兆赫茲磁致伸縮超聲導波管道檢測系統(tǒng)的研制

劉秀成，吳 斌，何存富，高 博，徐 秀，馮 歡

(北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

0 引言

超聲導波技術因其具備大范圍檢測能力和較高的缺陷檢測精度等優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外無損檢測領域的廣泛關注和研究［1-2］，并已開發(fā)出相對成熟的檢測系統(tǒng)，逐步應用于管道無損檢測。目前，商用化的超聲導波管道檢測系統(tǒng)主要采用壓電傳感器(Piezoelectric sensor，PZT)［3］或磁致伸縮傳感器(Magnetostrictive sensor，MsS)在被測管道中產(chǎn)生所需的超聲導波，對管道進行缺陷檢測。相比壓電傳感器，磁致伸縮傳感器具有結構簡潔、可實施非接觸式檢測等特點，適用于實際工程檢測［4］。

自由鋼管中T(0，1)模態(tài)超聲導波具有非頻散特性，常被選擇用于管道缺陷檢測。Park等［5］和Kwun等［6］分別利用鎳帶、鐵鈷帶等磁致伸縮帶材作為換能器，在管道中激勵出不同頻率的T(0，1)模態(tài)超聲導波。武新軍等［7］和浙大精益公司自主研發(fā)出磁致伸縮管道檢測系統(tǒng)，但都僅限于低頻范圍(＜300 kHz)。低頻導波在管道中的能量衰減率較小，可傳播距離較遠，適用于大直徑、長距離管道缺陷檢測。在對諸如煤氣立管等小直徑短管結構進行檢測時，通常要求更高的缺陷檢測靈敏度，則需要發(fā)展專用MsS以激勵出更高頻率(如MHz范圍)的扭轉模態(tài)超聲導波。

本研究主要介紹自行研制的磁致伸縮超聲導波管道檢測系統(tǒng)的設計思路、工作原理。設計出分別用于不同工作頻率范圍的磁致伸縮傳感器的基于排線式和柔性印刷式感應線圈，所研制的系統(tǒng)擬應用于實際工程檢測。

1 磁致伸縮超聲導波管道檢測系統(tǒng)

1.1 檢測系統(tǒng)構成

研制的磁致伸縮管道檢測系統(tǒng)主要包括上位機軟件、主機和傳感器等(圖1)。其中，主機包括激勵板卡、內(nèi)嵌有信號調(diào)理模塊的采集板卡、USB傳輸端口以及轉換開關等。檢測時，通過上位機軟件對激勵參數(shù)(頻率、信號周期數(shù)、激勵電壓等)進行設置，控制信號經(jīng)USB端口傳輸至激勵板卡，以產(chǎn)生所需頻率并具有一定周期數(shù)的調(diào)制正弦波脈沖信號，用于激勵磁致伸縮傳感器在管道中產(chǎn)生T(0，1)模態(tài)超聲導波。超聲導波沿管道傳播過程中遇到缺陷或端面產(chǎn)生的反射回波被磁致伸縮傳感器接收，接收信號經(jīng)內(nèi)置的轉換開關控制進入采集板卡。同樣地，由上位機軟件設置的采集參數(shù)可控制采集板卡對信號的采樣率，信號調(diào)理模塊的濾波器帶寬、增益等。經(jīng)采集和預處理的信號由USB端口傳輸至上位機進行波形顯示和存儲。

圖1 磁致伸縮超聲導波管道檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the magnetostrictive-based guided wave inspection system for pipeline

1.2 兆赫茲扭轉模態(tài)磁致伸縮傳感器

用于在管道中激勵扭轉模態(tài)超聲導波的磁致伸縮傳感器主要包括磁致伸縮帶材和感應線圈［5］。感應線圈通常采用正反交替方式進行繞制，傳感器的中心頻率f與感應線圈中相鄰兩組線圈的間距d滿足公式d=Vp/(2f)，其中Vp是管道中頻率為f的T(0，1)模態(tài)的相速度。本實驗鋼管有2種:直徑D=90 mm，壁厚h=4 mm;直徑D=32 mm，壁厚h=1.5 mm，圖2為鋼管中扭轉模態(tài)的相速度頻散曲線［8］。

圖2 鋼管中扭轉模態(tài)相速度頻散曲線Fig.2 Phase velocity dispersion curves of torsional mode in steel pipe

上述2種管道中T(0，1)模態(tài)的相速度值接近，約為Vp=3 260 m/s。因此，當傳感器中心頻率f設計為128 kHz和1 MHz時，計算得出感應線圈特征參數(shù) d分別為12.7、1.36 mm。目前發(fā)展的磁致伸縮系統(tǒng)一般工作于低頻范圍(＜300 kHz)，其感應線圈常采用排線(Flat flexible cable，F(xiàn)FC)結構，經(jīng)適配器連接扣合后安裝在管道表面(圖3a)。排線式感應線圈易于現(xiàn)場安裝和拆卸，為檢測系統(tǒng)的實用化奠定了重要基礎。

高頻傳感器的發(fā)展可拓展磁致伸縮傳感器的工作頻率范圍，以提高對小缺陷的檢測靈敏度。在管道中激勵出兆赫茲范圍的扭轉模態(tài)超聲導波，也有助于研究更高階模態(tài)(如T(0，2)模態(tài))的傳播特性。當需要在管道中激勵出兆赫茲(頻率f＞1 MHz)扭轉模態(tài)超聲導波時，感應線圈的結構參數(shù)應滿足d≤1.63 mm。

圖3 扭轉模態(tài)磁致伸縮傳感器Fig.3 Magnetostrictive sensors for torsional guided wave in pipes

低頻傳感器所采用的排線結構，由于尺寸精度低和在d≤1.63 mm范圍內(nèi)線圈匝數(shù)有限，用作兆赫茲傳感器的感應線圈時，難以實現(xiàn)對中心頻率的精確控制，同時激勵能量也較弱。柔性印刷線圈(Flexible printed coil，F(xiàn)PC)具有良好的可設計性，微米級的尺寸精度，同時內(nèi)部印刷銅線間距小于排線結構，適合用于兆赫茲磁致伸縮傳感器的感應線圈［9］。

為將柔性印刷線圈應用于管道中兆赫茲扭轉模態(tài)超聲導波的激勵和接收，設計出頻率特征參數(shù)為d=1.2 mm的柔性線圈，計算其中心頻率f約為1.358 MHz。線圈采用蛇形布線方式，內(nèi)部銅線依照正反交替繞制形式印刷于電路基板上，在使用時無需再配置專用的適配器，簡化了傳感器結構。安裝時只需卷曲柔性線圈使其貼覆在磁致伸縮帶材表面(圖3b)。

2 實驗測試

2.1 低頻MsS實驗檢測

為測試磁致伸縮導波管道檢測系統(tǒng)的檢測性能，選用圖3a所示128 kHz的線圈適配器，傳感器安裝于長為6 m的鋼管(D=90 mm，h=4 mm)右端部，在管道中激勵出128 kHz，T(0，1)模態(tài)超聲導波對管道中的通孔缺陷進行檢測。通孔缺陷加工于距離鋼管右端5 m處(圖4)，缺陷處的截面缺失率大約為3%。

圖4 管道中缺陷位置Fig.4 Location of the defect in the pipe

傳感器工作于自激勵自接收模式，接收信號如圖5所示，圖中只給出了傳感器接收到的前2次缺陷回波和端面回波，可以看出，傳感器工作于128 kHz時，磁致伸縮導波管道檢測系統(tǒng)可有效檢測出截面缺失率約為3%的通孔缺陷，且檢測信號具有較高的信噪比和辨識度。

圖5 對管道中通孔缺陷的檢測實驗信號Fig.5 Waveform of signal reflected from a through-hole flaw in pipe

2.2 兆赫茲MsS實驗測試

為測試所設計的柔性印刷線圈在管道中激勵出兆赫茲扭轉模態(tài)超聲導波的性能，將基于FPC的MsS安裝于一根長為0.82 m的鋼管(D=32 mm，h=1.5 mm)左端部。

由于設計的FPC式MsS的理論計算中心頻率為1.358 MHz，在此頻率點附近對傳感器進行掃頻實驗，掃頻范圍為1.1～1.6 MHz，掃描步長為50 kHz。傳感器激勵的超聲導波將沿管道向左右兩側傳播，遇到端面后發(fā)生反射再被傳感器所接收。圖6a示出了典型的傳感器接收信號，此時傳感器的激勵頻率為1.3 MHz。從圖6a中可明顯分辨出第1次右端面回波，但第2次端面回波幾乎難以分辨。2次回波對應的空間傳播距離相差約1.6 m，與圖 5 中 128 kHz，T(0，1)模態(tài)導波傳播經(jīng)過24 m后端面回波依然清晰可辨的情形相比，表明兆赫茲T(0，1)模態(tài)的能量衰減率遠大于低頻范圍。因此，兆赫茲MsS更適合用于小直徑短管結構的高精度缺陷檢測。

圖6 柔性印刷線圈式MsS性能測試結果Fig.6 Performance test result of FPC-based magnetostrictive sensor

此外，第1次端面回波中包含2個子波包，這是由于傳感器雖然安裝于左側端部，但傳感器中心距離左側端部仍有一定的軸向距離，約為25 mm，當傳感器激發(fā)的超聲導波往兩側傳播時，先到達的子波包代表從傳感器中心直接向右傳播的導波遇到右端面后的反射回波信號;后到達的子波為先向左傳播，遇左側端部反射后再傳播至右端面，經(jīng)二次反射后被傳感器所接收的反射回波信號。

圖6b為圖6a所示時域信號的短時傅里葉變換結果。為便于分析，圖6b中畫出了所用管道中T(0，1)和 T(0，2)模態(tài)的群速度頻散曲線，分別用實線和虛線表示。從時頻分析結果可以看出，傳感器激勵的超聲導波成分中以T(0，1)模態(tài)為主，能量主要集中于1.3 MHz頻率附近，也即所設計的FPC式MsS可在管道中激勵出兆赫茲T(0，1)模態(tài)超聲導波。

提取掃頻實驗所有接收信號中第1次端面回波的幅值，并做歸一化處理，處理結果與激勵頻率的關系曲線繪制于圖7?？梢钥闯?，該柔性線圈式MsS的中心頻率在1.3 MHz附近，以歸一化結果中最大幅值的6 dB對應的上下限頻率差計算傳感器的帶寬范圍，由此得到傳感器的頻帶范圍約為350 kHz。

圖7 柔性印刷線圈式MsS的中心頻率測試結果Fig.7 Test result of central frequency of the FPC-based magnetostrictive sensor

綜上所述，所設計的柔性印刷線圈式磁致伸縮傳感器可在管道中激勵出頻率大于1 MHz的T(0，1)模態(tài)超聲導波，且傳感器的設計中心頻率與實際測試結果較為吻合。

3 結論

1)利用排線式低頻傳感器激勵出128 kHz、T(0，1)模態(tài)超聲導波，對管道中截面缺失率為3%的通孔缺陷的檢測結果表明，該檢測系統(tǒng)具有良好的缺陷檢測能力，檢測信號具有較好的信噪比和辨識度等;

2)設計的柔性印刷線圈式磁致伸縮傳感器在管道中成功激勵出兆赫茲T(0，1)模態(tài)超聲導波，傳感器的測試中心頻率可達1.3 MHz;

3)柔性印刷線圈內(nèi)部銅線印刷后自動滿足交替繞制的工作方式，無需再配置專用適配器，有望代替排線作為磁致伸縮傳感器的新型感應線圈，在管道中激勵高頻扭轉模態(tài)超聲導波。

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