CN111610143B - 一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统及方法，包括材料空蚀试验装置和空蚀表面检测系统；材料空蚀试验装置包括超声波空蚀发生器和容器，超声波空蚀发生器包括变频器和变幅杆；空蚀表面检测系统包括超声检测系统和自动扫描机构，超声检测系统包括超声波探头阵列、超声波发射/接收装器及数据处理与控制系统，超声波探头阵列设于测试试样下方的空蚀介质内；试验时，先启动材料空蚀试验装置进行空蚀试验，然后启动空蚀表面检测系统，通过自动扫描机构的驱动超声波探头阵列对测试试样扫描，完成在线检测。本发明可以实现在不取样情况下进行振动空蚀试验空蚀量的测量，有效提升了整个试验与检测过程的智能程度。

Description

一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统及 方法

技术领域

本发明属于空蚀技术领域，涉及空蚀试验装置，具体涉及一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统及方法。

背景技术

空蚀是由空泡作用引起的损伤过程，是流体机械的一种常见的表面破坏形式。这一现象最初是在十九世纪末期，研究汽船螺旋桨性能劣化的原因时首次提出并使用的。空蚀现象在船舶螺旋桨、船用泵普遍存在，提高叶轮性能，减少空蚀现象的发生成为了螺旋桨、船用离心泵等船舶流体机械研究的重要内容之一。目前，优化水轮机叶轮材料已经成为了减少空蚀现象发生的有效措施。

在船舶离心泵、螺旋桨叶轮材料优化的研究中，针对材料的空蚀试验，相关人员已经研制出了许多相应的振动空蚀试验装置，但使用这些装置在进行空蚀试验时具有一个普遍的特征，即整个试验过程十分繁琐，在装置中每完成一组试验，就需要取出试样在烘箱中烘干、称重，一般来说，每一组试验时间为1-2h，一个试样需要完成十多组试验，整个试验过程耗时较长，且大部分时间耗费在了取样烘干上。现在尚未有试验装置能实现不取样情况下实时检测试样的空蚀量，在试验过程中全程需要人员值守，频繁进行取样烘干操作，非常繁琐。且在试验后，需要人工记录数据并绘制累积空蚀量-时间曲线与空蚀速率-时间曲线。整个试验过程和数据处理智能化程度较低。

目前，许多研究人员针对超声波表面重构技术已经完成了许多研究。3D型显示超声波探伤技术可以直观显示缺陷的形状、大小、空间位置，能进行精确的三维结构、断层立体结构的分析，但这些技术目前尚未运用于空蚀试验装置，目前也没有针对空蚀量的不取样检测系统。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于超声技术的船舶材料空蚀试验装置及空蚀表面实时检测系统，在振动空蚀试验过程中，利用超声技术，实现在不取样情况下进行空蚀量的检测，节省试验时间，简化试验操作，大幅提升空蚀试验的智能化。

为实现上述目的，本发明创造采取的技术方案为：

一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：包括材料空蚀试验装置和空蚀表面检测系统；

所述材料空蚀试验装置包括超声波空蚀发生器和盛装有空蚀介质的容器，所述超声波空蚀发生器包括变频器和变幅杆，所述变幅杆一端安装在变频器上，另一端伸入到容器的空蚀介质内，伸入到空蚀介质内的变幅杆端部用于安装测试试样，所述超声波空蚀发生器用于通过变幅杆驱动测试试样在空蚀介质内高频振动，从而完成测材料空蚀试验；

所述空蚀表面检测系统包括超声检测系统和自动扫描机构，所述超声检测系统包括超声波探头阵列、超声波发射/接收装器及数据处理与控制系统，所述超声波探头阵列设于测试试样下方的空蚀介质内，并且通过探头连接杆与自动扫描机构相连，所述自动扫描机构用于通过探头连接杆驱动超声波探头阵列在测试试样下方平移完成覆盖测试试样扫描，所述超声波探头阵列通过信号线与超声波发射/接收装器相连，所述超声波发射/接收装器和数据处理与控制系统相连。

进一步地，所述容器内设有保持空蚀介质温度的恒温装置。

进一步地，所述空蚀介质为水，所述容器上设有用于调整水位的进水口和出水口。

进一步地，所述变幅杆和测试试样通过螺纹可拆卸相连。

进一步地，所述恒温装置包括温度传感器、加热器、温控器和设于容器内的保温内胆，所述温控器通过温度传感器反馈温度并通过加热器保持保温内胆内的温度。

进一步地，所述数据处理与控制系包括A/D转换芯片、单片机、数据处理器、人机交互模块和空蚀试验系统电源控制模块，所述超声波发射/接收装器通过A/D转换芯片与单片机及数据处理器相连，所述单片机与人机交互模块及空蚀试验系统电源控制模块相连，所述单片机还通过外接端口与计算机相连，所述人机交互模块与自动扫描机构相连，传递控制信号，所述空蚀试验系统电源控制模块用于控制超声波空蚀发生器的启停。

进一步地，所述容器一侧设有部分向上延伸的顶盖，所述自动扫描机构包括直线电机和步进电机驱动器，所述直线电机固定在容器的顶盖上，所述探头连接杆固定在直线电机的移动输出端，所述步进电机驱动器与人机交互模块相连，并可通过单片机控制。

进一步地，所述超声波探头阵列的宽度大于测试试样的宽度，并且通过自动扫描机构扫描过程中，能全覆盖测试试样在超声波探头阵列所在平面的正投影。

进一步地，所述人机交互模块包括外接按键与显示器。

一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建上述的船舶材料空蚀试验实时检测系统，将测试试样安装在变幅杆，开启超声波空蚀发生器，超声波空蚀发生器通过变幅杆带动测试试样在空蚀介质内高频振动，进行空蚀试验；

步骤2、根据试验需要在空蚀试验中或者空蚀试验结束后，启动超声检测系统和自动扫描机构，通过自动扫描机构带动超声波探头阵列平移，对测试试样进行扫描，完成对测试试样空蚀量的检测。

与现有技术相比较，本发明有益效果是：

本发明基于超声波表面重构技术，在试样进行试验的过程中，空蚀表面检测系统同时进行工作，超声波探头阵列通过水平移动扫描整个试样表面，检测系统采集并处理信号，并在后台计算机上进行超声波信号的三维显示，并依此完成试样的三维表面重构，实时检测测试试样的空蚀量，并绘制累积空蚀量-时间曲线与空蚀速率-时间曲线。

本发明从根本上避免了传统的取样、烘干、称重这一繁琐的空蚀量的检测过程，可实现空蚀试验过程中空蚀量的实时检测，整个试验与检测过程智能化程度较高。

附图说明

图1为本发明实施例中材料空蚀试验装置结构图。

图2为图1中A-A截面的俯视图以及超声波探头阵列扫描轨迹示意图。

图3为本发明实施例中自动扫描机构与容器连接的结构示意图。

图4为本发明实施例中测试试样的结构图。

图5为本发明实施例中空蚀表面检测系统结构图。

图6为本发明实施例中检测系统运行原理图。

图7为本发明实施例中累积空蚀量-时间曲线与空蚀速率-时间曲线的计算与绘制的流程图。

附图标记：1-电源，2-自动扫描机构，3-步进电机驱动器，4-容器，5-恒温装置，6-探头连接杆，7-超声波探头阵列，8-进水口，9-出水口，10-测试试样，11-变幅杆，12-支撑装置连接处，13-变频器，14-顶盖。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明创造保护的范围。

如图1-图7所示，一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，包括材料空蚀试验装置和空蚀表面检测系统；。

如图1-图4所示，所述材料空蚀试验装置包括超声波空蚀发生器、恒温装置5和盛装有空蚀介质的容器4，所述超声波空蚀发生器包括变频器13、电源1和变幅杆11，电源1与变频器13相连，所述变幅杆11一端安装在变频器13上，另一端伸入到容器4的水面下，伸入到水面下的变幅杆11下端用于安装测试试样10，所述超声波空蚀发生器用于通过变幅杆11驱动测试试样10在水面下高频振动，从而完成测材料空蚀试验；所述恒温装置5用于保持容器4内水温恒定，本实施例中，所述恒温装置5(具体结构图中未画出)包括温度传感器、加热器(比如为电热丝)、温控器和设于容器4内的保温内胆(此时水盛于内胆中)，所述温控器通过温度传感器反馈温度并通过加热器保持保温内胆内的温度，当然本发明不限于保温内胆的形式，也可以是加热棒，加热器为内置于加热棒内的电阻丝，温控器通过温度传感器测量的水温反馈，来调节加热功率，从而维持容器4内水温恒定，具体实现形式不限，非本发明必要技术特征。

所述空蚀表面检测系统包括超声检测系统和自动扫描机构2，所述超声检测系统包括超声波探头阵列7、超声波发射/接收装器及数据处理与控制系统，所述超声波探头阵列7设于测试试样10下方的水中，并且通过探头连接杆6与自动扫描机构2相连，所述自动扫描机构2用于通过探头连接杆6驱动超声波探头阵列7在测试试样10下方平移完成覆盖测试试样10扫描，所述超声波探头阵列7通过信号线与超声波发射/接收装器相连，所述超声波发射/接收装器和数据处理与控制系统相连。

本实施例中探头连接杆6为L型连杆，其一端连接自动扫描机构2，并与其保持垂直，另一端与超声波探头阵列7保持固定，所述超声波探头阵列7完全浸入水中，由若干性能一致的超声波探头线性排列组成，探头类型一般为直探头。

如图1所示，本发明实施例中，所述变频器13一般包括超声波发生器与超声波换能器，其作用是把市电转换成高频交流电信号，并将高频电能转化为机械能。变频器13由支撑装置连接处12连接支撑装置固定于地面。所述变幅杆11为正弦形变幅杆11，其振动为简谐振动，且已知变幅杆11变截面杆纵向振动的波动方程。所述容器4与地面保持固定，其开设进水口8与出水口9，容器4内液面高度高于出水口9，便于换水。所述超声波探头阵列7完全浸入水中，由若干性能一致的超声波探头线性排列组成，与测试试样10处于差不多同一水平位置(超声波探头阵列7所在平面刚好位于测试试样10下方)，超声波探头阵列7的宽度大于测试试样10的宽度，并且通过自动扫描机构2扫描过程中，能全覆盖测试试样10在超声波探头阵列7所在平面的正投影。所述自动扫描机构2可驱动探头连接杆6进行水平方向上的移动。

本实施例中，所述容器4一侧设有向上延伸的顶盖14，所述自动扫描机构2包括直线电机和步进电机驱动器3，所述直线电机固定在容器4的支架上，所述探头连接杆6固定在直线电机的移动输出端，所述步进电机驱动器3与人机交互模块相连，并可通过单片机控制。

如图2所示，本实施例中，所述超声波探头阵列7可到达的位置覆盖整个测试试样10与探头相向的表面，且在探头连接杆6的带动下可根据一定的路径可完成对整个测试试样10表面的扫描，图2展示了一种较佳的扫描路径，即水平移动，此时，自动扫描机构2为直线电机。此外，应当注意的是，超声波探头阵列7与测试试样10应完全浸入水中，超声波的传播以水为媒介，整个检测过程在水中进行。

如图3所示，本实施例中，所述自动扫描机构2通过螺纹连接固定于容器4的顶盖14上，并与容器4本身保持固定，一般采用4个螺钉固定于容器4内。应当注意，自动扫描机构2与探头连接杆6应有可靠的机械连接，保证探头连接杆6不会掉落，比如焊接或者螺栓固定。此外，不可避免地，实际安装中，自动扫描机构2的连接与安装会存在一定的困难，可考虑先将自动扫描机构2与容器4的顶盖14装配完毕后再与器身进行焊接。

如图4所示，本实施例中，所述测试试样10与变幅杆11通过螺纹连接进行安装与拆卸，当然也可以采用其他牢固的连接方式，比如螺栓固定或者夹具夹持等等。在实际试验过程中，测试试样10无需反复拆装，但在试验过程中应做到测试试样10与变幅杆11保持相对静止。

如图5-图7所示，所述空蚀表面检测系统还包括计算机，所述超声波探头阵列7由多个超声波探头在一个平面内阵列安装组成，所述超声波探头浸入水中，并与超声波发射/接收器相连。所述数据处理与控制系统包括A/D转换芯片、单片机、数据处理器、空蚀试验系统电源控制模块、人机交互模块，所述单片机连接A/D转换芯片、人机交互模块、空蚀试验系统电源控制模块、外接端口，所述A/D转换芯片连接超声波发射/接收器，并将信号输出至单片机与数据存储器。所述计算机通过外接端口与单片机及数据处理器进行信息交换；所述人机交互模块与自动扫描机构2相连，传递控制信号，所述空蚀试验系统电源控制模块用于控制超声波空蚀发生器的启停。

如图6所示，在本实施例中，所述空蚀试验系统电源控制模块用于控制超声波空蚀发生器的变频器13的起停。所述人机交互模块包括外接按键与显示器，用于设置系统的运行参数与控制步进电机。所述计算机安装有超声波表面重构处理的相关软件，可根据检测系统的数据对测试试样10进行三维表面重构(为超声波检测成熟的公知常识，在此不再赘述)。

需要说明的是，本发明以水作为空蚀介质为例进行说明，实际上空蚀介质不限于水，凡是能产生空蚀作用和传递超声波的液态介质均可。

需要说明的是，本发明既可以将超声波空蚀发生器停掉，然后进行空蚀表面在线检测，也可以不停超声波空蚀发生器，进行空蚀表面检测，如图7所示，提供一种针对本实施例的累积空蚀量-时间曲线与空蚀速率-时间曲线的计算方法，通过软件对超声波探测系统的图像进行处理，因测试试样10始终处于微小的振动中，需根据变幅杆11振动的变截面杆纵向振动的波动方程对检测结果进行修正，通过该修正来剔除超声波空蚀发生器对空蚀表面检测结果的干扰，然后通过软件对试样进行三维重建，由体积的减少量得出材料表面的空蚀破坏量，根据记录的时间计算并绘制累积空蚀量-时间曲线，进而计算并绘制空蚀速率-时间曲线。

本发明创造的工作原理为：

整个试验的过程中，空蚀试验和空蚀量的测量同时进行，在正常运行过程中不会相互干扰。

空蚀试验的过程为：将测试试样10安装在变幅杆11上，开启电源1(人工控制或者通过人机交互模块控制)，变频器13开始工作，在变幅杆11的作用下带动测试试样10振动。在未完成该试样的空蚀试验前，如果空蚀表面检测系统亦处于正常工作状态，试验无需中途停止。

空蚀量的测量过程为：如图6所示，变频器13停止工作后，启动超声波检测系统启动和自动扫描机构2，通过自动扫描机构2带动超声波探头阵列7平移，对测试试样10进行扫描，完成对测试试样10空蚀量的检测，检测过程中，超声波脉冲发射/接收器产生高频电脉冲，该脉冲电压通过电缆线的传播施加到超声波探头阵列7的探头晶片上，经过晶片的逆压电效应产生高频超声波，按顺序依次控制激发各个晶片，使阵列中各晶片发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，超声波经过水传入被测试试样10中，当传播途径中遇到缺陷，部分超声波能量被反射原路返回到探头，经A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，经单片机处理后输出至外接计算机。计算机应用程序对采样数据进行波形绘制与图像扫描，经变幅杆11振动的变截面杆纵向振动的波动方程对检测结果进行修正后，将检测数据三维显示，进行测试试样10的三维重构，计算出试样的体积减少量，即空蚀的破坏量，并在后台生成累积空蚀量-时间曲线，并绘制空蚀速率-时间曲线，并将结果输出到显示器。在完成空蚀量的测量后，单片机控制空蚀试验装置的变频器13重新启动，进行下一组空蚀试验。

在完成该测试试样10的试验后，将测试试样10拆下，更换溶液，并安装下一个测试试样10。

需要说明的是本发明空蚀试验部分可以参照GB6383振动空蚀试验标准执行，本发明超声成像部分采用现有超声检测成熟技术。

在完成一组试验后，为保证试验装置的正常运行，应检查以下两点：自动扫描机构2与容器4以及探头连接杆6的连接是否出现松动，如有松动应立即停机检修；变幅杆11与新的测试试样10之间的连接是否可靠，如出现松动，应考虑更换测试试样10，并检查变幅杆11的螺纹孔是否有所损坏。此外，在试验过程中，如果一组试验的测试时间过长，可以考虑在试验过程中停机检查以上部件的运行情况。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：包括材料空蚀试验装置和空蚀表面检测系统；

所述材料空蚀试验装置包括超声波空蚀发生器和盛装有空蚀介质的容器，所述超声波空蚀发生器包括变频器和变幅杆，所述变幅杆一端安装在变频器上，另一端伸入到容器的空蚀介质内，伸入到空蚀介质内的变幅杆端部用于安装测试试样，所述超声波空蚀发生器用于通过变幅杆驱动测试试样在空蚀介质内高频振动，从而完成测材料空蚀试验；

所述空蚀表面检测系统包括超声检测系统和自动扫描机构，所述超声检测系统包括超声波探头阵列、超声波发射/接收装器及数据处理与控制系统，所述超声波探头阵列设于测试试样下方的空蚀介质内，并且通过探头连接杆与自动扫描机构相连，所述自动扫描机构用于通过探头连接杆驱动超声波探头阵列在测试试样下方平移完成覆盖测试试样扫描，所述超声波探头阵列通过信号线与超声波发射/接收装器相连，所述超声波发射/接收装器和数据处理与控制系统相连。

2.如权利要求1所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述容器内设有保持空蚀介质温度的恒温装置。

3.如权利要求1所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述空蚀介质为水，所述容器上设有用于调整水位的进水口和出水口。

4.如权利要求1所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述变幅杆和测试试样通过螺纹可拆卸相连。

5.如权利要求2所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述恒温装置包括温度传感器、加热器、温控器和设于容器内的保温内胆，所述温控器通过温度传感器反馈温度并通过加热器保持保温内胆内的温度。

6.如权利要求1-5任意一项所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述数据处理与控制系包括A/D转换芯片、单片机、数据处理器、人机交互模块和空蚀试验系统电源控制模块，所述超声波发射/接收装器通过A/D转换芯片与单片机及数据处理器相连，所述单片机与人机交互模块及空蚀试验系统电源控制模块相连，所述单片机还通过外接端口与计算机相连，所述人机交互模块与自动扫描机构相连，传递控制信号，所述空蚀试验系统电源控制模块用于控制超声波空蚀发生器的启停。

7.如权利要求6所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述容器一侧设有部分向上延伸的顶盖，所述自动扫描机构包括直线电机和步进电机驱动器，所述直线电机固定在容器的顶盖上，所述探头连接杆固定在直线电机的移动输出端，所述步进电机驱动器与人机交互模块相连，并可通过单片机控制。

8.如权利要求7所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述超声波探头阵列的宽度大于测试试样的宽度，并且通过自动扫描机构扫描过程中，能全覆盖测试试样在超声波探头阵列所在平面的正投影。

9.如权利要求6所述基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验实时检测系统，其特征在于：所述人机交互模块包括外接按键与显示器。

10.一种基于超声检测技术的船舶材料空蚀试验在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建权利要求6中所述的船舶材料空蚀试验实时检测系统，将测试试样安装在变幅杆，开启超声波空蚀发生器，超声波空蚀发生器通过变幅杆带动测试试样在空蚀介质内高频振动，进行空蚀试验；

步骤2、根据试验需要在空蚀试验中或者空蚀试验结束后，启动超声检测系统和自动扫描机构，通过自动扫描机构带动超声波探头阵列平移，对测试试样进行扫描，完成对测试试样空蚀量的检测。

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