导波模式

2024-08-19

导波模式（精选7篇）

导波模式篇1

引言

在光电材料研究领域中,左手材料(Left-handedMaterials,LHM)目前是一种重要的新型功能材料。在某一特定的频段,其本身的磁导率ε和介电常数μ均为负值,故左手材料称为双负材料,也称为负折射材料(负材料)。光波在右手材料中传播时,坡印廷矢量和能量传播具有相同的方向,波矢量和相速度的方向相同[1]。在左手材料中的波矢量和坡印廷矢量的方向相反,电矢量、磁矢量和波矢量三者之间构成左手螺旋关系。电磁波在左手材料中传播的能量和相速度是反向的,波前传播方向指向波源,故左手材料也被形象地称为回波材料。

左手材料源于前苏联物理学家V.G.Veselago(维塞拉哥)于1968年提出的假想[2,3]。左手材料作为承载电磁波的媒质具有很多新颖的传输特性[4,5],诸如负折射现象、反常的切伦科夫辐射、逆多普勒效应、完美透镜等奇异的光学特性[6,7]。Smith等人在最近几年内,利用周期性排列的开口环形谐振器和金属丝来实现左手材料[8,9],这对左手材料的开发和应用是一个很大的进步。至今,左手材料在光通信、功能材料、光波导器件研制等多个领域内已经成为一个很热的研究课题。

含左手材料的光波导可以制作可调谐滤波器,可以支持不同模式的激光器和滤波器,可以用来设计新型的调制器,可以实现超薄光波导[10,11,12,13,14,15]。与右手材料光波导相比,其具有很多新颖的导波特性,对高品质导波模式的选择有着重要的决定作用,在波导中有望实现表面导模的导波,在波导领域具有潜在的应用价值。

1理论方法

1.1衰减系数α、导波系数k⊥、传播常数β之间的关系

在TE极化情况下,研究金属-左手材料三层平板波导导波模式和表面波的特性,设计的模型如图1所示。

图1金属-左手材料三层平板波导结构和参数Fig.1Thestructureandparametrsofmetal-left-handed materialthreelayersymmetricslaboptical waveguide

三层平板波导一般由三种功能不同的平板材料在空间堆叠而成的,其中上一层是覆盖层,中间一层是宽度为L的芯层 (在满足导波条件时称为导波层),下底层称为衬底层。其中覆盖层、衬底层在z轴的方向上是半无限空间,芯层在y轴方向是无限区域。覆盖层和衬底层均为半无限的金属层,即两个衰减层,具有相同的介电常数和磁导率(εM<0、μM=1)。图中包裹层与芯层之间有I、II界面,芯层厚度L=2d,介电常数和磁导率均为εL<0,μL<0。平板波导的介质是导光无损耗、各向同性、非磁性的无源材料。

图1中,左手材料内部为导行波存在的空间。光波能流在覆盖层和衬底层内分别沿轴正负方向上都是成指数规律衰减的。三个区域的电场分布为

各参数与频率ω和光速c存在一定的理论关系为

β为波导的传播常数,k⊥为导波层的导波系数,α为金属层中的衰减系数,且β>0和α>0。由色散关系(2)式可得

1.2转移矩阵方法导出导行条件

金属-左手材料三层平板光波导结构中,I、II界面上的电磁量与麦克斯韦方程有关,可以用一个特征矩阵表示各层的光学特性。界面I的电场和磁场分别为EI、HI,界面II的电场和磁场分别为EII、HII。由转移矩阵方法可得[16,17]

由于

其中满足的条件为

所以

其中

取

得

平板波导模式的导行条件为

金属的介电常数由实部与虚部组成[18],即

在电磁波频率远大于电子自由运动碰撞频率γD的情况下,εM可约为如果电磁波频率小于金属电浆共振频率ωp,金属介电常数εp为负,且对金、铜、铝、锑、银等一般金属物质而言,其ωp值位于紫外光频率范围内,而且γD远小于可见光频率,所以这些金属的介电常数在可见光频率范围内皆可符合以上条件。所以,金属的介电常数取实数部分比较有价值,取虚数没有实际意义。本文由此考虑,图1的覆盖层和衬底层都是同一金属。只考虑TE极化,根据(11)式可得

其中m是导波层模场的节点数,即模系数。

2结果与讨论

考虑一定频率的电磁波选取适当的介电常数、磁导率的材料以及满足三层平板波导的导行条件,综合(3)式、(13)式对kx2、R2的大小进行分析。借助于Matlab编程进行导波模式的数值解,采用图解法对导波层的模系数进行求解,利用(1)式对能流分布进行描绘。就kx2>0,R2>0、kx2<0,R2>0、R2<0三种情况进行研究,前两种情况体现了波导的导波模式和表面波,后一种情况不符合实际故舍去不论。

2.1导波模式分析

当k⊥>0时,则k(εMμM)1/2<β<k(εLμL)1/2,通过改变频率可以得到不同的R值。多次进行数值分析,发现R=1.2247,4,6,8时进行讨论分析为最佳。金属 -左手材料三层平板波导的导波模式如图2所示。

图2中实线为导行条件且代表(13)式,虚线代表(3)式。由图解法得到不同模系数m对应不同导波模式,分析发现:金属 -左手材料三层平板波导中导波模式具有基模缺失,相当于TE0模消失。在R=1.2247极小的范围内存在TE1模。导波系数和衰减系数的平方和(R)不断增加会致使导波模式的个数增加。在R∈[4,8]范围内,模系数m=2时导波模式的个数最多。

在图2中,金属-左手材料三层平板波导导波模式的A~H五个交点的能流分布如图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示。分析发现,同一模系数m导波模式的能流分布相似,导波层内部能流振荡随着m增大而加剧。模系数m为偶数时的能流分布在竖直方向成轴对称,模系数m为奇数则是关于点对称。

2.2表面波分析

在金属 -左手材料三层平板光波导的I、II界面上,当k2⊥<0、β>k(εLμL)1/2和取k⊥=iK⊥ 、K⊥>0、R=1.2247,4,6,8时,表面波模式如图4所示。采用图解法对图4中各个交点对应的能流分布进行描绘如图5所示。结果表明,在I、II界面上是存在表面波的。

图5中(a)~(d)是m∈2k(k∈N)时对应图4中a、b、c、d处的能流分布,(e)~(h)是m∈2k(k∈N)和m∈2k+1(k∈N)时共同交于b、c、d点的能流分布。

当kx2<0、R2>0时,金属 -左手材料三层平板波导TE极化情况下是存在表面波的。模系数m为偶数的能流分布相似且在竖直方向成轴对称,模系数m为奇数的能流分布相似但是关于点对称。当导波系数和芯层厚度的乘积kxd增加到2.1π时,模系数m为奇、偶数的表面波是趋向一点的(如图4中的c、d点所示)。图4中特殊(c、d)点是模系数m分别为奇偶时共同与R=6、8的交点,其能流分布受到m奇偶性的影响相当显著。模系数m不会同时既为奇数又为偶数,致使c点的能流不简单是m分别为奇偶数时能流的叠加。

3结论

TE极化情况下,当满足导波层导行条件时,金属-左手材料三层平板波导的导波层不存在TE0模。TE1模仅在R=1.2247极小范围内存在,导波模式随着R的增大而增加。m相同导波模式的能流分布相似,且随着m的增加导波层内部能流变化越激烈,能流分布受到m奇偶性的影响显著。当不满足导波层导行条件时,在界面上有表面波存在,并随着kxd的增大,m值不同的表面波趋向一致。m相同导波模式的能流分布是相似的,且随着m的增加导波层内部能流变化增多,m的奇偶性也会影响其能流分布。

图5与图4中a、b、c、d三个交点表面波的能流分布Fig.5Thetransverseprofilesofthesurfaceguidedmodescorrespondingtothethreeintersectionsa-cinFig.4

导波模式篇2

国内外虽已掌握了管道腐蚀和泄漏的检测技术, 但尚难实现大面积、长距离和复杂状态管道的早期裂纹快速检测。原因是管道状态的复杂、各种裂纹对激励信号的敏感性、回波信号的多模态以及环境噪音的复杂, 使得管道在线裂纹检测一直是无损检测领域的技术难点, 尚缺乏支撑裂纹检测设备研制的合理技术和方法。

目前检测系统容易检出的缺陷主要是局部腐蚀、冲蚀、机械损伤、成群点蚀以及环向裂纹。对于均匀腐蚀、个别点蚀、轴向裂纹和焊缝中的小缺陷则不敏感, 难以检出, 不利于长距离管道的检测, 并且也很难利用检测信号区分缺陷类型, 且需要设备停机才能检测。

本检测技术通过实时采集的数据, 对其进行相关分析, 研究管道在线裂纹早期检测的新方法, 对我国大面积、高数量可靠使用管道运输有着重要的社会经济意义, 同时对于其他设备如压力容器等的状态判定和预测同样具有辐射作用和工程意义。

1 研究与开发内容

本检测技术基于小波分析、遗传算法和随机理论, 针对复杂工作环境中的管道和多种裂纹形态, 运用多模式柱状超声导波技术, 对管道进行信号的采集、分析, 建立特征参数与状态模式的映射关系, 实现对埋藏、涂层、包覆管道等缺陷状态和位置的判别。研究与开发内容有以下几点。

(1) 失效机理。研究管道的主要失效形式、失效原因和应力分布情况, 结合应力疲劳和断裂力学理论, 建立管道失效的理论模型, 揭示管道裂纹产生的机理, 并进行分类。

(2) 频散曲线。在管道中传播的超声导波, 其波速随导波频率的变化而变化。要利用导波进行管道缺陷检测, 就必须清楚了解对于特定管道, 波速随频率与壁厚之积变化的关系, 为实际管道信号采集、分析和判断奠定基础。

(3) 导波选择与激励。研究柱面导波与缺陷的相互作用机制。研究多模式柱面导波与缺陷作用的敏感性和激励波的选择, 对多模式导波检测技术进行研究, 如采用纵向模态、弯曲模态和扭转模态等等。

(4) 导波回波处理。接收柱面导波回波时, 应有选择的加强某些模态导波信号, 同时利用滤波技术和数字信号处理以使柱面导波回波最佳。

(5) 小波分析和遗传算法。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪, 提取特征成分, 并利用遗传算法, 对超声导波的信号特征参数进行再组织, 自动生成新的特征参数, 以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号的特征关系。

(6) 随机理论。利用随机理论和模糊可能性原理, 将已提取出的特征参数变换成服从正态概率密度分布的正态特征参数, 进行状态判断, 并建立特征参数与管道状态模式的映射关系, 实现缺陷回波信号的识别和缺陷定位。

(7) 检测设备及软件。检测设备包括传感器、信号放大器、信号采集卡和显示器等。软件包括管道状态信号的采集、分析和判别软件。超声导波检测仪器技术要求 (表1) 。

2 技术创新

(1) 研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制, 探索特定模态柱状导波的激励方法, 提出多模式导波管道在线裂纹检测理论和技术。超声柱面导波像其它体波一样遇到边界会发生反射、透射以及模式转换等现象, 检测管道如存在腐蚀、裂纹等缺陷, 引起声阻抗的变化, 进而引起波的反射、透射等, 导致接收信号发生变化。超声导波在管道中传播时, 一种模式的导波可能只对某一种缺陷敏感, 而对其它类型缺陷不敏感, 检测其存在需要多种模态超声柱面导波的激励。研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制, 考虑管道不同裂纹特征以确定特定模态柱状导波的选择和图1

图2

图3

图4激励方法, 探索多模式导波管道在线裂纹检测理论。常规超声波管道检测往往需要设备长时间停机, 本检测技术能实现管道的在线检测, 避免了因设备停机而带来的经济损失。此类研究工作鲜有报道, 国内外现有研究没有形成完整的理论, 管道在线多种裂纹检测技术的研究国内外投以很高的热情。

(2) 采用小波分析、遗传算法和随机理论, 研究信号分解、重构和特征参数提取, 建立管道状态与超声导波的特征关系理论模型。由于不同裂纹缺陷采用不同模式激励导波, 以及管道中的导波本身回波的多种模态和频散特性, 使信号进行分解、重构、特征提取困难。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪, 提取特征成分, 利用遗传算法, 对超声导波的信号特征参数进行再组织, 自动生成新的特征参数, 以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号特征关系。研究工作在前人对管道裂纹小波分析的基础上, 应用遗传算法理论和随机理论, 对复杂的多模式超声导波检测, 建立特征参数与管道状态模式的映射关系和相应的数据库, 实现缺陷回波信号的识别、缺陷定位, 状态判别的准确率达95%。

(3) 研发多模式超声导波管道裂纹检测仪器及软件。研发采用小波分析、遗传算法和随机理论, 考虑多模式导波检测各种裂纹和缺陷的超声导波检测仪器和应用程序, 很好地解决长距离复杂状况管道裂纹无损的检测问题, 大大提高了本项目检测仪器对管道状态诊断的简便性和实用性。

3 技术路线

(1) 管道特性、激励与信号的采集 (图1) 。

(2) 特征参数的提取优化研究 (图2) 。

(3) 管道状态判定研究 (图3) 。

(4) 检测样机研制和软件开发 (图4) 。

4 结语

基于小波分析、遗传算法和随机理论的超声导波检测技术, 变管道抢修为在线计划检修, 通过有计划地更换个别泄露管段, 大大减少管道维修费用, 保证管道输送正常。

目前, 相比国外同类产品, 国产的管道检测产品的市场占有率还很低, 大部分市场仍被国外产品所占领。本检测技术及仪器属高技术含量产品, 其技术指标和性能指标与国外产品相比毫不逊色, 且性价比很高。

导波模式篇3

管道运输在工业中具有不可替代的作用,但由于裂纹、疲劳破坏或管道本身的潜在缺陷都会导致管道开裂,给人们的生命财产和生存环境都造成巨大威胁[1]。超声导波检测技术作为一种新兴的无损检测方法,能够检测管道的整个壁厚,实现对管道的100%检测。

近十几年来,国内外许多学者陆续就超声导波检测管道缺陷的辨识问题进行了研究[2,3]。何存富,吴斌等在管道导波方面做了深入的研究,总结了管道导波检测理论,为超声导波的应用奠定了坚实的基础[2]。英国帝国理工大学的Lowe、Cawley等[4]利用脉冲回波法检测工厂中的管道,对管道中应力波的反射、透射、模式转换等进行了初步分析,并取得了一定成果;Rose等[5]采用纵向导波研究了小孔型腐蚀缺陷占管道截面积百分比与缺陷回波幅值之间的对应关系;程载斌等人[6,7]使用程序AN-SYS进行了裂纹检测的仿真,发现纵波对管道周向裂纹检出率很高,对轴向裂纹检出率并不理想,仿真结果和试验结果相吻合。

本文利用L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测试验,首先确立了试验系统,并在管道固定位置预制管道周向裂纹缺陷,研究了裂纹反射回波系数与管道裂纹位置的联系,为超声导波的应用和研究做了有益探索。

1 试验系统的建立

根据超声导波检测原理建立管道缺陷检测试验系统。试验系统如图1所示,包括任意函数发生器、功率放大器、前置放大器、数字示波器。试验对象为10.1m长、无包覆层碳钢钢管,钢管外径为108mm,壁厚4mm,两端由两个Y型支架悬空架起,管道内无介质。

试验采用规格为25mm*4mm*1mm PZT-5压电陶瓷片,陶瓷片通过502胶水作为与管道粘合,并沿着管道外壁环形均匀排布,如图2中的两环陶瓷片。研究已表明:当沿圆周方向均布的压电陶瓷片个数大于在该频率下可激励导波的最高模态总数时,弯曲模态导波将被抑制,而轴对称模态导波将会增强[8]。试验中在激励环布置了16片陶瓷片以达到抑制弯曲模态的效果,接收环则由8片压电陶瓷传感器构成,分别被标记为A、B、C、D、E、F、G、H,如图3(a)所示,图中各个标号所对应的周向相位已经标出,陶瓷片F所在的周向相位为225°,而管道裂纹缺陷在管道周向的位置在225°附近,与在轴向方向上与陶瓷片F正好对应;图3(b)为裂纹缺陷的实物照片图示,该裂纹缺陷布置在距离管道端面5.5m处,裂纹缺陷的具体尺寸如表1所示,使用缺陷截面积百分比C%(即缺陷横截面面积S与管道横截面面积S0的比值)表示缺陷的严重程度。

试验中选用汉宁窗调制的10周期正弦脉冲信号最为激励信号,以便将能量集中于中心频率附近,降低信号在传播过程中的频散现象带来的干扰。

2 裂纹缺陷的反射回波系数曲线分析

本文通过绘制并分析管道裂纹缺陷的回波发射系数曲线,研究反射回波系数曲线与裂纹的周向位置的联系。在试验中发现,该试验系统在90k Hz附近时波形最为清晰明显,裂纹缺陷处的回波幅值最高,选用90k Hz的检测信号进行研究。

图4不同位置的陶瓷片在90k Hz时采集的检测波形图,图4(a)、图4(b)分别为陶瓷片A和陶瓷片E采集到的检测信号,裂纹缺陷处的回波信号已经用圆圈标出,比较两图可以明显:(1)检测信号的起始端和结束端,两信号的幅值相当,差异并不明显;(2)在裂纹缺陷处,两信号的差异较大,图4(b)中的信号峰值明显较图4(a)的峰值大。图4中将陶瓷片A和陶瓷片E采集到的检测信号作为典型进行了说明,其它陶瓷片的检测信号与图4中信号差异不大,仅在管道裂纹缺陷处的差异明显。为了更好的描述这种差异,本文提取管道裂纹缺陷的回波反射回波系数并绘制了曲线,如图5所示。图5是通过MATLAB软件绘制的,在绘图之前,首先提取了8个陶瓷片的检测信号中裂纹缺陷处的回波反射回波系数,8个反射回波系数分别为0.1481、0.1483、0.1358、0.2194、0.2586、0.3983、0.2431、0.1485,反射回波系数形成了向量b,由于数据较少,为了获取光滑的曲线,使用三次样条插值方法对信号进行处理,具体使用了interp1函数,代码为“t=0:.2:2*pi;c=interp1(a,b,t,'spline');”,其中a表示A~H的陶瓷片所在的周相位的弧度,c为拟合后得到的数据,最终使用polar函数绘制了裂纹反射回波系数的周向分布图,如图5所示。

从图5中可以看出,裂纹缺陷的各相位的反射回波系数存在较大差异,裂其周向分布的形状带有一定的对称性,类似椭圆但并不规则。陶瓷片H、A、B、C所在的区域反射回波较小且幅值差异并不明显,从C到F的周向区域内,裂纹缺陷的回波反射回波系数呈现出递增的规律,在F处去的最大值0.3983,从F到H的周向区域内,裂纹缺陷的回波发射系数呈现出递减的规律。图3中已经说明了裂纹缺陷沿着管道轴向方向上恰好与陶瓷片F正对,而从图5的裂纹反射回波系数的周向分布来看,陶瓷片F的反射回波系数最大。

以上检测结果表明:当传感器的位置与裂纹缺陷的周向相位相近时候,该传感器接检测到的缺陷回波信号最大。通过分析周回波反射回波系数分布图可以确定裂纹的周向位置,考虑到裂纹在周向上有一定的长度,该方法估测的周向位置还是比较精确的。

3 结束语

通过建立管道导波检测试验系统,采集了裂纹缺陷导波检测信号,选用了90k Hz下采集的最佳检测信号,依据这些检测信号绘制了裂纹缺陷的回波反射回波系数周向分布图,经过分析发现:(1)在各个陶瓷片采集的检测信号中,裂纹缺陷的回波反射回波系数差异较大,其周向分布的形状类似椭圆,较为对称;(2)当传感器的位置与裂纹缺陷的周向相位相近时候,该传感器接检测到的缺陷回波信号最大。通过分析周向回波反射回波系数,能够较准确地估测裂纹缺陷的周向位置。

摘要：使用L(0,2)模态导波结合反射回波系数实现对管道裂纹缺陷的快速、准确定位。建立管道导波检测系统,激励L(0,2)模态导波,并采集管道裂纹缺陷的检测信号,编写MATLAB程序提取检测信号中裂纹处的反射回波系数,绘制裂纹周向反射回波系数曲线。结果表明:裂纹周向反射回波系数曲线呈现出不规则的环状,且在与裂纹周向相位相同的位置,反射回波系数明显最大。通过裂纹周向反射回波系数曲线较好地实现了周向定位。

关键词：超声导波,L(0,2)模态,管道裂纹,反射回波系数

参考文献

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[3]Lowe M,Alleyne D,Cawley P.The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notch in a pipe[J].Journal of Applied Mechanics,1998,65(3):649-656.

[4]Alleyne D,Lowe M,Cawley P.The reflection of guided waves from circumferential notch in a pipe[J].Journal of Applied Mechanics,1998,65(3):635-641.

[5]Rose J L,Pelts S,ZHU Wen-hao.Flaw sizing potential with guided waves[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,2000,19:927-934.

[6]程载斌,王志华,马宏伟.管道应力波检测技术及研究进展[J].太原理工大学学报,2003(4):426-431.

[7]程载斌,王志华,张立军,等.管道超声纵向导波裂纹检测数值模拟[J].应用力学学报,2004(4):76-79.

导波模式篇4

目前, 根据国内外的数据统计, 发现在影响工业管道安全的所有因素中, 管道的局部腐蚀、管道焊缝质量、管道结构和管道材质缺陷是影响工业管道安全运行的重要因素, 在这些缺陷中管道焊接缺陷、管道结构和管道材质缺陷可以通过完善设计方案和加强施工质量进行控制, 可以减低对管线安全的影响, 而管道局部腐蚀缺陷, 特别是管道介质的内腐蚀和冲蚀缺陷是很难进行预测和控制的因素, 若管道壁厚减薄至一定程度, 就会造成管道强度不足, 在一定的工作压力下就可能发生爆管或泄露。

2 常规的管道腐蚀检测概述

剩余壁厚测试的方法被广泛的应用于管道的腐蚀检测, 但由于其技术局限性, 不可能覆盖管线所有的位置, 做到100%的检测, 特别是一些人和机器难以到达的区域以及一些检测盲区 (如大部分直管段、支吊架部位等) , 常规管道腐蚀监测的局限性造成的缺点包括以下几点:

常规测厚点的位置均依据《在用工业管道定期检验规程》中规定的检测比例在管件中选取, 这种随机选取大多选取易检测的位置, 所以不易检测的管件就成为历次检修的盲区。盲区的缺陷难以被发现, 往往为事故的发生埋下了隐患。

常规测厚对管件的检测也往往具有离散性和随机性, 不能覆盖管件的所有位置。

常规测厚常常忽视直管段壁厚的检测。直管段的检测与弯头、三通等管件不同, 管道中管件数量一定, 且检规中明确规定了各个级别管道的管件检测比例, 所以管件检测有一定的量化概念。而管道直管段长度大, 也无法确定直管可能发生腐蚀的位置。如果用常规测厚的方法找出直管段的腐蚀减薄点, 无异于大海捞针。

3 新技术介绍

3.1 导波检测技术概述

常规的测厚方法只是对局部单点的厚度的测量, 而导波可以实现一段管道的100%的检测, 而且该管道可以是温度低于80℃的管道, 可以不用拆险保温层, 从而缩短管道的停用时间和辅助费用, 尽可能减少用户的损失。检验人员需根据现场情况, 结合工厂的生产工艺要求, 在进行宏观检查、管系应力计算、管体壁厚测试后, 确定出可采用该项技术进行管体腐蚀状况检测的管段与位置。

该仪器典型情况下架空管道检测范围:气体介质约50~80米;液体介质约80~120米, 能够检测出壁厚减薄量的3%, 完全可靠的检测出截面积9%的缺陷, 并可进行精确定位 (见图1) 。

3.2 导波检测的优势

低频长距超声波检测技术 (导波) 在同一个位置发射和接收低频超声波, 能对被检测到的金属损失的范围和环向方位进行判断, 适用于管体的内外金属腐蚀与冲蚀等缺陷的检测。

不拆除保温, 较少了辅助工程量, 降低检测成本。

对难以到达的区域和易忽略的盲区进行全方位检测, 能够检测出壁厚减薄量的3%, 完全可靠的检测出截面积9%的腐蚀缺陷, 并进行精确定位。

3.3 漏磁检测技术概述

漏磁是一种用来检验管线内外部腐蚀缺陷的检测技术。当被测工件上有缺陷时, 会导致缺陷处及其附近的磁阻增加, 而使缺陷附近的磁场发生畸变, 一部份磁通漏到管壁外, 通过磁铁两极中的传感器测量这些漏磁, 传感器产生的信号大小与泄漏的磁通量成比例。而且可以通过漏磁通的范围, 确定缺陷范围的大小, (见图2) 。

3.4 漏磁检测的优势

漏磁 (MFL) 检测设备, 用来检测管体内壁腐蚀, 弥补了常规超声测厚只能检测出被抽检管道局部点的腐蚀, 检测覆盖面非常有限的情况。

可带涂层检测, 在涂层厚度小于6mm的工作条件下, 只要保证管道表面平整, 即可进行检测。

4 实际应用案例

2009年4月中石化某炼油厂一套渣油加氢装置大修, 压力管道安排全面检验, 该厂利用常规全面检验技术并结合新技术的方法编写检验方案, 通过对检验结果的对比可以发现管道壁厚减薄最大的位置可能发生在管道弯头, 也可能发生在直管段位置, 因此, 利用《工业管道定检规程》进行管道的全面检验时, 可能会造成管道上危险点的漏检, 特别是直管段位置的缺陷, 影响管道运行的安全。

5 采用导波与漏磁检测的经济成本和效益

该渣油加氢装置利用导波和漏磁共检测管道总长1157米 (均有保温) , 施工用时10天, 费用在35-40万之间, 如果同样长的管道用传统测厚方法进行检验, 施工用时要20天, 费用在75-100万之间。

6 总结

综上所述, 利用常规密集测厚的方法所需要的费用和时间均远远超过了利用导波与漏磁新技术所需要的费用和时间。并且, 采用密集测厚的方法造成腐蚀点漏检的几率也远远大于导波与漏磁新技术所需要的费用和时间。利用导波与漏磁新技术对管道进行全面检验, 不仅能够提高管道危险腐蚀点的检出率, 降低管道的安全风险, 提高运行安全, 而且还能够降低管道运行成本, 减少管道检测费用的支出。

参考文献

[1]袁振明.声发射技术及其应用[M].北京:机械工业出版社, 1985:102-105.

[2]李耀东, 黄成祥, 侯力等.疲劳裂纹的声发射信号检测技术[J].计算机测量与控制, 2004, 12 (6) :504.

导波模式篇5

关键词：锚杆,磁致伸缩超生导波,无损检测

0 引言

锚杆锚固技术由于其安全快速、低成本等特点在铁路、公路、矿业工程等地下结构工程(隧道、洞室等)和边坡护理中应用广泛。在使用过程中,锚杆由于各种原因会出现裂纹、腐蚀等失效现象,造成安全隐患,需要定期对其健康状况进行评估。

本研究基于铁磁性材料的磁致伸缩导波技术,深入探讨检测锚杆有效长度及缺陷的无损检测新方法。

1 磁致伸缩导波锚杆检测的原理

对铁磁性材料施加适当的交变磁场,利用磁致伸缩效应可以产生超声波。超声波在介质中不连续的交界面上产生多次往复反射,进而产生复杂的干涉和几何弥散而形成超生导波;相反的,机械变形会使磁场发生变化,使在磁场中的线圈产生感应电流,这种现象叫做磁致伸缩逆效应。利用铁磁性材料这种磁-力换能效应可以实现锚杆中超声导波的激励和检测[1]。本研究磁致伸缩超声导波锚杆检测原理图如图1所示。

磁致伸缩超声导波要求使用窄带脉冲信号进行激励,作者在实验中采用的正弦脉冲信号如图2所示。采用正弦脉冲信号可以减少导波模式数,降低信号检测的难度。另外正弦信号变化平稳,有利于功率放大器进行放大以提供脉冲大功率激励信号。信号经过功率放大器后加载在激励线圈,即可在实验样件中激励出一定强度的超声导波脉冲。

超声导波在铁磁体中传播,当铁磁体中存在缺陷时其声阻抗将发生变化,从而引起导波的反射、投射等,进而导致铁磁体内磁感应强度发生改变,而变化的磁感应强度将引起接收线圈的电压变化。接收线圈检测到的电压表达式为:

$V_{R} (k, t) = - \frac{2 π k w μ_{r}^{2} λ^{2} n s Η_{0}}{E} | \int_{0}^{1} f (ξ) e^{j k ξ} d ξ |^{2} e^{- j k (d - v t)} (1)$

式中 k—超声导波波数;n—接收线圈的匝数;s—接收线圈的横截面积;l—接收线圈的长度,d—接收线圈与激励线圈间的轴向距离;v—铁磁材料中超声导波波速;μr—铁磁材料相对磁导率;λ—铁磁材料磁致伸缩常数;H0—线圈匝数和激励电流的函数,H0=f(Ii,n)。

接收线圈所接收到的信号非常微弱,而且保存检测信息的信号往往被深埋在噪声之中,因此,要对这样的微弱信号进行处理,一般都要先进行预处理,以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。

2 锚杆中导波传播的理论模型

普通中空注浆锚杆由普通中空注浆体、止浆塞、托板、排气管和螺母等组成,广泛应用于各类岩土的支护工程或地下工程顶部的锚固工程。实验应用的锚杆试件材料为Q235钢,杆体长度l为3 m,外径d0为30 mm,壁厚Δd为5 mm,如图3所示。

实验锚杆试件可看作各向同性弹性固体介质,根据弹性力学理论,弹性波在各向同性固体中传播时的位移运动方程矢量式[2]为:

μ∇2u+(λ+2μ)∇∇·u=ρu (2)

式中 λ、μ—lamb常数;u—位移矢量;ρ—材料的密度;∇—哈密顿微分算子;∇·—散度算符。

普通中空注浆锚杆可作为均匀各向同性的空心长直圆管处理,对其位移场进行求解,其应力自由边界条件为 $σ_{r r} |_{r = d_{o}, d_{i}} = σ_{r z} |_{r = d_{o}, d_{i}} = σ_{r θ} |_{r = d_{o}, d_{i}} = 0$ ,可假设锚杆中导波传播的位移分量形式为:

ur=Ur(r)cos nθ cos (wt+kz)

uθ=Uθ(r)sin nθ cos (wt+kz)

uz=Uz(r)cos nθ sin (wt+kz) (3)

式中 ur、uθ、uz—径向、周向、轴向的位移分量;Ur(r)、Uθ(r)、Uz(r)—由Bessel函数构成的相应的位移幅度。

上式表明超声导波在沿中空注浆锚杆轴向传播时,存在3种不同的模态:纵向模态、扭转模态和弯曲模态。纵向模态和扭转模态为轴对称模态,一般用记号L(0,m)、T(0,m)表示;弯曲模态为非轴对称模态,一般用F(n,m)表示(其中,n表示轴向阶数,m表示模式数)。求解导波在锚杆中传播的频率方程,可以得到相速度散射曲线。群速度Cg和相速度Cp之间的关系:

$C_{g} = C_{p}^{2} [C_{p} - (f d) \frac{d c_{p}}{d (f d)}]^{- 1} (4)$

式中 fd—频厚积。

由式(4)可以得到群速度曲线。对本次实验样件锚杆相速度频散曲线和群速度频散曲线进行计算,得到的结果如图4所示。

磁致伸缩力在锚杆中激发的超声导波模态,主要由材料本身特性(泊松比、lamb常数、材料的几何结构特征等)和交变磁场以及静态偏置磁场等因素决定。静态偏置磁场和交变磁场交互耦合作用下(例如由轴向平行的线圈提供偏置磁场和交变磁场),管状锚杆中只存在径向和轴向位移分量,此时理论上锚杆中只存在纵向模态导波[3,4]。

3 磁致伸缩导波锚杆长度测定和缺陷分析

3.1 锚杆长度的测定

利用开发的实验装置,本研究以普通中空注浆锚杆为实验样件,对磁致伸缩超声导波锚杆测长以及缺陷检测进行了实验研究。将线圈和偏置磁场成轴对称布置,理论上在锚杆中激发的是纵向超声导波。磁致伸缩导波激励线圈放置在锚杆右端500 mm,导波接收线圈放置在距离锚杆右端1 000 mm处。选用频率为70 kHz的纵向导波激励。对信号进行平均3 000次处理,巴特沃斯三阶滤波器的截止频率为50 kHz～90 kHz。检测信号的波形如图5所示。

为了更直观地观察导波频谱含量怎样随时间变化,以确定在特定时间的频率成分,本研究对信号进行了短时傅里叶变换处理[5]。采用汉明窗得到的短时傅里叶变换结果如图6所示。从图中可以看到,在与检测信号的波形相对应的时刻主频率为激励信号的频率(70 kHz)。

激励线圈在激励处激发超声导波,弹性波沿锚杆轴向同时向两端传播。向左传播的导波首先到达检测线圈,向右传播的导波经右端面反射后到达检测线圈。从图中可以看到,波形存在频散现象,回波信号非常明显,通过信号到达时间为0.105 ms,激励线圈和接收线圈的距离为500 mm,因此波速为4 761.9 m/s。结合被测锚杆频散曲线分析,可以断定激励处的导波模态为L(0,2)模态。通过对导波传播进行分析,在右端回波信号到达时间T1和左端回波信号到达时间T2的总时间内,导波在锚杆中传播的距离为锚杆总长L的两倍。由回波信号可知右端回波信号到达时间T1为0.35 ms,左端回波信号到达时间T2为0.9 ms,因此:

$L = \frac{V_{L (0, 2)} \times (Τ_{1} + Τ_{2})}{2} = 3 031.5$ mm (5)

被测锚杆实际的长度为3 000 mm,利用超声纵波对锚杆长度测定,误差率仅为1.05%。

3.2 缺陷信号的分析

利用超声导波对锚杆进行检测时,检测信号会受到多种因素影响,如空间电磁干扰、锚杆端部反射以及信号处理电路引进的噪声,噪声信号的过大极有可能将有用的弹性波淹没,导致检测不到或无法分辨弹性波信号。因此,必须利用有效的信号处理方法,对检测信号进行处理,以提取有用信号。

相关检测技术是利用有用信号周期性和噪声随机性的特点,通过自相关或互相关运算,以达到除噪声的一种技术[6,7,8]。自相关接收机如图7所示。

设混有随机噪声的信号f1(t)=S1(t)+ni(t)。同时输入到相关接收机的两个通道,其中之一将经过延迟器,使它延迟一个时间τ。经过延迟的fi(t-τ)和未经过延迟的fi(t)均送入相乘器内,再将乘积积分后输出平均值,从而得到相关函数上一点的相关值。变更延迟时间τ,重复上述计算,就得到相关函数R(τ)和τ之间的关系曲线。fi(t)的自相关函数为:

$\begin{array}{l} R (τ) = \frac{1}{2 Τ} \lim_{Τ \to \infty} \int_{- Τ}^{Τ} f_{i} (t) f_{i} (t - τ) d t = \\ R_{s s} (τ) + R_{n s} (τ) + R_{s n} (τ) + R_{n n} (τ) (6) \end{array}$

由于信号与噪声是互不相关的随机过程,随机噪声的平均值为零,即上式中的Rns(τ)、Rsn(τ)及Rnn(τ)为零,则:

R(τ)=Rss(τ) (7)

最后,得到的是信号本身的自相关函数,从而达到除噪目的。

在本研究中,选取与测长实验规格相同的锚杆为实验样本,在距锚杆右端277 mm处加人为刻缝,刻缝的深度为3 mm,宽度为5 mm。磁致伸缩导波激励线圈放置在锚杆右端42.5 mm处,导波接收线圈放置在距离锚杆右端100 mm处。选用频率为50 kHz的纵向导波激励。对信号进行平均5 000次处理,FIR滤波的截止频率为40 kHz～90 kHz。检测信号波形如图8(a)所示。

对有人为刻缝的锚杆检测信号进行自相关处理,变换后的信号如图8(b)所示。从信号的变化结果来

看,经过相关处理后的锚杆缺陷检测信号噪声明显减小,分辨率更高,而信号的的相位、频率等保持不变。因此,在时域中对锚杆导波检测信号进行分析和识别,相关分析是一种有效和实用的方法。

4 结束语

导波检测技术具有在结构上一点激励可对较长距离进行检测的特点,能够检测一些很难或者根本无法达到的区域,极大地提高了检测效率,并且降低了检测成本,成为了近年来无损检测领域中的一个研究热点。本研究在论述锚杆磁致伸缩导波检测原理的基础上,开发了导波检测的实验系统,通过实验对磁致伸缩导波锚杆检测进行了验证。利用L(0,2)模态的磁致伸缩导波,对自由锚杆进行了长度的测定和缺陷的检测,实验结果表明,L(0,2)模态导波可精确测量出自由锚杆的长度,检测出深度为3 mm的周向刻缝。然而,对于锚固在混凝土或岩石中的锚杆,需要以后进一步的研究分析。

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导波模式篇6

导波检测的依据是基于其自身的频散特性的,想全面了解检测导波的模态选择和导波的实质,就必须对频散现象充分熟悉。笔者从频散现象出发,通过ANSYS数值仿真的手段阐述了导波检测对海洋平台立管进行检测的可行性[1]。

1 理论及原理

1.1 导波速度计算

在导波传播的非频散路径范围内,相速度与群速度基本保持一致,取杨氏波速CT=为横波波速、为纵波波速,其中E为波导弹性模量、ρ为介质密度、v为泊松比[2]。

1.2 缺陷定位原理

激励信号在管道中传播时,在缺陷处会发生反射和透射现象。一部分信号发生反射形成裂纹回波,剩余的透射继续传播,遇到管端返回,形成末端回波。通过分析回波信号,可以确定缺陷轴向位置。如图1所示,接收端距管端L',缺陷处距管端L,裂纹回波到达接收端的时间为t,导波波速为C,则可由公式L(C×t+L')/2确定缺陷距离激励端距离。

2 数值仿真分析

2.1 单元选择

纵向导波在管道中传播的过程,可以通过加载周期性的周向载荷来模拟实际传播情况。因此,模拟中选用有限元软件中的壳单元SHELL63来进行仿真实验。因为导波检测的结果以频率随时间变化的方式出现,所以把导波检测中的导波频率(kHz)转换为周向载荷的位移(VALU)即可模拟其传递过程,具体见表1。

2.2 管道模型参数的确定及网格划分

由于海洋立管的材质为双相不锈钢,故仿真实验选用双相不锈钢钢管材料,其参数分别为:弹性模量210GPa、密度7 850kg/m3、泊松比0.3。建立管道模型,尺寸为长2.45m、外直径152mm、壁厚5.5mm的长直管。选择有限元软件中的壳单元SHELL63,建立几何模型并划分网格,为了模拟海洋立管在受到外力作用下而形成的缺陷,在管道模型中部距离管道激励端(右端)1 100mm处,将四分之一圆周单元格除去,用来仿真25%的管道缺陷,模型管道轴线方向为Z轴方向,故模拟的纵向激励导波的传播方向为沿着管道轴向[3]。

2.3 加载及约束

将导波检测施加激励信号的端面设为自由端,相应的把激励信号传出的一端设为固定端,约束固定端面所有节点位移自由度。数值仿真时,固定端的所有节点位移为0,激励信号从自由端面施加[4]。

2.4 导波激励

采用有限元软件中的瞬态动力学分析模块,选择full方法(完全瞬态分析法),模拟导波在管道中的激发及各个时间点的传导过程。笔者选用L(0,2)模态的激励导波,该导波由10周期、中心频率70kHz的正弦信号调制。传播总时间t=1.2ms,载荷作用时间约为0.9ms,时间步长1.2ms。图2为激励信号的模拟图,上图为时域曲线,下图为频域曲线[5]。

2.5求解及分析

将接收端设置在距离自由端(激励端)100mm处的管壁,其目的是采集回波信号,将接收端环向各节点的相应主位移变量叠加,以叠加后变量的位移-时间历程曲线来表示回波信号[6]。图3a、b分别为激励导波在不同时间,在管道中的传播图。

经过有限元软件计算得到数据[7],结果显示数值仿真管道导波检测的裂纹回波到达接收端的时间t=0.382ms,导波在被检测管道中的载荷作用时间是0.885ms,如图4所示。

2.6 缺陷定位

通过公式L=(CL×t+L')/2即可估算出缺陷距离管端L的大小。经过计算得到L=1100mm,表示缺陷位于距管端1 100mm处,即缺陷距离接收端约1 000mm处,与设置缺陷位置相同[8]。

3 实验研究

3.1 检测仪器及检测对象

实验采用美国西南研究院开发的MsSR3030R导波检测系统[9]对海洋平台立管(Φ152mm×5.5mm,常温)进行在线检测,本次检测拟采用128kHz的导波传感器,相对于更低频率的导波传感器,128kHz的传感器具有更高的精度。

3.2 检测过程

MsS导波检测的具体步骤为:将接收端所在管道处清理干净,使用永磁体将铁钴条带磁化,再把耦合液(环氧树脂)均匀地涂抹在铁钴条带表面,粘贴在被检测管道的外壁上,在铁磁性条带上安装MsS探头,开启MsSR3030R导波检测系统,对管道进行导波检测,最后收集并记录所有数据[10]。

3.3 缺陷位置设置

实验拟选用与海洋平台立管类似或相同材质的管道作为实验管道,该管道长2.45m,规格为φ152.0mm×5.5mm,为了模拟海洋平台立管在受到外力作用下产生的各种缺陷,分别在管道的外壁上制作了4个人造缺陷,包括两个钻孔和两个横向切槽,其中钻孔2为数值仿真的缺陷位置,见表2[11]。

3.4 现场实验管道导波检测结果

使用MsS系统对检测信号进行收集和记录,并应用自带的分析软件对检测结果进行计算分析,通过检测法兰的回波信号得到检测选用的导波速度,然后设置相关的仪器参数更好地反映缺陷信号,在计算机上对检测结果进一步处理,得到该管道的检测结果如图5所示[12]。

分析数据处理后,得到实验结果与实际相吻合,具体对比见表3。

4 结论

4.1 导波检测可以精确定位海洋立管中存在缺陷的位置,避免生产中发生泄漏等事故。

4.2 可以从检测的结果中看到缺陷的轴向距离以及损失量,但无法确定缺陷的类别,还需要进一步检查。

4.3 数值仿真的结果与实际检测的结果相吻合,证明在海洋平台立管中激励适当频率的L(0,2)模态导波,可以发现海洋立管中存在的一定大小的缺陷。

4.4 导波检测的数值仿真技术有很多优点,比如不存在盲区,受弯管和法兰的影响较小。同时它也存在这一些不足需要改进,比如只能确定缺陷的位置,而不能确定其大小。

4.5 数值仿真的导波检测中,接收装置只能起到接收回波的作用,不能阻止回波继续传播,故回波反射图有很多杂音信号,有待进一步优化。

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导波模式篇7

关键词：声发射,圆锥,波导杆,放大信号

0引言

声发射 (AE) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象, 也称为弹性波发射。声发射检测是无损检测和评估中的一种重要方法, 具有动态评估和实时诊断性。目前广泛应用于航空航天、石油化工、材料实验、交通运输等工业[1]。对于传感器不能直接安放在被检测对象上的情况, 需要用导波杆进行辅助检测[2,3,4]。在美国, 检测人员已将波导杆用于原子能压力容器在线监测和可靠性评价, 得到良好的效果。大庆石油学院李善春博士通过研究不同长度和不同截面积的导波杆, 得出杆长度和面积对声发射信号的影响, 将其用于石油管道和水管泄漏检测[5]。本文在以上研究的基础上, 通过理论分析和实验相结合方法, 设计出一种能放大信号的波导杆, 使波导杆的应用范围更广泛。

1弹性波经过杆截面突变的传播

当声发射弹性波沿金属杆传播时, 在杆截面面积发生突变处, 会发生波的透射和反射作用。设声发射弹性波从大截面杆传播到小截面杆, 其位移投射系数[6]为:

$Μ = u_{Τ} / u_{Ι} = \frac{2}{1 + S_{2} / S_{1}}$

式中:S1为杆大截面面积;S2为杆小截面面积;uI为入射波位移;uT为透射波位移。令α=S2/S1, 则M=2/ (1+α) 。由上式可知, 当S2一定时, 增加S1则位移透射系数M增加。但当S2/S1→0时, uT/uI→2, 所以弹性波每经过一个截面积间断杆时, 单级放大倍数的极限为2。圆锥形杆可以近似看做由一系列面积发生强间断的阶梯杆所组成。弹性波在其传播也会增加位移透射系数[7]。

声发射弹性波经过变截面杆透射后位移增大, 质点间的振幅增加, 所以质点间弹力增加, 利用压电传感器把力信号转换为电信号原理[8], 其电信号也增加, 起到放大声发射信号的效果。

2实验方案与步骤

为了研究不同结构形状的导波杆对声发射信号的放大情况, 采集经过不同结构的导波杆信号, 利用能量、最大振幅二个参数研究其放大规律。所以设计了一系列不同结构的杆来研究其放大规律。如图1所示, (a) 为阶梯形杆, (b) 为圆锥形杆, 尺寸见表1。

采集系统:声华科技公司SR150声发射传感器, 自带前置放大器 (放大倍数为40 dB) ;成都中科动态仪器公司PCI4721数据采集卡;上位机PC。

试验步骤如下:

(1) 利用0.5 mm HB铅笔芯折断作为声源进行传感器标定。

(2) 把传感器1放在铁板 (500 mm×500 mm×4 mm) 表面, 传感器2安放在导波杆上面, 且布置在同一圆周上 (圆周半径R=200 mm) , 传感器与铁板及杆之间使用凡士林耦合。在两传感器分布圆圆心处断铅, 采集信号, 每组杆采集20次断铅信号。

(3) 换不同的杆重复步骤 (2) , 记传感器同时在导波杆1和铁板采集信号为第一组, 传感器同时在导波杆2和铁板采集信号为第二组, 依次类推至第七组。

3结果与分析

采集到的信号经过小波去噪处理后[9,10], 处理结果见表2 (比值为传感器安放在导波杆的信号与安放铁板信号之比) 。

由第一组和第二组数据分析, 对面积比α=0.46阶梯杆1和面积比α=0.65阶梯杆2, 随着面积比α的增加, 最大振幅比和能量比都减小, 符合位移透射系数M=2/ (1+α) 随α增加而减小的性质。对圆锥杆3～6, 其大小端面积相同, α为定值, 由第三组至第六组数据可知, 随着锥度的减小, 其最大振幅比和能量比都减小。其原因在于这里的假设是完全弹性体, 没有能量的损失, 而实际金属介质并非完全弹性体, 除了弹性外还有粘性和塑形, 内部还有少量杂质和缺陷, 这些都会引起能量的损耗。设单位体积的能量损耗一定, 对圆锥杆而言, 锥度愈小, 其体积愈大, 波在其传播时, 损耗也愈大。这就解释了相同面积比, 不同锥度的圆锥杆对信号的放大情况不同。从第一、三、四组数据可以看出, 相同面积比的阶梯杆1和圆锥杆3, 4, 圆锥杆的最大振幅比和能量比都比阶梯杆1的大些。比较第三组和第七组数据, 杆3和杆7为相同的高度和小端面积, 但杆3的大端面积比杆7大, 其最大振幅和能量比也比杆7大。

4结论

(1) 位移透射系数M=2/ (1+α) 只对完全弹性体适合, 实际应用中, M除了与α有关外, 还与杆的具体结构和杆的物理性质等有关, 需要实验去修正M。

(2) 阶梯形杆的放大比与其面积比有关, 固定小端面积, 当大端面积增加时, 放大比增加, 但并非线性关系。

(3) 当圆锥形波导杆的大小端面面积一定时, 锥度越大, 能量、最大振幅值越大, 反之越小。

(4) 当圆锥形杆的高度和小端面积固定时, 大端面积越大, 放大倍数也越大。

由此可知, 圆锥形波导杆在声发射检测中, 可以起到导波与放大信号作用, 使得波形更清晰, 有利于准确检测, 提高分析精度, 使导波杆应用更广泛。

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