电磁超声导波结构缺陷快速检测和健康监测技术研究及应用

     本项目属于无损检测技术领域。
     日常生活和生产中存在着大量板、管结构,这些结构的完整性对于由其建立的建筑、设施和设备的安全正常运行和使用至关重要。经长期服役,这些结构可能出现损伤和缺陷,从而对建筑、设施和设备的安全运行和使用构成潜在威胁,因而需对其进行定期检测或健康监测,以及时发现损伤和缺陷,指导维修和替换工作,确保生活和生产安全。本项目基于电磁超声换能器在结构内产生超声导波,以实现对板、管等结构的缺陷检测和健康监测。超声导波检测中在一个换能器位置检测结构的一条带,检测效率优于传统的超声体波检测;电磁超声换能器可以直接在导电结构内产生超声导波,相比压电换能器具有非接触、无需液体耦合介质的优点,如果借助导体或铁磁带的辅助,也可通过机械振动传递的方式实现对非导电材料结构的缺陷检测和健康监测。
     本项目主要理论研究内容包括电磁超声换能器机理的仿真研究,超声导波裂纹检测的混合边界元仿真研究,基于反射系数和透射系数曲面的导波检测缺陷量化方法,超声导波传播和与缺陷作用的有限元仿真研究。主要技术研发内容为电磁超声导波检测和健康监测系统研发。
    所研制结构缺陷检测和健康监测系统的主要技术指标包括:
     1. 具有统一的换能器接口,可使用相应换能器激发板中的Lamb波、SH导波、管道轴向的L类型和T类型超声导波;
     2. 激励电源输出窄带burst激励信号,瞬时峰值功率范围为0-6 kW,信号频率范围为20-250 kHz,正弦周期数范围为1-12;
     3. 接收放大电路采用高性能窄带滤波,增益达110 dB;
     4. 所能检测的最大板厚可达22 mm;管道单向检测距离最大达到210 m;
     5. 数据采集和分析软件具有单次和多次触发采集两种采集模式,具有平均采集工作方式,具有多种数字信号处理功能,可与Matlab 软件进行交互和数据共享;实现了基于反射和透射系数曲面的导波检测缺陷量化算法。
     项目研究成果具有先进性,以及相对于传统检测方法的多种优势,代表了无损检测领域最新的发展方向之一,且应用范围非常广泛。
     实验室和工程应用情况表明该设备运行稳定,检测数据可靠,缺陷定位准确,检测性能较高。从2007年10月开始,本设备先后在北京博力加机电技术发展中心、北京美泰科仪检测仪器有限公司、北京康瑞明科技有限公司、北京它山石精密机械有限公司、北京石油化工学院机械工程学院、中油管道检测技术有限责任公司、中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心、硕德(北京)科技有限公司、湖北工业大学机械工程学院等多家单位(其中4家单位未开出应用证明)推广应用,已经销售检测设备和系统140多套,新增销售额24700万元,新增利润17070万元(含检测工程利润)。
     本项目设备价格具有竞争力,相比购买功能相近的国外进口设备,为用户节支达到29810万元。实际应用情况表明,项目所研发检测和监测设备的应用极大地降低了结构因缺陷而发生破坏的可能性,避免了严重的经济损失和人员伤亡,创造了良好的社会效益。