CN201107299Y - 一种高性能管道超声导波检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高性能管道超声导波检测传感器，主要用于管道缺陷检测，进而实现对管道缺陷性能评估和管道缺陷定位分析，属于无损检测技术领域。本装置包括有外壳(4)和设置在外壳内的压电片(1)、射频插头(5)和浇铸在压电层(1)上表面的背衬层(7)，压电片为下表面覆着正电极(2)并上表面覆着负电极的PZT压电陶瓷片，正电极通过正极引线与安装在外壳上的射频插头上的正极连接，其负电极与外壳内壁粘接，在压电层的下表面粘贴有匹配层，所述的外壳的下表面加工为梯面。本实用新型使用的结构可以使激励信号更充分地进入管道材料，接收信号更充分地进入传感器，所以可以检测到传统传感器所未能检测到的较长距离管道的缺陷。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高性能管道超声导波检测传感器，主要用于管道缺陷检测，进而实现对管道缺陷性能评估和管道缺陷定位分析，属于无损检测技术领域。
背景技术
管道运输已成为继铁路、公路、水路、航空运输以后的第五大运输工具，它具有运输量大、连续、经济和安全等优点。随着管道长时间的运行磨损、自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏故障时有发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的潜在威胁，同时也会造成贵重资源的浪费。定期进行管道缺陷检测进而对缺陷做出正确的评估，是避免管道泄漏故障发生的一种手段。目前，用于管道系统检测的技术有很多，常规的检测技术大致有5种：超声、射线、磁粉、渗透和涡流技术。这些常规技术的特点是逐点扫描、检测速度比较慢、需要剥离管道的外包层等，并且一些技术都不能在线检测。
近年来，随着超声导波技术应运而生，利用超声导波技术可以对管道进行经济、方便、有效的检测。目前，在国内应用超声导波技术进行管道缺陷检测，使用最广泛的是压电片环。压电片环和压电传感器环对管道缺陷检测已收到一定的效果，但同时也存在很多缺点：压电片环是将压电片直接粘贴在管道表面，即每检测一次就得粘贴一次，而且粘贴于管道表面的压电片将不可以实现拆装重复使用，这种缺点使压电片环只局限于实验室研究阶段，无法应用到实际工程中去。现有压电传感器环虽然实现了可以拆装、使用方便的特征，但是其性能无法体现超声导波具有检测长距离管道的优势，即无法检测到较长距离管道所潜在的缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的是研制高性能管道超声导波检测传感器，即可以实现传感器拆装方便、又可以检测长距离管道，克服已有传感器的不足，对管道缺陷进行全面的检测，进而实现对管道缺陷性能评估和管道缺陷定位分析。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。包括有外壳4和设置在外壳4内的压电片1、射频插头5和浇铸在压电层1上表面的背衬层7，所述的压电片1为下表面覆着正电极2并上表面覆着负电极3的PZT压电陶瓷片1，正电极2通过正极引线8与安装在外壳4上的射频插头5上的正极连接，其负电极3与外壳2内壁粘接，在压电层1的下表面粘贴有匹配层6，所述的外壳4的下表面加工为梯面。
所述的匹配层6为声阻抗介于压电陶瓷和被测管道声阻抗之间的硬质陶瓷片。
本传感器为收发一体的传感器，其下表面加工为梯面，配套传感器夹具使用，使传感器的压电元件更充分地与管道接触，与传统的下表面为平面的传感器进行实验比较，本实用新型使用的结构可以使激励信号更充分地进入管道材料，接收信号更充分地进入传感器，所以可以检测到传统传感器所未能检测到的较长距离管道的缺陷。
附图说明
图1超声导波传感器结构示意图
图中：1、PZT压电片，2、正电极，3、负电极，4、外壳，5、射频插头，6、匹配层，7、背衬层，8、引线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步详述。
如图1所示，本实施例提供的高性能管道超声导波检测传感器包括有压电元件、匹配层6、浇铸于压电元件上的背衬层7、外壳4以及安装在外壳4内的射频插头5。的压电元件为下表面覆着正电极2并上表面覆着负电极3的PZT压电陶瓷片1。外壳4为内部留有圆柱形插槽的立方体，下表面加工为梯面，并且留有用于放置压电片1和匹配层6的长方形的槽。外壳1内部的圆柱形插槽尺寸与安装在外壳4内的射频插头5尺寸相符，外壳4的下表面长方形槽尺寸与压电片1的尺寸相符。所述的PZT压电片1下表面紧密粘贴于匹配层6，侧面紧密连接在外壳下表面长方形槽内，其正电极2通过正极引线8与安装在外壳4上的射频插头5上的正极连接，其负电极3与外壳2内壁粘接，背衬层7浇铸于压电片上。
本实施例的PZT压电片1作为压电换能元件，起着超声导波激励与接收的双重作用，为本传感器的最重要元件，其性能优劣直接决定传感器功能的好坏。设计中主要需考虑的参数是压电片的形状尺寸及覆于其表面的电极形状尺寸，本实用新型选择压电片的尺寸为13mm×3mm×0.4mm(长×宽×高)，压电片1上电极的尺寸与压电片尺寸相同。
本实施例的外壳4采用不锈钢材料加工，设计为长为14mm，宽为12.5mm，高为14mm内部留有圆柱形插槽的立方体，下表面加工为梯面，并且留有用于放置压电片1和匹配层6的长方形槽，长方形槽的大小为14mm×3mm×1mm。
当压电元件受到电脉冲激励时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射。来自前方的回波信号中包含着被检材料的信息，但是从后面反射来的干扰杂波增加了接收信号的复杂性，给实际检测带来了很大困难，这一部分杂波信号需要消除，因此在超声探头设计中增加了背衬层7。此外，如果没有背衬层，压电元件受电激励而振动，当电脉冲停止激励后，压电元件却不会立即停止振动，而是要持续一段时间后才会停止。这样，脉冲-回波持续时间也会很长，使探头的分辨力下降。背衬层的另外一个作用就是使激励脉冲停止后，压电元件能瞬间停振，这样接收到的脉冲宽度比较小，可以提高探头的分辨力。
本实施例中的背衬层7采用环氧树脂和钨粉混合固化剂按质量为2∶1的配比配制，使用的是WSR6101环氧树脂和T31环氧树脂固化剂。正电极引线8采用Φ0.2漆包线，探头的激励及接收信号通过射频插头5与其他仪器连接。
考虑到压电陶瓷片比较脆，在受到较大的外力，如挤压时会使压电陶瓷断裂或破碎；其次考虑到阻抗匹配，为了使激励出的超声导波能够最大限度的进入管道中，就要求保护层能够最大限度地透射声波，减少层内损失。本实施例的匹配层6采用声阻抗介于压电陶瓷和被测管道声阻抗之间的硬质陶瓷片。
本传感器在实际应用中与传感器夹具配套使用，与其他仪器组成测量系统，一组传感器放入传感器夹具中固定于管道周向，函数发生器发出激励信号使传感器产生超声导波，入射材料表面产生回波并反射回传感器被接收，波形由示波器显示，数据由计算机采集进行后续处理并分析判断管道缺陷，经过与国内同类传感器进行对比实验，可以检测到较长距离管道的缺陷。
本实用新型不仅成本低廉，更使检测的重复性和操作性得到了有效的提升，克服已有传感器的不足，对管道缺陷进行全面的检测，进而实现对管道缺陷性能评估和管道缺陷定位分析。
Claims (2)
1、一种高性能管道超声导波检测传感器，包括有外壳(4)和设置在外壳(4)内的压电片(1)、射频插头(5)和浇铸在压电层(1)上表面的背衬层(7)，所述的压电片(1)为下表面覆着正电极(2)并上表面覆着负电极(3)的PZT压电陶瓷片(1)，正电极(2)通过正极引线(8)与安装在外壳(4)上的射频插头(5)上的正极连接，其负电极(3)与外壳(2)内壁粘接，在压电层(1)的下表面粘贴有匹配层(6)，所述的外壳(4)的下表面加工为梯面。
2、根据权利要求1所述的一种高性能管道超声导波检测传感器，其特征在于：所述的匹配层(6)为声阻抗介于压电陶瓷和被测管道声阻抗之间的硬质陶瓷片。
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