專利名稱：基于瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力容器無損壓力測量技術(shù)，尤其涉及一種基于瑞利表面波的無損測壓方法及其裝置。
背景技術(shù)：
壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的一種特殊設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、能源工業(yè)、外層空間、科研及軍事工業(yè)等方面。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，壓力容器的數(shù)量和使用范圍也日益增加。大多數(shù)壓力容器是在高溫、高壓、深冷、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)或交變載荷作用下運(yùn)行，需要隨時監(jiān)測容器內(nèi)工作壓力的大小，以獲得生產(chǎn)所需的信息，同時也可及時避免由于壓力過高而引起的爆炸事故，因此對壓力容器的壓力進(jìn)行檢測是壓力容器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中必不可少的重要組成部分。
目前工業(yè)用的壓力測量幾乎均為接觸式測量，如液柱式壓力計(jì)，彈性式壓力計(jì)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(fù)面的影響，主要表現(xiàn)在(1)開孔破壞了容器原有的應(yīng)力分布并引起了應(yīng)力集中；(2)接管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)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(yīng)力集中。而應(yīng)力集中是產(chǎn)生裂紋的主要原因之一，實(shí)踐證明，壓力容器的爆炸事故絕大多數(shù)起源于裂紋或其他缺陷的擴(kuò)展。此外由于開孔，還需要考慮密封、安裝等問題，給設(shè)計(jì)和使用也帶來了不便。因此研究非接觸式的壓力測量方法，對于提升像壓力容器這樣量大面廣的工業(yè)裝置的性能，保障設(shè)備安全運(yùn)行具有特別重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。
非接觸式測量技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，屬于前沿學(xué)科，也是傳感器技術(shù)中的一個難點(diǎn)。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采用電阻應(yīng)變片作為檢測元件，在構(gòu)件表面指定點(diǎn)上粘貼電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片隨著構(gòu)件一起變形，把感受到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量，再通過專門儀器轉(zhuǎn)換成電壓或電流，并加以放大，經(jīng)過調(diào)制、解調(diào)、計(jì)算，然后轉(zhuǎn)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(yīng)變片易受環(huán)境(如電磁場、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等)的影響，壽命較短，其應(yīng)用受到一定的限制。
超聲波是指頻率大于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(nèi)部的應(yīng)力信息[1～2]。從1967年Crecraft提出可以利用超聲波來測量構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)以來，這一發(fā)展引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，用超聲波參量來表征應(yīng)力的研究在近幾十年里得到了迅速地發(fā)展，一些實(shí)用的超聲波應(yīng)力測試技術(shù)及儀器也相繼出現(xiàn)。鐵路工業(yè)是首家把無損超聲波應(yīng)力檢測轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的行業(yè)，其應(yīng)用主要有三個方面。①檢測被調(diào)直機(jī)調(diào)直后鋼軌內(nèi)的縱向殘余應(yīng)力；②檢測整體車輪輪輞內(nèi)的應(yīng)力；③檢測焊接長鋼軌內(nèi)的溫差應(yīng)力，從而在提高行車安全上發(fā)揮了重要作用，開發(fā)出的儀器已在美國、歐洲及日本等地使用。當(dāng)前比較成熟并有實(shí)際應(yīng)用的另一個實(shí)例是螺栓應(yīng)力的超聲波測量，它可以迅速準(zhǔn)確的給出螺栓軸向應(yīng)力的大小，作為分析設(shè)備運(yùn)行狀況的主要依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于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(biāo)定階段1).采用頻率為2.5MHz的壓電式一發(fā)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，并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(tài)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(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，并與步驟2)的參考信號作時延計(jì)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(guān)系式；測量階段5)當(dāng)被測容器處于工作狀態(tài)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(jì)算得到傳播時間的變化量，然后代入步驟4)的關(guān)系式計(jì)算得到待測容器當(dāng)時的工作壓力。
測壓裝置發(fā)射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發(fā)射裝置、采樣裝置、計(jì)算機(jī)相接，發(fā)射探頭和接收探頭采用瑞利表面波換能器，一發(fā)一收，頻率為2.5MHz，采樣裝置采用示波器。
本發(fā)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(nèi)壓力的關(guān)系模型為基礎(chǔ)，通過提取在壓力容器表面?zhèn)鞑サ娜鹄砻娌ㄐ盘杹碛?jì)算得到壓力值的大小?；谌鹄砻娌ǖ膲毫θ萜鲏毫y量方法其實(shí)質(zhì)在于通過測量表面波在規(guī)定長度上的傳播時間變化量，來得到容器內(nèi)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于開孔引起的各種安全隱患，而且本發(fā)明擴(kuò)大現(xiàn)有容器壓力測量的應(yīng)用場合，為實(shí)現(xiàn)容器壓力的遙測奠定了基礎(chǔ)。


圖1基于瑞利表面波的無損測壓裝置方框示意圖；圖2本發(fā)明超聲波接收發(fā)射裝置方框示意圖；圖3采用基于瑞利表面波的無損測壓裝置測量示意圖；圖4本發(fā)明采集得到的瑞利表面波信號圖；圖5本發(fā)明試驗(yàn)中的一組數(shù)據(jù)擬合關(guān)系圖；圖6瑞利表面波傳播方向與主應(yīng)力之間的方向示意圖；圖7承受內(nèi)壓的壓力容器示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，發(fā)射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發(fā)射裝置、采樣裝置、計(jì)算機(jī)相接，發(fā)射探頭和接收探頭采用瑞利表面波換能器，瑞利表面波換能器采用瑞利表面波探傷換能器，一發(fā)一收，頻率為2.5MHz，其型號參數(shù)為2.5P 13×13MC，可從常州大平超聲波儀器有限公司購買。采樣裝置采用示波器，選用Tektronix公司的TDS430A，采樣頻率選擇為500MHz，采集的數(shù)據(jù)以dat文件的形式存放在計(jì)算機(jī)中，供相關(guān)計(jì)算使用。
如圖2所示，超聲波接收發(fā)射裝置具有依次連接的同步電路、發(fā)射電路、衰減器、高頻放大器；電源電路與直流變換器相接后再分別與同步電路、發(fā)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(fā)射-600伏的脈沖去激勵發(fā)射探頭產(chǎn)生瑞利波，同時對接收探頭接收到得瑞利表面波信號進(jìn)行放大和濾波，放大后的信號經(jīng)導(dǎo)線直接送入采樣裝置，超聲波接收發(fā)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，基于瑞利表面波的壓力容器壓力測量方法的步驟為標(biāo)定階段1).采用頻率為2.5MHz的壓電式一發(fā)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，并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(tài)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(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，并與步驟2)的參考信號作時延計(jì)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(guān)系式；測量階段5)當(dāng)被測容器處于工作狀態(tài)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(jì)算得到傳播時間的變化量，然后代入步驟4)的關(guān)系式計(jì)算得到待測容器當(dāng)時的工作壓力。
所說的時延計(jì)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(guān)計(jì)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(guān)系式為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為待擬合得到的系數(shù)。
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(guān)系式。
下面為一個具體實(shí)例試驗(yàn)時，壓力容器的材料為16MnR，容器內(nèi)半徑為150mm，壁厚3mm，換能器與試樣之間的耦合劑選用甘油，實(shí)驗(yàn)時環(huán)境溫度為23℃。標(biāo)定階段，圖4所示為容器無壓力狀態(tài)下采集到得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(yīng)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(guān)系式為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(guān)系式計(jì)算就可以得到待測容器當(dāng)時的工作壓力。
本發(fā)明的原理應(yīng)力對超聲波的影響主要表現(xiàn)在對波速的改變，文獻(xiàn)[3～4]已經(jīng)給出了瑞利表面波波速與應(yīng)力關(guān)系的完整推導(dǎo)過程，這里直接給出結(jié)論。設(shè)表面波沿X1方向傳播，主應(yīng)力σ1和σ3方向如圖6所示當(dāng)瑞利表面波沿X1和X3方向傳播時，可得Δv1v10=AR11σ1+AR13σ3---(1)]]>Δv3v30=AR31σ1+AR33σ3---(2)]]>式中，AR11，AR13，AR31，AR33是與材料的二階和三階聲彈性常數(shù)有關(guān)的量，詳細(xì)的計(jì)算公式可見參考文獻(xiàn)[3～4]；v10，v30分別表示在無應(yīng)力狀態(tài)下瑞利表面波沿X1和X3方向傳播的速度；Δv1=v1-v10;Δv3=v3-v30;]]>其中，v1和v3分別表示在有應(yīng)力狀態(tài)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(shù)，即能夠計(jì)算出AR11，AR13，AR31，AR334個值的大小，進(jìn)而就可以通過測量瑞利表面波在無應(yīng)力和有應(yīng)力情況下傳播的速度，聯(lián)立式(1)和(2)解出主應(yīng)力σ1和σ3。
對于中低壓薄壁容器，由薄膜理論可知，壓力容器的受力分析可僅考慮軸向應(yīng)力σ和切向應(yīng)力σθ，且易于導(dǎo)出σ和σθ與工作壓力p之間的關(guān)系。如果以σ和σθ為中間變量，就可以導(dǎo)出瑞利表面波傳播速度與工作壓力p之間的關(guān)系。圖7所示為承受內(nèi)壓的容器。當(dāng)內(nèi)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(yīng)力和切向應(yīng)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。
對于圓柱形容器的殼體，因R1＝∞，R2＝R，故由式(3)得 式中R表示容器的外徑。
徑向應(yīng)力與軸向應(yīng)力和切向應(yīng)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(shù)有關(guān)的量。
Δvθ＝vθ-vθ0式中v，vθ與v0，vθ0分別表示有應(yīng)力和無應(yīng)力狀態(tài)下超聲波沿容器軸向和切向的方向傳播的波速。
如果令 則 Δvθvθ0=KθRpδ---(7b)]]>由此，導(dǎo)出了瑞利表面波與被測工作壓力p之間的關(guān)系模型。由式(7)可知對于給定的壓力容器，波速變化與被測工作壓力，成正比，只要測出加壓狀態(tài)下瑞利表面波傳播速度與無壓力狀態(tài)下傳播速度之差，就可以得到相應(yīng)的被測壓力p。
由于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(jìn)行測量?？紤]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(zhuǎn)變?yōu)槌暡▊鞑r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(yīng)力和無應(yīng)力時的傳播時間之差)。但是對于一定體積的材料，由于應(yīng)力的作用，必然會引起應(yīng)變，從而導(dǎo)致超聲波傳播距離上的變化，進(jìn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由應(yīng)力引起的超聲波波速的變化也相當(dāng)小，因此必須對應(yīng)變進(jìn)行修正。以表面波沿壓力容器軸向傳播為例，在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)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(yīng)力狀態(tài)下和無應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)力和無應(yīng)力狀態(tài)下傳播的時間。
將式(9)代入式(8)，并進(jìn)一步代入式(7)整理后得 式中 一般情況下K很小，在材料的屈服強(qiáng)度內(nèi)有Kσ＜＜1，因此式(10)可進(jìn)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(guān)系式為Δtθ=(2-μ2E-Kθ)tθ0Rpδ---(12)]]>式中Δtθ=tθ-tθ0]]>tθ和tθ0分別表示超聲波沿切向方向，材料中有應(yīng)力和無應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)變修正過的關(guān)系模型。由模型可知，只要測得Δtθ或Δt，在聲彈性系數(shù)已知的情況下，就可以得到被測壓力p。但是對于材料彈性常數(shù)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]，對于工程應(yīng)用而言過于復(fù)雜且實(shí)用性不強(qiáng)。但可以把((2-μ)/2E-Kθ)作為一個整體，通過試驗(yàn)的方法來確定，從而確定出Δtθ與p之間的關(guān)系。然后利用這種關(guān)系，對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過計(jì)算先得到在各種情況下的時間差，然后代入關(guān)系式計(jì)算得到壓力值的大小。
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權(quán)利要求
1.一種基于瑞利表面波的無損測壓方法，其特征在于方法的步驟為標(biāo)定階段1).采用頻率為2.5MHz的壓電式一發(fā)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，并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(tài)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(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下的瑞利表面波接收探頭接收到的超聲信號，并與步驟2)的參考信號作時延計(jì)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(guān)系式；測量階段5)當(dāng)被測容器處于工作狀態(tài)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(jì)算得到傳播時間的變化量，然后代入步驟4)的關(guān)系式就可以計(jì)算得到待測容器當(dāng)時的工作壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于瑞利表面波的無損測壓方法，其特征在于所說的時延計(jì)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(guān)計(jì)算得到時間變化量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于瑞利表面波的無損測壓方法，其特征在于步驟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(guān)系式為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為待擬合系數(shù)，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(guān)系式。
4.一種基于瑞利表面波的無損測壓裝置，其特征在于發(fā)射探頭和接收探頭依次與超聲波接收發(fā)射裝置、采樣裝置、計(jì)算機(jī)相接，發(fā)射探頭和接收探頭采用瑞利表面波換能器，一發(fā)一收，頻率為2.5MHz，采樣裝置采用示波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于瑞利表面波的無損測壓裝置，其特征在于所說的超聲波接收發(fā)射裝置具有依次連接的同步電路、發(fā)射電路、衰減器、高頻放大器；電源電路與直流變換器相接后再分別與同步電路、發(fā)射電路、衰減器、高頻放大器相接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于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(guān)系模型為基礎(chǔ)，在一個由瑞利表面波換能器，超聲波接收發(fā)射裝置，采樣裝置和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的測量系統(tǒng)中，通過提取在待測容器表面?zhèn)鞑サ娜鹄砻娌ㄐ盘杹淼玫綁毫χ档拇笮?。本發(fā)明不僅避免了在容器上開孔側(cè)壓的麻煩，減少了容器使用過程中由于開孔引起的各種安全隱患，同時本發(fā)明擴(kuò)大了現(xiàn)有容器壓力測量的應(yīng)用場合，為實(shí)現(xiàn)容器壓力的遙測奠定了基礎(chǔ)。
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(yōu)先權(quán)日2004年9月27日
發(fā)明者張宏建, 林韶峰 申請人:浙江大學(xué)