CN112129834A - 一种超声波式金属腐蚀监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波式金属腐蚀监测装置及方法，该装置包括：电源模块、超声波生成器、载物台、信号接收模块、数据处理模块和PC机，电源模块输出高频交流脉冲激发超声波生成器内压电晶体共振产生超声波，超声波经传输到达待测金属表面，声波穿透金属表面，声波接收器采集不同位置点的声波信号，声波信号经一级放大、降声消噪、二次放大后输入A/D转换器中，转换后的数字信号传输至PC机分析处理，得到被测腐蚀金属实时的三维显示。本发明基于超声波对物体的穿透性原理，对比金属表面腐蚀与未腐蚀区域声波信号的强度差异，实现对大气环境下金属整个腐蚀过程的动态监测，能够应对复杂多变的户外环境。

Description

一种超声波式金属腐蚀监测装置及方法

技术领域

本发明涉及金属腐蚀监测技术领域，具体涉及一种超声波式金属腐蚀监测装置及方法。

背景技术

金属作为生活中必不可少的一种材料，因其优异的机械性能与电气性能广泛应用于建筑基体、机器零件、交通运输等领域。但是，在金属材料使用过程中，极易遭受大气腐蚀的侵害，不仅会改变金属原有的光泽与内部结构，并且还会引发环境污染以及安全事故，造成不可估量的经济损失。因此，对金属腐蚀进行准确、实时的监测措施具有重要的意义。

传统的金属腐蚀监测技术主要包括：电化学阻抗谱法(EIS)、电化学噪声(EN)、线性极化法、直流法、电阻探针以及涡流线圈等。由于金属应用环境的复杂多变性，传统的监测技术难以满足对特殊环境的测试需求。随着科学技术的进步，监测技术逐渐趋于软硬件集成化、数字化和自动化方向发展，从而监测的精准度、稳定性得到了显著性提高。CN106546654A提出一种用于金属腐蚀监测的新型传感器，采用三电极体系，通过腐蚀监测模块对金属的腐蚀状况进行监测，并将数据实时上传到MCU控制模块，从而实现对金属腐蚀的非接触式测量。但是测试过程中需严格保证传感器电极体系的稳定性，同时前期工作电极(待测金属)样品制备较为繁琐。此外，CN108918555A提出一种基于HF RFID的金属腐蚀监测系统及腐蚀监测方法，将标签模块附着在待测金属表面，阅读器模块接收工作信号，并通过PC终端模块进行特征提取匹配，从而获得金属材料模块的腐蚀数据。与传统金属腐蚀监测技术相比，该检测方法可适用性强。但是，监测过程中易受到外部磁场的干扰，影响正常数据信号采集。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波式金属腐蚀监测装置及方法，能够长期、准确地进行金属腐蚀状态监测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超声波式金属腐蚀监测装置，包括：电源模块、超声波生成器、载物台、信号接收模块、数据处理模块和PC机，所述电源模块用于输出高频交流脉冲，所述超声波生成器与电源模块电性连接，所述超声波生成器和所述载物台的底部分别设置有滑轮，通过滑轮在滑槽中滑动，所述超声波生成器和载物台之间的间距为10～30cm，待测金属样品放置在所述载物台上，所述信号接收模块固定安装在金属样品的背面，所述信号接收模块的外部设有隔音外壳，隔音外壳与金属样品背面的接缝处采用热熔胶进行连接，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与PC机连接，所述PC机用于对接收的实时数据进行显示、储存和数据分析；

所述信号接收模块包括多个可插拔、独立的声波接收器、多个一级放大电路和低通滤波电路，多个所述声波接收器、多个一级放大电路、低通滤波电路依次串联，

所述数据处理模块包括二级运算放大器和A/D转换器，二级运算放大器输出端与A/D转换器输入端的电压比较器连接，A/D转换器输出端的数字转换器与PC机连接。

优选的，所述超声波生成器内部具有功率放大器，压电晶体厚度为0.4～0.6mm。

优选的，所述信号接收模块通过上下两组夹片固定安装在金属样品的背面。

优选的，所述一级放大电路包括一级运算放大器U11～U1n、输入电阻R11～Rn1、反馈电阻R12～Rn2、输出电阻R13～Rn3，电阻Rn1的一端连接声波接收器n，电阻Rn1的另一端分别连接一级运算放大器U1n的输入端和电阻Rn2的一端，一级运算放大器U1n的输出端分别连接电阻Rn2的另一端和电阻Rn3的一端，电阻Rn3的另一端连接所述低通滤波电路。

优选的，所述低通滤波电路包括低通滤波器U2、电阻R4、电阻R5和电容C1，电阻R4、电容C1分别并联在低通滤波器U2的输入端和输出端之间，低通滤波器U2通过电阻R5接地。

本发明还提供基于上述监测装置进行超声波式金属腐蚀监测的方法，包括以下步骤：

首先将待测金属样品放置在载物台上，将载物台固定在滑槽中，调整待测金属样品与超声波生成器之间的距离；根据待测金属样品的尺寸确定监测过程所需的声波接收器数量，将信号接收模块夹装固定在待测金属样品背面，并通过隔音外壳对信号接收模块进行封装，同时热熔胶连接金属与隔音外壳接缝；

将上述组装好的监测装置放置在大气环境中，进行待测金属样品腐蚀状态的实时监测；接通电源模块，电源模块输出高频交流脉冲激发超声波生成器内压电晶体共振产生超声波，超声波经传输到达待测金属表面，声波穿透金属表面，腐蚀区域与未腐蚀区域存在声波强度差异，声波接收器采集不同位置点的声波信号，声波信号经一级放大电路一次放大、低通滤波电路降声消噪后传输至二级运算放大器进行信号二次放大，二次放大信号输入A/D转换器中，转换后的数字信号经由A/D转换器输出端传输至PC机中分析处理，得到被测腐蚀金属实时的三维显示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明基于超声波对物体的穿透性原理，对比金属表面腐蚀与未腐蚀区域声波信号的强度差异，实现对大气环境下金属整个腐蚀过程的动态监测，能够应对复杂多变的户外环境。

(2)本发明采用多个可插拔式、独立的声波采集器，可根据不同金属尺寸调整采集器数量，实现对各数据位置点的采集；一级、二级放大电路增强信号的准确性。

(3)本发明具有实现对不同金属腐蚀进行监测的功能，利用两种软件结合对输入数据进行的三维显示，腐蚀动态跟踪特性好，可视化程度高。

附图说明

图1为本发明超声波式金属腐蚀监测装置的连接示意图；

图2为本发明的信号接收模块的电路连接图；

图中，1-电源模块，2-超声波生成器，3-载物台，4-信号接收模块，5-数据处理模块，6-滑槽，7-隔音外壳，8-PC机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种超声波式金属腐蚀监测装置，包括：电源模块1、超声波生成器2、载物台3、信号接收模块4、数据处理模块5和PC机8。所述电源模块1用于输出高频交流脉冲，所述超声波生成器2与电源模块1电性连接，所述超声波生成器2和所述载物台3的底部分别设置有滑轮，通过滑轮在滑槽6中滑动，所述超声波生成器2和载物台3之间的间距为10～30cm，优选的，所述超声波生成器内部具有功率放大器，压电晶体厚度为0.4～0.6mm。

待测金属样品放置在所述载物台3上，所述信号接收模块4固定安装在金属样品的背面，优选的，所述信号接收模块通过上下两组夹片固定安装在金属样品的背面。所述信号接收模块4的外部设有隔音外壳7，隔音外壳7与金属样品背面的接缝处采用热熔胶进行连接，信号接收模块4与数据处理模块5的输入端电性连接，数据处理模块5的输出端与PC机8电性连接。

具体地，如图2所示，所述信号接收模块包括n个可插拔、独立的声波接收器、n个一级放大电路和一个低通滤波电路，所述一级放大电路包括一级运算放大器U11～U1n、输入电阻R11～Rn1、反馈电阻R12～Rn2、输出电阻R13～Rn3，所述低通滤波电路包括低通滤波器U2、电阻R4、电阻R5和电容C1，

电阻R11的一端连接声波接收器一，电阻R11的另一端分别连接一级运算放大器U11的输入端和电阻R12的一端，一级运算放大器U11的输出端分别连接电阻R12的另一端和电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接所述低通滤波器U2的输入端；

电阻R21的一端连接声波接收器二，电阻R21的另一端分别连接一级运算放大器U12的输入端和电阻R22的一端，一级运算放大器U12的输出端分别连接电阻R22的另一端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接所述低通滤波器U2的输入端；

……

电阻Rn1的一端连接声波接收器n，电阻Rn1的另一端分别连接一级运算放大器U1n的输入端和电阻Rn2的一端，一级运算放大器U1n的输出端分别连接电阻Rn2的另一端和电阻Rn3的一端，电阻Rn3的另一端连接所述低通滤波器U2的输入端；

电阻R4、电容C1分别并联在低通滤波器U2的输入端和输出端之间，低通滤波器U2通过电阻R5接地。

所述数据处理模块5包括二级运算放大器、A/D转换器和微处理器，二级运算放大器输出端与A/D转换器输入端的电压比较器连接，A/D转换器输出端的数字转换器与PC机8连接，所述PC机8用于对接收的实时数据进行显示、储存和数据分析。

各声波接收器输出端和所对应的一级运算放大器输入端电性连接，通过输入电阻R11～Rn1、反馈电阻R12～Rn2提高接收模块1～n采集的精准性，外接输出电阻R13～Rn3缩小输出电压误差。此外，信号接收模块4中的低通滤波器U2和运算放大器U11～U1n相连，电容C1实现对高频信号输入，阻碍低频信号的输入，通过改变并联电阻R2从而实现对信号输出强度的调节，接入下拉电阻R5实现低通滤波器U2电压准位的提升，同时低通滤波器U2的接入将消除接收器中干扰信号影响。经由二级运算放大器将滤波消噪后信号输入到并行A/D转换器输入端的电压比较器中，对输入电压进行分类，将数据传到寄存器中，通过数字转换器将数字信号输送至PC机8，最终PC机8将数字信号通过Labview构建界面显示模块，调用Matlab软件对采集信号分析处理后进行三维显示完成对金属腐蚀状况的可视化跟踪。

本发明还提供基于上述监测装置进行超声波式金属腐蚀监测的方法，包括以下步骤：

首先将待测金属样品放置在载物台3上，将载物台3固定在滑槽6中，调整待测金属样品与超声波生成器2之间的距离；根据待测金属样品的尺寸确定监测过程所需的声波接收器数量，将信号接收模块4夹装固定在待测金属样品背面，并通过隔音外壳7对信号接收模块4进行封装，同时热熔胶连接金属样品与隔音外壳7接缝；

将上述组装好的金属监测装置放置在大气环境中，进行待测金属腐蚀状态的实时监测。接通电源模块1，电源模块1中谐振电路输出高频交流脉冲作为超声波生成器2的激励信号，激发超声波生成器2内压电晶体产生共振效应，利用晶体厚度的改变提高超声波输出频率，并经由内部NPN三极管电路进一步地增强超声波的输出功率。同时借助滑槽6结构调节超声波生成器2与待测金属样品之间的距离，减少超声波传播损耗距离。

超声波经传输到达待测金属样品表面，声波穿透金属表面，腐蚀区域与未腐蚀区域存在声波强度差异，声波接收器采集不同位置点的声波信号，声波信号经一级放大电路一次放大、低通滤波电路降声消噪后传输至二级运算放大器进行信号二次放大，二次放大信号输入A/D转换器中，转换后的数字信号经由A/D转换器输出端传输至PC机10中分析处理，得到被测腐蚀金属实时的三维显示。

由于超声波在空气中传播存在声能耗散，需依下式计算超声波在超声波生成器2到待测金属样品之间的衰减系数σ：

其中：f为超声波振动频率，η为动力粘滞系数，C为空气中传播速率，K为热传导系数，C_V为定压比热，C_P为定压比热。

Claims (6)

1.一种超声波式金属腐蚀监测装置，其特征在于，包括：电源模块、超声波生成器、载物台、信号接收模块、数据处理模块和PC机，所述电源模块用于输出高频交流脉冲，所述超声波生成器与电源模块电性连接，所述超声波生成器和所述载物台的底部分别设置有滑轮，通过滑轮在滑槽中滑动，所述超声波生成器和载物台之间的间距为10～30cm，待测金属样品放置在所述载物台上，所述信号接收模块固定安装在金属样品的背面，所述信号接收模块的外部设有隔音外壳，隔音外壳与金属样品背面的接缝处采用热熔胶进行连接，信号接收模块与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与PC机连接，所述PC机用于对接收的实时数据进行显示、储存和数据分析；

所述信号接收模块包括多个可插拔、独立的声波接收器、多个一级放大电路和低通滤波电路，多个所述声波接收器、多个一级放大电路、低通滤波电路依次串联，

所述数据处理模块包括二级运算放大器和A/D转换器，二级运算放大器输出端与A/D转换器输入端的电压比较器连接，A/D转换器输出端的数字转换器与PC机连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声波式金属腐蚀监测装置，其特征在于，所述超声波生成器内部具有功率放大器，压电晶体厚度为0.4～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种超声波式金属腐蚀监测装置，其特征在于，所述信号接收模块通过上下两组夹片固定安装在金属样品的背面。

4.根据权利要求1所述的一种超声波式金属腐蚀监测装置，其特征在于，所述一级放大电路包括一级运算放大器U11～U1n、输入电阻R11～Rn1、反馈电阻R12～Rn2、输出电阻R13～Rn3，电阻Rn1的一端连接声波接收器n，电阻Rn1的另一端分别连接一级运算放大器U1n的输入端和电阻Rn2的一端，一级运算放大器U1n的输出端分别连接电阻Rn2的另一端和电阻Rn3的一端，电阻Rn3的另一端连接所述低通滤波电路。

5.根据权利要求1所述的一种超声波式金属腐蚀监测装置，其特征在于，所述低通滤波电路包括低通滤波器U2、电阻R4、电阻R5和电容C1，电阻R4、电容C1分别并联在低通滤波器U2的输入端和输出端之间，低通滤波器U2通过电阻R5接地。

6.一种基于权利要求1所述的监测装置进行超声波式金属腐蚀监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将待测金属样品放置在载物台上，将载物台固定在滑槽中，调整待测金属样品与超声波生成器之间的距离；根据待测金属样品的尺寸确定监测过程所需的声波接收器数量，将信号接收模块夹装固定在待测金属样品背面，并通过隔音外壳对信号接收模块进行封装，同时热熔胶连接金属样品与隔音外壳接缝；

将上述组装好的监测装置放置在大气环境中，进行待测金属样品腐蚀状态的实时监测；接通电源模块，电源模块输出高频交流脉冲激发超声波生成器内压电晶体共振产生超声波，超声波经传输到达待测金属表面，声波穿透金属表面，腐蚀区域与未腐蚀区域存在声波强度差异，声波接收器采集不同位置点的声波信号，声波信号经一级放大电路一次放大、低通滤波电路降声消噪后传输至二级运算放大器进行信号二次放大，二次放大信号输入A/D转换器中，转换后的数字信号经由A/D转换器输出端传输至PC机中分析处理，得到被测腐蚀金属实时的三维显示。

Images