33.

[中圖分類號]TU317+.9

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)28-0030-04

[作者簡介]劉瑜(1990-)，女，碩士生，現主要從事鋼管混凝土結構及其檢測方面的研究工作；E-mail:379805301@qq.com。

[基金項目]湖北省教育廳科技計劃重點項目(D20131205)；中國石油創新基金項目(2011D-5006-0605)。

[收稿日期]2015-06-05