（1）实验装置
有机热载体炉积炭检测系统主要由函数信号发生器、Ag1016功率放大器、压电超声激励、接收传感器和待测空钢管组成。激励信号采用汉宁窗调制的5个周期的正弦信号，激励和接收传感器采用入射角为30°的斜入射式压电超声传感器，中心频率为500kHz，分别布置于钢管的同一素线上。试验系统示意图如图3-2所示。
（2）激励模态的选取
此次选用了T（0，1）模态、L（0，1）模态和L（0，2）模态进行了理论分析。由这三个模态在双层结构中的波动模型中推导出的频散方程式，对锅炉管道和积炭层（以石墨模拟）构成的结构建立模型，选取50mm内径管道，附着不同厚度的积炭层，得出图3-3～图3-5三组频散曲线图，箭头方向为积炭层厚度由薄到厚。
图3-2 有机热载体炉积炭检测试验系统
图3-3 不同积炭层厚度的管道中T（0，1）模态群速度频散曲线
由于T（0，1）模态难以激励并且传播能量较小，故本项目采用L（0，1）或L（0，2）模态激励超声导波。
首先分析L（0，1）模态的波结构和能流分布。以400kHz的L（0，1）模态为例，其波结构图和能流分布如图3-6所示。
图3-4 不同积炭层厚度的管道中L（0，1）模态群速度频散曲线
a）全图 b）局部图
然后分析L（0，2）模态的波结构和能流分布。以400kHz的L（0，2）模态为例，其波结构图和能流分布如图3-7所示。
图3-5 不同积炭层厚度的管道中L（0，2）模态群速度频散曲线
a）全图 b）局部图
图3-6 空管中L（0，1）模态波结构和能流分布图
图3-7 空管中L（0，2）模态波结构和能流分布图(www.xing528.com)
由上述两组图可以看出，L（0，2）模态的传播以轴向位移为主，径向位移较轴向位移始终较小，使得L（0，2）模态在传播过程中能量泄漏较少，具备较好的远距离传播能力。空管中L模态激励角度与频率分布如图3-8所示，从图中可以看出，利用斜探头很难在本项目所要检测的管道中激励出L（0，1）模态。
根据双层管道不同模态频散曲线[69]可知，在管道-积炭层双层结构中，各纵向导波L模态均表现出较大的频散特性，呈现出较为复杂的情况。由于纵向导波L（0，1）难以激励，高阶模态截止频率较高，因此不适合作为积炭层厚度的检测模态。以频率为400kHz的L（0，2）模态为例，从结构和能流分布可以看出[73]，L（0，2）模态在管道-积炭层双层结构中传播时的轴向位移较大，能量集中在管壁内部，该模态的能量在传播过程中损耗小，传播距离远。此外该模态截止频率较小且较易激励，因此，L（0，2）模态的频散特性最适合作为积炭层厚度的检测特征参数。综上所述，本项目最终选用L（0，2）模态作为激励模态。
（3）激励频率的选取
当激励信号为500kHz时可以检测0mm、1mm厚度的积炭层，因此选用500kHz先行作为检测频率进行理论验证。500kHz时不同积炭层厚度的管道中L（0，2）频散曲线如图3-9所示。
图3-8 空管中L模态激励角度与频率分布图
图3-9 500kHz不同积炭层厚度的管道中L（0，2）频散曲线
（4）斜入射式压电超声传感器的制作
500kHz时不同积炭层厚度的管道中L（0，2）模态入射角-频率关系如图3-10所示。根据图3-10呈现的激励频率与入射角度的关系，入射角选为30°。此外，根据项目钢管外径，弧度选为29mm。
斜楔块设计图如图3-11所示。
（5）斜入射式压电超声传感器阻抗分析
对探头进行的阻抗分析，得出制作得到的探头在500kHz时具有良好的效能，其二次谐振点出现在1.6MHz左右，探头阻抗分析图如图3-12所示。
图3-10 500kHz不同积炭层厚度的管道中L（0，2）模态入射角-频率关系
图3-11 斜楔块设计图 （单位：mm）
图3-12 管道积炭层检测专用斜入射式压电超声斜探头阻抗分析图（此图由软件直接输出）
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