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超声波流量计探头设计及测时误差修正

发布:2020/6/9 16:23:50人气:57
超声导波探头是超声导波检测系统的重要组成部分,在利用超声导波技术对管道进行缺陷检测时,它与管道直接接触,用于在管道中激励和接收超声导波。而激励接收导波的质量是能否利用超声导波技术进行流量测量的关键,可以说,超声导波探头的性能直接影响到整个检测系统的性能和可靠度。此外,由于每个探头还需要一定的压力使其紧密地干耦合在管道表面,而使能量达到Zui大程度的传递,因此还需要一个探头固定装置来固定探头并且对探头施加压力。
 
导波探头的研制主要是利用现有探头的研制技术,结合管道这种检测对象的要求从以下几个方面着手:压电元件及其振动模式;合适的背衬材料及其配比;保护层的材料及其厚度;合理的外型设计。
本课题采用直探头,直探头也称平探头,可发射及接收纵波。由压电晶片、阻尼块(吸收块)及保护膜组成。
1.1压电元件压电元件是压电探头中的心脏部分。压电元件为圆板性,两面有银质敷层,作为导电的极板,底面接地线,上面接导线引至电路上。在压电元件上施加以外电场,在压电元件的某个方向就会产生振动,这种振动藕合到构件上,压电探头就会在构件中浟励出某种应力波。本章所研制的超声导波探头同样是基于这种性质在管道中激励和接收超声导波。
采用镐钛酸铅压电陶瓷作为压电材料,镐钛酸铅玉电陶瓷简称PZT,它是PbTiO3和 PbZrO3固溶体为基的组成物,在较大的温度范围内性能都比较稳定,作为换能器材料,其压电效应非常显,具有高的机电耦合系数和压电应变常数、弹性常数和压电常数。其中的PZT5系列在低功率情况下,共振状态和非共振状态都可使用,适于制作收发两用探头。采用厚伸缩振动模式,即当在压电陶瓷的上下两极加电压时压电陶瓷在厚度方向上伸缩,其伸缩振动频率在其谐振点上为zui好。综合考虑各种因素,而且压电陶瓷的谐振频率由其厚度决定,所以我们采用直径25mm,厚度为2mm,谐振频率为1MHZ频率的压电陶瓷。
1.2探头被衬面当吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗时,效果ZUI佳。这里主要采用环氧树脂和钨粉来配制,背衬的主要材料是环氧树脂,使用钨粉是因为它的声阻抗高。在实际中这种特殊合成体可获得声阻抗的数值从2.5×10的6次方~40×10的6次方Pa.S范围内(相应的声波速度为2-2.6km/s)的材料。背村材料中,环氧树脂、固化剂和钨粉的比例大致是20:5:1,通过实验观察,这种比例的混合物在室温条件下两个小时左右开始固化,在大致八小时后达到Zui大固化程度。这些结果将为后面的是实际浇注工作做好了准备。
1.3探头保护层压电陶瓷比较脆,在受到较大的外力,如挤压
时会使压电陶瓷断裂或破碎。直探头为了避免晶片与工件直接接触而磨损晶片,在晶片下粘合一层保护膜,保护膜有软性和硬性两种。软性的可用薄塑料膜(厚约0.3mm),与表面粗糙的工件接触良好。硬性的可用不锈钢片或陶瓷片等。保护膜的厚度,为二分之一波长的整数倍时(在保护膜中的波长),声波的穿透率Zui大:厚度为四分之一波长的奇数倍时,穿透率ZUI小。
如果压电陶瓷和负戴之间声阻抗差别太大,那么透射过界面的声波将会越少,此时就需要在压电陶瓷和负载之间加入匹配层,已达到阻抗过渡,增加透射声波,但是这里,负载已经确定为管道,管道的材料为一般为钢质,压电陶瓷的密度为7500Kgm3,钢的密度为7840Kg/m3,因此它们的声阻抗之间的差距不是很大。影响保护层层内损失的因素主要是保护层的厚度,保护层的厚度越大,层内损失就越多,因此希望保护层的厚度尽可能小。工程上,保护膜的厚度值常采用四分之一波长,但是,要设计出性能比较好的探头,保护膜的厚度将不是理论值X29。而且,本课题研制的探头用于管道检测时需要承受较大的压力,因此为确保压电陶瓷不受损坏,保护层还不能太薄。综合考虑各种影响因素,要求保护层的厚度在100微米到200微米之间。确定保护层的材料时,首先考虑的是比较常见的金属片,在100微米到200微米的铝片硬度太小,而铜片容易生锈,因此选用100微米厚度的不锈钢片。在此尺寸间的不锈钢片比较常见,而且具有一定的强度和柔韧性,此外,铁的密度为7700K/m3,介于压电陶瓷和钢管之间,从理论上来说,也能起到阻抗匹配的作用。
1.4探头外形探头外型的设计中主要考虑的是压电陶瓷的形状和特点以及若干个探头在管道周国的匹配问题。目前Zui常用的压电探头主要采用厚度伸缩型压电陶瓷,探头外型为圆柱形。这主要是因为厚度伸缩型压电陶瓷可以加工成任意形状,并且这样的探头一般只是单个使用。在探头外壳设计中还要考虑压电陶瓷电极引线问题。由于需要在探头上施加压力,根据探头的整体设计方案,探头系统在设计安装后,只有一个面是自由的,因此只能从这个自由面引线,考虑到这个信号线抗干扰问题,采用同轴电缆。
1.5探头成型在探头的压电陶瓷、保护层、背村层和外型等各部分的尺寸和材料都确定之后,下ー步就着手进行探头的制作。探头的制作过程总体上来说分为下面几步:制作保护膜;在保护膜上粘贴压电陶瓷片;在压电陶瓷的两个电极和同轴电缆对应的两个电极上分别焊接导线;进行背衬层的浇注;探头外壳后盖的密封;探头成型。
 
2.测时误差和修正方法
用时差法测到的声时T中,除了包括我们所要测量的超声波在质中传播的声时,电缆中的延时和声波透过耦合层和探头透声面的延时。当仪器、探头和电缆固定后这些额外的延时也就基本不变,只有接收信号的触发电平延时将随着接收幅度的大小而改变。其原因是接收波本身不是理想的正弦波,它的前沿总是按一定的斜率上升的,而触发电平也不可能等于零。显然,当接收信号的频率高、幅度高而触发电平低时,这个延时就短些,反之就长些。所以在测量中,我们应尽可能选择较高的频率,对接收信号要充分放大,要求严格时应进一步考虑采用自动增益控制或经常监视接收幅度等方法来减小这个延时并尽可能使它不变。
我们可以用两种方法来求出这些额外的延时的总和∑δ。第一种方法是在声速c0为已知的媒质中,使超声波传播一定声程L,所需要的声时应为T0=L/co,如用声速仪測得的声时为T,则可得∑δ=TーT0=T-L/c0。
第二种方法是在固定媒质中改变声程的办法。如果两次测量的声程分别是L1和L2,用声速仪测得的声时分别是T1和T2,那么
c0=L1/T1-∑δ=L2/T2-∑δ
由此得
∑δ=T2T1-T1T2/L1-L2
如果不改变声程而利用一次回波和二次回波,则上式仍可利用,而因L2=2L1,故∑δ=2T1-T2。
求出额外的延时∑δ后,在对其他媒质进行测量时,如果能保持接收幅度不变,就可利用正确的声时T0=T-∑δ,求出c0=L/T0。
 
3.结语
本文详尽地论述了超声波流量计探头的制作过程,包括晶片的选择、制作形状、吸声块的各化学物质的配比等。并对测时误差和修正方法进行了介绍。超声波探头制作的成功与否直接关系到超声波流量计能否进行检测。
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