带翅片焊接超声波导波杆在高温管道壁厚在线检测中的应用

将与管道材料相同的导波杆以全焊透的形式垂直地焊接在管道的监测部位,导波杆端部采用翅片风冷,使端部温度降低到可以使用常规超声波探头及耦合剂进行测厚,以实现高温高压管道壁厚超声波监测。以不锈钢材料为例,对焊接导波杆的圆平板进行了测量,测量结果与壁厚实际值能较好地吻合。     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。     

水载压力对管道超声导波信号的影响研究

为了研究水载压力对管道超声导波信号的影响,利用半解析有限元的方法分析了管道导波的频散曲线和波结构,选择 L(0,2)模态导波用于实验验证。 设计了一个可承受 30 MPa 压力的防水卡箍,对管道上的压电传感器进行封装。 将安装了防 水耐压卡箍的管道放入压力舱中进行打压循环测试,压力在 0~ 30 MPa 之间变化。 打压过程中采集无损伤及 5% 损伤的管道超 声导波信号,分析水载压力对导波信号的影响。 实验结果表明,该防水卡箍具有良好的防水和耐压性能,水载压力对 L(0,2)模 态导波信号幅值没有显著影响。     

非浸入式超声导波液位测量方法研究

从Navier运动方程出发,求解了自由平板和覆水平板中导波的特征方程,并绘制了其频散曲线。自由平板和覆水平板频散特性对比分析后,发现了覆水平板中导波模态较自由平板多了一种Quasi-Scholte模态导波。通过数值计算、有限元模拟和实验研究,分别对自由平板和覆水平板中导波的传播特性和模态进行验证。在低频区,A_0模态导波存在于自由平板中,而Quasi-Scholte模态导波只存在于覆水平板中。利用Quasi-Scholte模态和A_0模态导波的传播特性设计液位测量实验,采用一激一收压电传感器布置方式,频率130 k Hz的2.5周期汉宁窗调制正弦波作为检测信号,结果表明,液位与导波传播时间呈线性关系,能够用于容器内液位测量。     

基于导波基函数投影变换的单模态超声导波提取方法

由于超声导波的多模态特性和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模态的混合信号,影响导波检测的灵敏度。针对上述存在的问题,在建立导波频散信号的数学模型的基础上,提出一种基于导波基函数投影变换的单模态超声导波提取方法。首先根据频散传递函数建立各模态导波信号的数学模型,将各模态导波信号构建为一组导波模态基,之后,以模态基函数为投影变换核,对接收信号进行投影变换,从而实现多模态混叠信号中单模态导波信号的提取。通过对板中的Lamb波S₀、A₀和A₁混合模态仿真和实际信号处理试验表明,提出的方法无需频散补偿即可实现多模态混叠信号中单模态导波信号的有效提取。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法

偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置的轴向磁场强度表征管道截面内偏置磁场强度,利用偏置磁场强度与导波通过信号幅值关系曲线得到不同区域单元振动对导波信号的能量贡献计算得到加权幅值,并以此幅值为依据估计传感器的换能效率。实现了对磁致伸缩导波传感器换能效率的估计,为仪器智能化研究提供了基础。     

基于模态声发射和小波变换的薄板中导波传播特性的实验研究

基于小波变换和模态声发射理论。通过声发射实验的方法确定了薄板中导波传播的弥散特性。通过分析声发射信号的Gabor小波变换幅度在时频空间分布特点，确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间，从而确定该频率下该模态导波的群速度，进而确定其弥散曲线。实验确定薄板弥散曲线与理论计算曲线较好吻合，证明小波变换是分析弥散波时频特性的有效工具。     

土壤声学特性的超声导波测量

土壤的声学特性对地埋管道中超声导波传播有重要的影响。在空气和地埋情况下,通过典型波导(细钢杆)的超声导波检测试验的方法来测量土壤声学特性。基于超声波的衰减特性,通过将试验获得的杆中L(0,1)模态导波的衰减曲线,与理论衰减曲线进行比对的方法,得到土壤的声学特性参数—纵波和横波波速。在该土壤声学特性条件下,研究土壤对管道中超声导波传播影响。研究发现,此种土壤介质对管道中超声导波传播有很大影响,在低频处产生了新的轴对称模态：a1和a2。     

钢轨裂纹导波检测的柔性压电复合材料传感技术研究

钢轨裂纹监测是保障铁路基础部件安全的重要研究课题之一。 超声导波在钢轨中具有衰减小、传感距离远、检测效率 高等优点,可实现钢轨长距离快速检测。 传统的超声导波传感器大都采用 PZT 陶瓷制成,质地硬脆、易碎裂,不能满足钢轨长 期在线监测使用要求。 本文提出将柔性 0~ 3 型 PZT/ 环氧树脂复合材料用作钢轨超声导波传感器,实验研究该柔性压电复合 材料的力学性能及其对导波的传感特性,结合有限元仿真分析和实验测试,分析了钢轨中激励导波模态特性及其裂纹反射波的 延迟到达时间,探讨压电复合材料传感器应用钢轨裂纹导波信号检测的适用性和有效性。 研究结果表明:PZT/ 环氧树脂复合 材料传感器具有良好的柔韧性和线性灵敏度,在 5℃ ~ 75℃ 温度范围内能够有效检测到导波信号;不同传感路径得到的钢轨导 波检测信号与有限元仿真信号基本一致,裂纹反射波到达时间相近,这将为钢轨裂纹在线监测提供新型的柔性压电复合材料传 感技术。     

周向导波电磁超声探头(EMAT)设计与优化

为了利用SH0模超声周向导波检测油气管道纵向裂纹,提出了一种新的周向导波电磁超声探头(EMAT)结构设计,其结构特点是磁铁顶部放置碳钢片,相邻磁铁之间放置非磁性材料片.为了提高周向导波EMAT的换能效率,采用ANSYS仿真对其结构参数进行了优化.优化的结果为:磁铁顶部应放置厚度大于1mm的碳钢片,线圈中导线间距要尽量小.在直径200 mm壁厚、4mm的管材上进行实验,结果表明,优化设计后的探头能有效地激励出周向SH0导波.     

基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测

激励模态和频响特性是超声导波传感器性能评估的两个重要指标,而传统的传感器,如压电传感器和电磁声传感器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)等,受自身带宽和模态选择性的影响,无法有效地实现这两个参数的评估。激光测振仪可以测量结构中弹性波原始的离面和面内位移,且测量不受带宽的限制,因而是进行超声导波传感器激励模态测定和频响特性测量的理想方法之一。采用此种方法对一种周向一致激励兰姆波的EMAT进行测试,结果表明,此传感器在150～210 kHz的范围内能激励产生出单一S0模态兰姆波,在50～150 kHz范围内,A0模态与S0模态共存。利用激光测振仪检测离面和面内位移的方法,是进行传感器评估和兰姆波接收的有效方法,在超声导波的非接触测量、高温波导体检测及弹性波传播3D可视化方面也有广阔的应用前景。     

Ultrasonic torsional guided wave sensor for flow front monitoring inside molds

Measuring the extent of flow of viscous fluids inside opaque molds has been a very important parameter in determining the quality of products in the manufacturing process such as injection molding and resin transfer molding. Hence, in this article, an ultrasonic torsional guided wave sensor has been discussed for monitoring the movement of flow front during filling of resins in opaque molds. A pair of piezoelectric normal shear transducers were used for generating and receiving the fundamental ultrasonic torsional guided wave mode in thin copper wires. The torsional mode was excited at one end of the wire, while the flowing viscous fluid progressively wet the other free end of the wire. The time of flight of the transient reflections of this fundamental mode from the air-fluid interface, where the wire enters the resin, was used to measure the position of the fluid flow front. Experiments were conducted on four fluids with different viscosity values. Two postprocessing algorithms were developed for enhancing the transient reflected signal and for suppressing the unwanted stationary signals. The algorithms were tested for cases where the reflected signals showed a poor signal to noise ratio.     

单向纳米天线高效激发条状表面等离子体波导

提出了一种结构简单并且利用非对称纳米天线激发条状表面等离子体波导模式的微结构。通过纳米天线的非对称性产生的单向激发效应来实现条状表面等离子体波导模式的高效激发,利用数值模拟软件COMSOL对该结构进行了数值模拟仿真。模拟结果显示,所设计的结构可以高效地将入射远场光转化为条状表面等离子体波导模式,并且激发效率可以达到13.35%。     

变厚度板中水平剪切波的传播特性分析

为研究超声导波在储罐壁板等变壁厚结构中的传播特性，建立了SH波在空间自由边界中的传播模型，基于各向同性弹性介质Navier-Stokes方程，推导了变厚度板中SH波的频散方程，分析了变厚度板中水平剪切波走时t与倾斜角θ间的相互作用关系；通过简谐点源的远场响应并引入板厚与传播位移的非线性关系，得出了变厚度板中SH波的远场响应方程。在此基础上，仿真分析和实验验证了水平剪切波在不同倾斜角变厚度板中的传播特性，结果表明：在变厚度板的薄端激励水平剪切波并沿结构表面传播时，无频散现象，且无波包分离现象；但随着变厚度板倾斜角θ增大，水平剪切波的走时和接收信号幅值均逐渐递减，且呈非线性关系。     

用于光阻断效应的B270-As_2S_8复合光波导的设计

尽管可以采用光折变技术制备硫化砷条波导,但工艺参数控制复杂,且传输损耗较大。为了解决这一问题,提出了一种用于光阻断效应的新型B270-As2S8复合光波导结构。该设计根据光波导模式耦合的基本原理,借助波束传播法(BPM)仿真软件,主要通过对离子交换波导交换时间和As2S8薄膜厚度的匹配设计,实现了632.8nm波段导波模场分布集中在As2S8薄膜中传输,并始终维持单模特性。这个特点为有效实现光阻断效应提供了条件,非常具有实用价值。     

Measurement error in prism coupling method and refractive index profile reconstruction in ion-exchanged waveguides

Measurement error in prism coupling method is studied and an analytic expression for the uncertainty of mode effective index measurement in an ion exchanged surface waveguide is derived. A novel algorithm to determine the profile of refractive index for ion-exchange waveguides is proposed. This method takes the values calculated by anti-WKB and linear segment interpolation as approximation and then uses the least squares fitting to eliminate the measurement error. Numerical results show that the proposed algorithm can effectively reconstruct the transverse refractive index profile of graded ion-exchange planar waveguides.