CN104833725A - 用于炉管积碳层检测的非线性超声谐振谱方法 - Google Patents

Abstract

用于炉管积碳层检测的非线性超声谐振谱方法，搭建炉管积碳层非线性超声谐振检测系统；截取示波器上激励信号之后一定长度的回波信号，扫频获取被测试件的基波及二次谐波谐振谱，从中选取探头中心频率附近谐振模态所对应的频率段作为检测频率范围；改变激励电压水平，分别获取检测频率段内相应的基波及二次谐波谐振频率偏移规律图；根据不同激励电压水平下谐振频率的相对偏移量拟合一条直线，用该直线的斜率作为非线性系数来反映被测试件在不同激励电压水平下谐振频率的偏移程度；对具有不同积碳层厚度的试件进行检测，获取各自谐振频率的相对偏移量，进而利用二次谐波谐振频率的相对偏移量来检测评价积碳层厚度。

Description

用于炉管积碳层检测的非线性超声谐振谱方法

技术领域

本发明涉及一种炉管积碳层超声检测方法，特指基于二次谐波谐振谱偏移的非线性超声检测方法。该方法可用于有机热载体炉内炉管积碳层检测及厚度的测量，属于无损检测领域。

背景技术

有机热载体炉是一种以导热油为传热介质的重要换能设备。有机热载体炉因具有高效、节能、运行平稳等优势，已经广泛应用于石油化工、制药、纺织印染、建材等工业领域。然而，在有机热载体炉运行过程中，导热油时常因局部过热发生裂解而析碳，使导热油粘度增加，传热性能下降，严重时会引起结焦，最终导致爆管事故。因此，针对有机热载体炉安全运行问题，迫切需要发展一种炉管积碳层无损检测方法。

目前，国内外已有学者开展有关有机热载体炉管道积碳层检测方法研究。例如，彭小兰等在《基于超声导波的有机热载体炉积碳检测技术》中研究了L(0,2)模态导波群速度随积碳层厚度变化规律。提出利用导波群速度变化表征积碳层厚度变化的检测方法。由于管道中超声导波的复杂性(如频散、多模态等)和单一导波模态的可激励性差等问题，限制了超声导波技术在实际炉管积碳检测中的应用。朱宇龙等在《基于结焦机理的有机热载体炉炉管在线寿命评估系统研究》中提出了基于管壁结焦机理的有机热载体炉炉管在线寿命评估系统。根据红外成像系统测得的炉管壁温，利用炉管外壁温与管内壁结焦速率关系模型，对炉管积碳层厚度进行推测。由于假设模型中仅考虑了炉管外壁温度单一参数的影响，使得积碳层预测结果的准确性不足。

由于检测精度和检测效率高等特点，超声谐振法也是一种常用的厚度测量方法。例如，毛捷等在《板底薄层的超声谐振检测分析》中针对铝-薄层结构，研究了板层谐振频率随薄层厚度等参数的变化规律，利用谐振频率及相对偏移量实现薄层厚度测量。基于同样的原理，M.Yoshida等在《A New Method to Measurethe Oxide Layer Thickness on Steels Using Electromagnetic Acoustic Resonance》中利用电磁超声谐振法对钢板表面的氧化层厚度进行了测量。由于常规超声谐振法基于超声波在待测试件中多次反射形成驻波原理进行厚度测量，可以很好实现金属及液体等低衰减介质厚度测量。对于高衰减材料，由于难以形成稳定驻波场，因此，无法利用常规超声谐振法进行厚度测量。

针对传统超声谐振检测方法的不足，国外学者提出了一种非线性超声谐振检测方法，即利用不同激励幅值下谐振频率的相对偏移进行损伤检测。例如，Toshihiro Ohtani等在《Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy(NRUS)appliedto fatigue damage evaluation in a pure copper》中利用不同激励幅值下基波谐振频率的相对偏移对具有不同程度疲劳损伤的铜板进行了检测。Michele Meo等在《Detecting damage in composite material using nonlinear elastic wave spectroscopymethods》则将不同激励幅值下基波谐振频率偏移量用于复合材料中分层缺陷的检测。A.Novak等在《Nonlinear acoustic characterization ofmicro-damaged materialsthrough higher harmonic resonance analysis》中将不同激励幅值下二次谐波谐振频率的相对偏移用于不同材料试件的微损伤评价。

基于非线性超声谐振技术对微损伤的高敏感性，本发明提出一种用于炉管积碳层检测的非线性超声谐振谱方法。利用不同激励水平下，高次谐波谐振谱的相对偏移进行炉管积碳层检测及厚度定量评价。

发明内容

本发明旨在提出一种炉管积碳层超声检测方法，特别是基于二次谐波谐振谱偏移的非线性超声检测方法。该方法采用自激自收检测模式，将压电直探头布置在被检测试件表面，通过扫频方式获取基波及二次谐波的谐振频谱，选取探头中心频率附近的一个谐振模态作为检测频率段，改变激励电压水平，得到不同激励水平下相应的基波及二次谐波谐振谱。利用不同激励水平下谐振频率的相对偏移量作为特征参量，进行炉管积碳层检测及厚度表征。

本发明提出的基于谐振频率偏移的炉管积碳层非线性超声谐振检测方法，其基本原理在于：

对于类岩石、混凝土等细观非均匀材料，它们具有很强的非线性效应，这种非线性效应会导致这些材料的应力-应变关系中出现明显的迟滞特性。传统非线性弹性理论模型已不能用于该类材料非线性特性的描述。因此，在考虑迟滞效应的基础上，该类材料的非线性弹性关系表述为：

$M(\mathrm{\ϵ},\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})=M_0(1-\mathrm{\β\ϵ}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}^2-...-\mathrm{\α}(\mathrm{\Δ\ϵ}+\sin \left(\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\right)\mathrm{\ϵ}))...\left(1\right)$

其中M₀为线性系数，ε为应变，为应变率，β和δ为二阶和三阶非线性系数，α为非线性迟滞参数，Δε为平均应变幅值。

大量实验表明，在较大应变幅值水平下，这些材料非线性效应中迟滞参数α占主导，并且迟滞非线性效应主要表现为谐振频率的向低频偏移，相对偏移量可以表示为：

$\frac{f_{n0}-f_n}{f_{n0}}\≈{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(2\right)$

其中f_n0为n次谐波激励水平最低时的谐振频率，f_n为n次谐波激励水平增加时的谐振频率。

从式(2)中看出，随着激励水平的提高，应变幅值会增大，谐振频率会降低。由于炉管积碳层也是一种类似的细观非均匀材料，当改变激励水平时，积碳层所表现出的应力应变间的非线性弹性迟滞特性，将使得带积碳层的钢材整体也表现出非线性迟滞行为，从而使得其谐振频率发生偏移。并且当积碳层厚度不同时，所表现出的非线性迟滞行为也有所不同，则相应的谐振频率的偏移量也不同。因此，可以通过不同激励水平下谐振频率的偏移程度进行积碳层检测及积碳层厚度定量评价。

为实现上述技术方案的分析，本发明采用的试验装置参见图1，包括计算机1、非线性声学测量系统2、信号选择器3、数字示波器4、50欧姆负载5、可调衰减器6、双工器7、超声压电直探头8、带积碳层的被测试件9、可调前置放大器10。具体而言，计算机1与非线性声学测量系统2相连，控制产生激励信号，并采集接收信号。非线性声学测量系统2的输出通道通过50欧姆负载5和可调衰减器6与双工器7的输入端相连，双工器7的输出端与压电直探头8相连。双工器7的TO REC端输出的接收信号通过前置放大器10与非线性声学测量系统2的接收通道相连。数字示波器4通过信号选择器3与非线性声学测量系统2相连。

本文提出的基于二次谐波谐振谱偏移的炉管积碳层非线性超声谐振检测方法是通过以下步骤实现的：

1)按照试验装置图1连接试验设备，将压电直探头布置在被测试件的上表面。

2)截取示波器上激励信号之后一定长度的回波信号，采用非线性声学测量系统进行频率范围为激励探头中心频率2倍的扫频，获取被测试件的基波及二次谐波谐振谱，从中选取探头中心频率附近谐振模态所对应的频率段作为检测频率范围。

3)改变激励电压水平，分别获取检测频率段内不同激励电压水平下的基波及二次谐波谐振频率偏移规律图。

4)根据不同激励电压水平下谐振频率的相对偏移量拟合一条直线，用该直线的斜率作为非线性系数来反映被测试件在不同激励电压水平下谐振频率的偏移程度。

5)重复上述步骤1)～步骤4)，对具有不同积碳层厚度的试件进行检测，获取各自谐振谱的相对偏移量，进而利用二次谐波谐振频率的相对偏移量来检测评价积碳层厚度。

本发明具有以下特点：1)利用不同激励电压水平下的二次谐振频率是否发生偏移可以有效检测炉管中有无积碳层。2)利用不同激励电压水平下的二次谐振频率相对偏移量的大小可以对炉管积碳层厚度进行有效表征。

附图说明

图1是本发明的检测试验装置原理图。

图2a是被测试件的基波谐振谱图。

图2b是被测试件的二次谐波谐振谱图。

图3a是0mm积碳层厚度试件的基波谐振频率偏移规律图。

图3b是0mm积碳层厚度试件的二次谐波谐振频率偏移规律图。

图3c是2mm积碳层厚度试件的基波谐振频率偏移规律图。

图3d是2mm积碳层厚度试件的二次谐波谐振频率偏移规律图。

图3e是4mm积碳层厚度试件的基波谐振频率偏移规律图。

图3f是4mm积碳层厚度试件的二次谐波谐振频率偏移规律图。

图3g是6mm积碳层厚度试件的基波谐振频率偏移规律图。

图3h是6mm积碳层厚度试件的二次谐波谐振频率偏移规律图。

图3i是8mm积碳层厚度试件的基波谐振频率偏移规律图。

图3j是8mm积碳层厚度试件的二次谐波谐振频率偏移规律图。

图4是本发明的检测结果规律图。

图中：1─计算机、2─非线性声学测量系统、3─信号选择器、4─示波器、5─50Ω负载、6─可调衰减器、7─双工器、8─压电直探头、9─被测试件、10─可调前置放大器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

本实施例实施过程包括以下步骤：

1)按照试验装置图1连接试验设备，将中心频率为10MHz的压电直探头布置在积碳层厚度为8mm的试件上表面。

2)截取示波器上激励信号之后8μs长度的回波信号，采用SNAP系统进行频率范围为4MHz～20MHz的扫频，获取被测试件的基波及二次谐波谐振谱，如图2a、2b所示，从中选取探头中心频率附近谐振模态所对应的频率段10.7MHz～10.9MHz作为检测频率范围。

3)改变激励电压水平，Output level值依次从22增加到28，分别获取10.7MHz～10.9MHz内相应的基波及二次谐波谐振频率偏移规律图，如图3i、3j所示。

4)根据不同激励电压水平下谐振频率的相对偏移量拟合一条直线，用该直线的斜率作为非线性系数来反映被测试件在不同激励电压水平下谐振频率的偏移程度。

5)重复上述步骤1)～步骤4)，依次对积碳层厚度为6mm、4mm、2mm、0mm的试件进行检测，相应的基波及二次谐波谐振频率偏移规律图如图3a～3h所示，获取各自谐振谱的相对偏移量，其随积碳层厚度变化的规律如图4所示，利用谐振频率的相对偏移量来对炉管积碳层进行有效检测及厚度表征。

从图4中可以看到，随着积碳层厚度的增加，二次谐波谐振频率的相对偏移量依次增大，而基波谐振频率基本不发生偏移，所以可以利用二次谐波谐振频率的相对偏移量对炉管积碳层进行有效检测及厚度表征。

以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于炉管积碳层厚度检测，还可用于其它非均匀材料附着层的厚度检测。

Claims (2)

1.一种基于二次谐波谐振频率偏移的炉管积碳层非线性超声检测系统搭建，其特征在于：该系统包括计算机(1)、非线性声学测量系统(2)、信号选择器(3)、数字示波器(4)、50欧姆负载(5)、可调衰减器(6)、双工器(7)、超声压电直探头(8)、带积碳层的被测试件(9)、可调前置放大器(10)；计算机(1)与SNAP系统(2)相连，控制产生激励信号，并采集接收信号；非线性声学测量系统(2)的输出通道通过50欧姆负载(5)和可调衰减器(6)与双工器(7)的输入端相连，双工器(7)的输出端与压电直探头(8)相连；双工器(7)的TO REC端输出的接收信号通过前置放大器(10)与非线性声学测量系统(2)的接收通道相连；数字示波器(4)通过信号选择器(3)与非线性声学测量系统(2)相连。

2.一种基于二次谐波谐振频率偏移的炉管积碳层非线性超声检测方法，其特征在于：检测方法步骤如下，

1)连接试验设备，将压电直探头布置在被测试件的上表面；

2)截取示波器上激励信号之后一定长度的回波信号，采用SNAP系统进行频率范围为激励探头中心频率2倍的扫频，获取被测试件的基波及二次谐波谐振谱，从中选取探头中心频率附近谐振模态所对应的频率段作为检测频率范围；

3)改变激励电压水平，分别获取检测频率段内不同激励电压水平下的基波及二次谐波谐振频率偏移规律图；

4)根据不同激励电压水平下谐振频率的相对偏移量拟合一条直线，用该直线的斜率作为非线性系数来反映被测试件在不同激励电压水平下谐振频率的偏移程度；

5)重复上述步骤1)～步骤4)，对具有不同积碳层厚度的试件进行检测，获取各自谐振谱的相对偏移量，进而利用二次谐波谐振频率的相对偏移量来检测评价积碳层厚度。