《干耦合压电超声厚度检测系统设计》文献综述
1前言
无损检测方法多种多样，除了传统的几大常规检测方法，各种新方法层出不穷，但是每种方法都有各自的优缺点和适用范围，而在众多的无损检测方法中，超声波测厚方法能够快捷、经济、有效、安全地测出钢管壁厚，目前工业上使用最广泛的超声波测厚方法是采用液体耦合剂(多数情况下是水或者油)，利用压电换能器激励出超声波进行厚度检测的方法[1-2]。采用此方法在检测过程中，需在待检测材料表面喷洒水或油等液体耦合剂，而对于钢管等易受锈蚀金属材料，若喷洒耦合剂会加快其腐蚀且不易清除，长期使用会影响材料的物理和化学性能，影响结构的完整性，从而造成难以估量的损失[3-4]。因此迫切需要寻求一种无需耦合剂的超声检测方法，而干耦合法由于耦合材料和待测金属表面直接接触，不需其他耦合介质，检测手段灵活，可用于钢材钢管的全覆盖检测。
2 现状与发展
国内在无缝钢管的测厚方面起步较晚，是从上世纪90年代才开始起步，但近些年来取得了积极的成效，推进了国内超声检测的发展。郑海平等对非金属复合材料干耦合超声自动探伤方法进行研究，分析了耦合压力、步距、转速对实验结果的影响[5]。穆洪彬等将干耦合超声检测技术应用于某火箭发动机喷管的在役检测中，对检测灵敏度进行了论述，得出能够检测10 mm以上脱粘、分层、弱粘接缺陷的结论[6]。周正干等利用空气耦合超声检测技术，对纤维增强复合材料进行检测和评价，取得良好应用效果[7-8]。
华中科技大学的康宜华教授和武汉华宇一目检测装备有限公司研制的多通道数字化超声波探伤测厚检测设备是目前国内最先进的超声检测设备之一，已经有成熟的产品，并成功应用于非开挖钻杆的检测和钢管的检测。合肥工业大学研制出了喷淋水耦合式旋转多探头超声检测系统，可以对钢管进行横向伤、纵向伤和壁厚检测。此外，合肥工业大学也在超声检测中的数据信号采集与处理方面也有一定研究，如利用DSP接受和处理超声回波信号，利用LZW算法对超声回波信号进行实时处理时等[9]。美国西北大学Komsky为了克服传统超声检测需要使用液体或胶状耦合剂的缺点，研制出一种应用于航空器结构检测的超声干耦合探头，该探头前端使用了聚合物薄层，与试件干耦合接触，在低压力情况下可适应各种不规则检测表面，可发射和接收MHz频带范围内的纵波和横波[10-11]。法国蒙彼利埃大学Jimmy Duwattez 等研制出一种10~100 MHz 的高频干耦合探头，用来在微观尺度下对材料表面粗糙度和摩擦性能进行检测，其中延迟块用来在发射表面产生均匀的波形，它的长度必须大于或等于菲涅耳距离[12]。英国布里斯托大学A.M.Robinson等研制了一种低频(lt;500 kHz)干耦合轮式探头，并用于三层粘接结构的检测[13]。英国华威大学C.E.Dixon 等在探头的前端设计了一定厚度的干耦合材料层，并用来与金属试件直接接触，并通过实验分析了不同厚度干耦合剂层对检测效果的影响[14]。德国斯图加特大学Igor Solodov 等针对传统空气耦合超声检测空气-固体界面易出现阻抗不匹配的问题，提出了空气耦合Lamb波检测方法，并通过实验验证了该方法不仅能精确测量出复合材料内部纤维方向，还能对各向异性复合材料板中的裂纹和分层缺陷进行量化检测[15]。日本川嶋紘一郎等利用一种内置增幅80 dB的高功率超声波发射接收器JPR-600，对复合材料内部缺陷进行损伤成像检测，实现了空气耦合超声波检测技术的实际应用[16]。
Sailard 放置了一块软的天然橡胶片在超声探头利被测工件之间，完成了超声波检测。Kraul Kraner运用了一种特殊的干耦合材料，并且创新地将超声波探头做成了轮子的形状，利用这种声透性好的材料将压电超声探头包裹，使这种材料代替传统的耦合剂，更方便探头的使用。Lynworth提出了应用氯丁橡胶作为干耦合材料[17-22]。
在这些发展历程中，随着科学技术的进一步提高，得益于半导体技术和计算机技术的成热发展，出现了多通道的压电式超声波仪器，它能够同时记录采集多通道的信号，这使得对钢管更全面的覆盖检测成为了可能。用于小直径钢管的新型壁厚检测装置在国外兴起，最开始是在德国出现了利用水作为耦合剂，在检测的时候将钢管浸没在水中进行检测的水浸式超声波测厚系统。在这个系统中，钢管直线前进，超声波探头静止不动，可以说是现代超声检测设备的雏形。
3 研究内容及任务
3.1 利用干耦合材料的压电超声测厚原理
压电超声波的产生利用的是材料的压电效应，这种材料可以将电信号转化成为相应频率的超声波。压电超声波测厚是在外部的声能换能器中激励出的超声波，由于声阻抗的原理超声波在空气中迅速衰减，为了克服声波的衰减，使超声波更多的透射入待测工件，必需要有耦合剂的存在。图3.1为利用干耦合材料的压电超声测厚原理图。
图3.1干耦合压电超声测厚原理图
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