Page 84 - 无损检测2022年第十二期
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王 珅, 等:
基于柔性阵列压电传感的页岩气管道壁厚监测
件背面的能量, 具有增加带宽以及减小传感器信号 物体表面的反射, 增加声波的有效传输率, 从而达到
拖尾的作用; 匹配层对压电晶片起到保护作用, 并可 增大声波能量的目的。
改善压电晶片与待测工件之间的声学性质。 ( 4 )传感器封装材料。使用耐高温硅胶材料填
压电材料的压电振子振动时的谐振频率与振动 充整个柔性阵列传感器, 在保证传感器柔度的基础
时主振方向的长度存在以下关系 上可提高传感器的耐高温性能。使用聚酰亚胺薄膜
N = f 0 L ( 1 ) 对与被测物体接触的表面进行封装, 可使传感器在
式中: N 为频率常数; 为压电晶片的固有频率; L 实际检测中不受外界环境污染。
f 0
为压电晶片的长度。 1.3 柔性阵列传感器耦合方法
常用压电晶片的频率常数为2000~2300Hz · m , 目前, 常用的超声检测耦合剂多为液体, 如机
若激励频率为 5MHz , 则理论上压电晶片的长度可 油、 化学浆糊、 纯水等。对于监测系统来说, 传统液
低至0.5mm 。同时, 所设计的柔性阵列传感器在工 体耦合剂在露天及振动环境下会存在流失、 挥发、 变
作过程中由切换电路逐个依次激励与接收, 从而消 性等问题, 难以满足长期监测的需求。
除压电单元间的相互影响。实际工作过程中, 在保 针对这一问题, 开发了一种不易挥发和流失的
证传感器曲度和柔度性能的前提下, 可根据管道直 耐候性干耦合材料来代替液体耦合剂, 干耦合压电
径、 壁厚、 监测面积、 分辨率需求、 通道数等因素, 设 传感方式如图 3 所示。干耦合材料是以环氧树脂为
计晶片尺寸、 间隙大小、 晶片数量、 布置方式等参数, 主要原料, 以二丙烯酸酯、 硫醇封端聚合物、 二丙氧
以实现管道危险点的全覆盖监测。 基化等为辅混合而成的环氧胶黏剂, 其在室温下会
1.2 柔性阵列传感器材料 与空气中的水发生反应, 迅速固化, 大约 5min即可
传统超声传感器为刚性材料, 在检测管状工件 达到一定强度。干耦合材料环氧胶黏剂与传统液体
时仅为部分面接触甚至是线接触、 点接触, 而较小的 耦合剂耦合效果相当, 且无需较大的耦合压紧力即
接触面积会极大降低检测精度。柔性阵列传感器具 可良好耦合。现场作业时, 安装传感器前该干耦合
有耐高温、 材料薄、 柔度高的特点, 可以很好地与曲 材料处于黏性液体状态, 可轻易排出传感器与管道
面工件匹配、 贴合, 提高检测精度和缺陷检出率。柔 之间的空气, 使两者之间达到良好的耦合效果。同
性阵列传感器的材料选择主要考虑以下 4 个方面 时, 该干耦合材料固化后具有较高的硬度、 剥离强度
因素。 和抗剪强度, 可以在无额外固定工装的辅助下将柔
( 1 )压电晶片材料的选择。压电晶片是传感器 性阵列传感器固定在管道表面, 从而减小传感器安
中的核心元件, 其制作材料主要有 3 类: 无机压电材 装所需空间, 使柔性阵列传感器在页岩气管道复杂
料( 即压电晶体和压电陶瓷)、 有机压电材料和复合 结构处依然具备长期监测能力。
压电材料。柔性阵列传感器中压电晶片为以压电陶
瓷粉末和压电聚合物 PVDF ( 聚偏二氟乙烯) 为主要
原料组成的高温复合材料 [ 17-19 ] , 具有柔性高、 密度
小且耐高温的特点, 在100℃ 下依然可以正常使用。
( 2 )背衬层材料的选择。背衬层材料需要具备
较高的声阻尼特性, 通常依靠复合材料来实现。目
前应用最广泛的方法是将环氧树脂与钨粉两种材料
图 3 干耦合压电传感方式示意
按一定比例混合, 配置成复合材料, 来作为背衬层,
以提高减振能力和阻抗值。 2 试验验证
( 3 )匹配层材料的选择。声波在不同特性阻抗
介质表面传播时会出现反射和透射的现象, 必须对 笔者加工制作 4 通道柔性阵列传感器进行初步
匹配层进行阻抗匹配才能达到最好的声透射效果。 试验验证, 包括传感器的耐高温、 抗振性、 精度、 稳定
当匹 配 层 材 料 为 不 锈 钢 时, 其 声 透 射 率 可 超 过 性等特性测试。 4 通道柔性阵列传感器实物如图 4
[ 20 ] 。使用不锈钢薄片制备匹配层, 可改善压电 所示, 试验中所用柔性阵列传感器压电晶片的长度
0.97
晶片与被测物体之间的声学性质, 减小声波在被测 为20mm , 宽度为10mm , 厚度为1mm 。压电晶片
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2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测
