基於瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置的製作方法

2023-06-11 10:22:36

專利名稱：基於瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓力容器無損壓力測量技術，尤其涉及一種基於瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置。
背景技術：
壓力容器是現代工業生產過程中不可缺少的一種特殊設備，它廣泛應用於石油、化工、冶金、輕工、能源工業、外層空間、科研及軍事工業等方面。隨著國民經濟的迅速發展，壓力容器的數量和使用範圍也日益增加。大多數壓力容器是在高溫、高壓、深冷、強腐蝕介質或交變載荷作用下運行，需要隨時監測容器內工作壓力的大小，以獲得生產所需的信息，同時也可及時避免由於壓力過高而引起的爆炸事故，因此對壓力容器的壓力進行檢測是壓力容器設計和運行中必不可少的重要組成部分。
目前工業用的壓力測量幾乎均為接觸式測量，如液柱式壓力計，彈性式壓力計等，這類儀表在使用時需要在容器壁上開孔接引壓管，這就不可避免地會對容器帶來一些負面的影響，主要表現在(1)開孔破壞了容器原有的應力分布並引起了應力集中；(2)接管處容器殼體與接管形成結構不連續應力；(3)殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡(即小圓角)而引起應力集中。而應力集中是產生裂紋的主要原因之一，實踐證明，壓力容器的爆炸事故絕大多數起源於裂紋或其他缺陷的擴展。此外由於開孔，還需要考慮密封、安裝等問題，給設計和使用也帶來了不便。因此研究非接觸式的壓力測量方法，對於提升像壓力容器這樣量大面廣的工業裝置的性能，保障設備安全運行具有特別重要的經濟和社會意義。
非接觸式測量技術是近年來國內外研究的熱點，屬於前沿學科，也是傳感器技術中的一個難點。在非接觸式壓力測量的研究方面，已有一些方法，如電阻式壓力傳感器採用電阻應變片作為檢測元件，在構件表面指定點上粘貼電阻應變片，電阻應變片隨著構件一起變形，把感受到的機械量轉換成電量，再通過專門儀器轉換成電壓或電流，並加以放大，經過調製、解調、計算，然後轉化成壓力值給予指示。這種方法雖然不用開孔，但作為檢測元件的電阻應變片易受環境(如電磁場、溫度、溼度、化學腐蝕等)的影響，壽命較短，其應用受到一定的限制。
超聲波是指頻率大於20kHz以上的聲波，它不僅可以作為一種無損探傷的媒介，而且還能靈敏的反映出材料內部的應力信息[1～2]。從1967年Crecraft提出可以利用超聲波來測量構件中的應力狀態以來，這一發展引起了國內外學者的關注，用超聲波參量來表徵應力的研究在近幾十年裡得到了迅速地發展，一些實用的超聲波應力測試技術及儀器也相繼出現。鐵路工業是首家把無損超聲波應力檢測轉化為實際應用的行業，其應用主要有三個方面。①檢測被調直機調直後鋼軌內的縱向殘餘應力；②檢測整體車輪輪輞內的應力；③檢測焊接長鋼軌內的溫差應力，從而在提高行車安全上發揮了重要作用，開發出的儀器已在美國、歐洲及日本等地使用。當前比較成熟並有實際應用的另一個實例是螺栓應力的超聲波測量，它可以迅速準確的給出螺栓軸向應力的大小，作為分析設備運行狀況的主要依據。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置。
測壓方法的步驟為標定階段1).採用頻率為2.5MHz的壓電式一發一收瑞利表面波換能器作為探頭，兩探頭沿待測容器對稱軸固定在容器表面，並上下保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為10cm；2).先測出待測容器在無壓力狀態下瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，以此作為參考信號；3).再測出待測容器在不同標準壓力狀態下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，並與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量；4)通過最小二乘法擬合得到時間差變化量與壓力之間的關係式；測量階段5)當被測容器處於工作狀態時，通過瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量，然後代入步驟4)的關係式計算得到待測容器當時的工作壓力。
測壓裝置發射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發射裝置、採樣裝置、計算機相接，發射探頭和接收探頭採用瑞利表面波換能器，一發一收，頻率為2.5MHz，採樣裝置採用示波器。
本發明以中低壓容器為研究對象，以超聲波傳播時間差與容器內壓力的關係模型為基礎，通過提取在壓力容器表面傳播的瑞利表面波信號來計算得到壓力值的大小。基於瑞利表面波的壓力容器壓力測量方法其實質在於通過測量表面波在規定長度上的傳播時間變化量，來得到容器內壓力值的大小。不僅避免了在容器上開孔的麻煩，減少了容器使用過程中由於開孔引起的各種安全隱患，而且本發明擴大現有容器壓力測量的應用場合，為實現容器壓力的遙測奠定了基礎。


圖1基於瑞利表面波的無損測壓裝置方框示意圖；圖2本發明超聲波接收發射裝置方框示意圖；圖3採用基於瑞利表面波的無損測壓裝置測量示意圖；圖4本發明採集得到的瑞利表面波信號圖；圖5本發明試驗中的一組數據擬合關係圖；圖6瑞利表面波傳播方向與主應力之間的方向示意圖；圖7承受內壓的壓力容器示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，發射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發射裝置、採樣裝置、計算機相接，發射探頭和接收探頭採用瑞利表面波換能器，瑞利表面波換能器採用瑞利表面波探傷換能器，一發一收，頻率為2.5MHz，其型號參數為2.5P 13×13MC，可從常州大平超聲波儀器有限公司購買。採樣裝置採用示波器，選用Tektronix公司的TDS430A，採樣頻率選擇為500MHz，採集的數據以dat文件的形式存放在計算機中，供相關計算使用。
如圖2所示，超聲波接收發射裝置具有依次連接的同步電路、發射電路、衰減器、高頻放大器；電源電路與直流變換器相接後再分別與同步電路、發射電路、衰減器、高頻放大器相接。它主要完成以下功能以150Hz的頻率發射-600伏的脈衝去激勵發射探頭產生瑞利波，同時對接收探頭接收到得瑞利表面波信號進行放大和濾波，放大後的信號經導線直接送入採樣裝置，超聲波接收發射裝置也可以從常州大平超聲波儀器有限公司購買。
如圖3所示，基於瑞利表面波的壓力容器壓力測量方法的步驟為標定階段1).採用頻率為2.5MHz的壓電式一發一收瑞利表面波換能器作為探頭，兩探頭沿待測容器對稱軸固定容器表面，並上下保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為10cm；2).先測出待測容器在無壓力狀態下瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，以此作為參考信號；3).再測出待測容器在不同標準壓力狀態下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，並與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量；4)通過最小二乘法擬合得到時間差變化量與壓力之間的關係式；測量階段5)當被測容器處於工作狀態時，通過瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量，然後代入步驟4)的關係式計算得到待測容器當時的工作壓力。
所說的時延計算方法具體步驟如下1)令信號A，B始波部分的幅值為零；2)對A1，B1做互相關計算得到時間變化量。
通過最小二乘法擬合得到時間差變化量與壓力之間的關係式為p＝KΔt其中p為待測容器的工作壓力，Δt為瑞利表面波傳播時間的變化量。K為待擬合得到的係數。
由步驟1)，2)可以得到p、Δt的多組樣本值[p1，p2，p3…]，[Δt1，Δt2，Δt3…]，通過最小二乘法擬合得到K值，即得到時間差變化量與壓力之間的關係式。
下面為一個具體實例試驗時，壓力容器的材料為16MnR，容器內半徑為150mm，壁厚3mm，換能器與試樣之間的耦合劑選用甘油，實驗時環境溫度為23℃。標定階段，圖4所示為容器無壓力狀態下採集到得Rayleigh表面波信號，由步驟1)，2)可以得到p、Δt的多組樣本值為
，單位Mpa；對應的時間變化量為
，單位ns。由步驟4)，最小二乘法擬合得到的K＝0.162，如圖4所示，則時間差變化量與壓力之間的關係式為p＝0.162Δt測量階段，通過測量得到的時間變化量Δt，代入上述關係式計算就可以得到待測容器當時的工作壓力。
本發明的原理應力對超聲波的影響主要表現在對波速的改變，文獻[3～4]已經給出了瑞利表面波波速與應力關係的完整推導過程，這裡直接給出結論。設表面波沿X1方向傳播，主應力σ1和σ3方向如圖6所示當瑞利表面波沿X1和X3方向傳播時，可得v1v10=AR111+AR133---(1)]]>v3v30=AR311+AR333---(2)]]>式中，AR11，AR13，AR31，AR33是與材料的二階和三階聲彈性常數有關的量，詳細的計算公式可見參考文獻[3～4]；v10，v30分別表示在無應力狀態下瑞利表面波沿X1和X3方向傳播的速度；v1=v1-v10;v3=v3-v30;]]>其中，v1和v3分別表示在有應力狀態下表面波沿X1和X3方向傳播的速度。
由式(1)和(2)可知，如果已知被測試件材料的二階和三階聲彈性常數，即能夠計算出AR11，AR13，AR31，AR334個值的大小，進而就可以通過測量瑞利表面波在無應力和有應力情況下傳播的速度，聯立式(1)和(2)解出主應力σ1和σ3。
對於中低壓薄壁容器，由薄膜理論可知，壓力容器的受力分析可僅考慮軸向應力σ和切向應力σθ，且易於導出σ和σθ與工作壓力p之間的關係。如果以σ和σθ為中間變量，就可以導出瑞利表面波傳播速度與工作壓力p之間的關係。圖7所示為承受內壓的容器。當內壓為p時，由薄膜理論可得[5] 式中σ，σθ分別表示壓力容器受壓時的軸向應力和切向應力，R1，R2分別表示筒面的第一和第二主曲率半徑，δ表示容器的壁厚。
對於圓柱形容器的殼體，因R1＝∞，R2＝R，故由式(3)得 式中R表示容器的外徑。
徑向應力與軸向應力和切向應力相比很小，近似為零即σr＝0將式(4)代入式(1)，(2)，可以得到
式中AR，ARθ，AR，ARθθ表示與材料二階和三階聲彈性常數有關的量。
Δvθ＝vθ-vθ0式中v，vθ與v0，vθ0分別表示有應力和無應力狀態下超聲波沿容器軸向和切向的方向傳播的波速。
如果令 則 vv0=KRp---(7b)]]>由此，導出了瑞利表面波與被測工作壓力p之間的關係模型。由式(7)可知對於給定的壓力容器，波速變化與被測工作壓力，成正比，只要測出加壓狀態下瑞利表面波傳播速度與無壓力狀態下傳播速度之差，就可以得到相應的被測壓力p。
由於超聲波波速變化的測量一般比較困難，且傳播速度本身不能作為直接量進行測量。考慮到超聲波都要在一定距離的材料中傳播，可以將波速的變化量轉變為超聲波傳播時間的變化量，通過對超聲波信號的處理來確定超聲波在試樣中傳播時間的變化量Δt(有應力和無應力時的傳播時間之差)。但是對於一定體積的材料，由於應力的作用，必然會引起應變，從而導致超聲波傳播距離上的變化，進一步影響到對超聲波傳播時間的測量。雖然距離的變化量ΔL很小，但在實驗中發現，由應力引起的超聲波波速的變化也相當小，因此必須對應變進行修正。以表面波沿壓力容器軸向傳播為例，在彈性應變範圍內有 式中E和μ分別表示材料的楊氏模量和泊松比。
瑞利表面波在有應力狀態下和無應力狀態傳播所用的時間為
而 式中t和t0分別表示超聲波在材料有應力和無應力狀態下傳播的時間。
將式(9)代入式(8)，並進一步代入式(7)整理後得 式中 一般情況下K很小，在材料的屈服強度內有Kσ＜＜1，因此式(10)可進一步簡化為 同理還可以得到超聲波沿壓力容器切向傳播時，Δtθ與p之間的簡化關係式為t=(2-2E-K)t0Rp---(12)]]>式中t=t-t0]]>tθ和tθ0分別表示超聲波沿切向方向，材料中有應力和無應力狀態下傳播的時間。
由此，式(11)，(12)分別給出了瑞利表面波沿壓力容器軸向和切向傳播一定距離時的時間變化量與被測壓力p之間對應變修正過的關係模型。由模型可知，只要測得Δtθ或Δt，在聲彈性係數已知的情況下，就可以得到被測壓力p。但是對於材料彈性常數的測定通常需要測量幾種不同波型沿不同方向傳播和偏振的波速[6]，對於工程應用而言過於複雜且實用性不強。但可以把((2-μ)/2E-Kθ)作為一個整體，通過試驗的方法來確定，從而確定出Δtθ與p之間的關係。然後利用這種關係，對現場採集的數據通過計算先得到在各種情況下的時間差，然後代入關係式計算得到壓力值的大小。
參考文獻(1)M-Duquennoy，M.Ouanouh，M.Ourak.Ultrasonic Evaluation of Stress inOrthotropic Materials Using Rayleigh Waves.NDTE International，1999，32189～199.
(2)M.Hirao，H.Fukuoka，K.Hori，Acoustoelastic Effect of Rayleigh Surface Wavein Isotropic Material.Joumal of Applied Mechanics，1981，48119～124.
(3)Y.H.Pao，W.Sachse，H.Fukuoka.Acoustoelasticity and Ultrasonic Measurementsof Residual Stress.Physical Acoustics，Mason and Thurston edit 17(1984)61～143.
(4)M.Duquennoy，M.Ouaftouh，M.Ourak，etc.Theoretical Determination ofRayleigh Wave Acoustoelastic CoefficientsComparison with Experimental Values.Ultrasonics，2002，39575～583.
(5)王志文.化工容器設計.化學工業出版社，1993.
(6)Sato H，Nishino H，Cho H，et al.Estimation of Elastic Constants from SurfaceAcoustic Wave Veloctity by Inverse Analysis Using the Downhill Simplex Method.Janpanese Journal of Applied Physics，Partl，1998，37(5B)3116～3119.
權利要求
1.一種基於瑞利表面波的無損測壓方法，其特徵在於方法的步驟為標定階段1).採用頻率為2.5MHz的壓電式一發一收瑞利表面波換能器作為探頭，兩探頭沿待測容器對稱軸固定在容器表面，並上下保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為10cm；2).先測出待測容器在無壓力狀態下瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，以此作為參考信號；3).再測出待測容器在不同標準壓力狀態下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，並與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量；4)通過最小二乘法擬合得到時間差變化量與壓力之間的關係式；測量階段5)當被測容器處於工作狀態時，通過瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，與步驟2)的參考信號作時延計算得到傳播時間的變化量，然後代入步驟4)的關係式就可以計算得到待測容器當時的工作壓力。
2.根據權利要求1所述的一種基於瑞利表面波的無損測壓方法，其特徵在於所說的時延計算方法具體步驟如下1)令信號A，B始波部分的幅值為零；2)對A1，B1做互相關計算得到時間變化量。
3.根據權利要求1所述的一種基於瑞利表面波的無損測壓方法，其特徵在於步驟4)所說的通過最小二乘法擬合得到時間差變化量與壓力之間的關係式為p＝KΔt其中p為待測容器的工作壓力，Δt為瑞利表面波傳播時間的變化量。K為待擬合係數，由步驟1)，2)可以得到p、Δt的多組樣本值[p1，p2，p3…]，[Δt1，Δt2，Δt3…]，通過最小二乘法擬合得到K值，即得到時間差變化量與壓力之間的關係式。
4.一種基於瑞利表面波的無損測壓裝置，其特徵在於發射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發射裝置、採樣裝置、計算機相接，發射探頭和接收探頭採用瑞利表面波換能器，一發一收，頻率為2.5MHz，採樣裝置採用示波器。
5.根據權利要求4所述的一種基於瑞利表面波的無損測壓裝置，其特徵在於所說的超聲波接收發射裝置具有依次連接的同步電路、發射電路、衰減器、高頻放大器；電源電路與直流變換器相接後再分別與同步電路、發射電路、衰減器、高頻放大器相接。
全文摘要
本發明公開了一種基於瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置。該方法以中低壓容器為對象，以瑞利表面波傳播速度與容器壓力的關係模型為基礎，在一個由瑞利表面波換能器，超聲波接收發射裝置，採樣裝置和計算機構成的測量系統中，通過提取在待測容器表面傳播的瑞利表面波信號來得到壓力值的大小。本發明不僅避免了在容器上開孔側壓的麻煩，減少了容器使用過程中由於開孔引起的各種安全隱患，同時本發明擴大了現有容器壓力測量的應用場合，為實現容器壓力的遙測奠定了基礎。
文檔編號G01L11/06GK1587943SQ20041006699
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月27日 優先權日2004年9月27日
發明者張宏建, 林韶峰 申請人:浙江大學