CN112880802A - 一种用于测量高温下柱面导波声速的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于测量高温下柱面导波声速的装置及方法，属于声速测量技术领域。包括恒温加热装置、波导杆和超声柱面导波检测系统；波导杆的一端为加热端，另一端为检测端；加热端与恒温加热装置连接，检测端的端面通过耦合剂层与超声柱面导波检测系统连接；加热端开设有环向槽。本发明的结构设计合理，采用常温下的超声柱面导波检测系统和耦合剂即可完成不同预设温度下的柱面导波声速测量；可操作性强，测量结果准确。
Description
技术领域
本发明属于声速测量技术领域，具体涉及一种用于测量高温下柱面导波声速的装置及方法。
背景技术
超声导波技术常应用于管道、棒材、钢索等工件的检测中，由于导波沿传播路径衰减较小，可以沿工件传播非常远的距离，最大达几十米。在工件的一端激励超声导波，接受的信号包含了工件的整体性信息。这种技术的特点是检测距离大，检测效率高，大大节省了检测时间。
超声柱面导波是指超声波在棒状或杆状介质中传播时候，由于受其边界的作用，超声波在边界产生一次或多次反射于投射，各种类型的反射波和投射波相互耦合形成超声柱面导波，并沿着平行于边界的方向前进。柱面导波沿传播路径衰减很小，可以传播非常远的距离，因此常被应用于细杆状金属构件的检测中。
柱面导波的声速是检测过程中的一项重要参数，它对缺陷定位的精确性有很大影响。声速会随着介质的特性、介质的温度等因素的变化而变化，目前温度对声速的影响大多都是基于理论分析，系统的实验测试不多。在常温下，可通过接触式的方法测量柱面导波的声速，而在高温下测量声速将面临超声柱面导波换能器和耦合剂的耐受性问题，换能器在高温环境时会大幅度降低回波的灵敏度，耦合剂则会挥发或与氧气发生化学反应，检测精度较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于测量高温下柱面导波声速的装置及方法，能够准确测量高温下柱面导波的声速。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种用于测量高温下柱面导波声速的装置，包括恒温加热装置、波导杆和超声柱面导波检测系统；
波导杆的一端为加热端，另一端为检测端；加热端与恒温加热装置连接，检测端的端面通过耦合剂层与超声柱面导波检测系统连接；加热端开设有环向槽。
优选地，恒温加热装置为温控箱。
优选地，波导杆的长度为1000～1200mm，波导杆加热端的长度为波导杆总长度的1/4。
优选地，环向槽的深度为波导杆直径的10％～15％，环向槽的宽度为0.2～0.5mm。
优选地，超声柱面导波检测系统包括超声柱面导波换能器、超声模块和示波器，超声柱面导波换能器通过耦合剂层与波导杆检测端的端面连接，超声柱面导波换能器与超声模块连接，超声模块与示波器连接。
进一步优选地，超声柱面导波换能器位于波导杆检测端的端面中心。
进一步优选地，超声柱面导波换能器为单纵向模态柱面导波换能器。
优选地，波导杆的检测端和加热端分别设有温度检测装置。
本发明公开的采用上述用于测量高温下柱面导波声速的装置进行柱面导波声速测量的方法，包括：
通过恒温加热装置将波导杆的加热端加热至预设温度下，并保持恒温，同时使得波导杆的检测端温度小于检测温度，超声柱面导波检测系统发射的柱面导波传播至环向槽及波导杆加热端端面时均产生回波，回波经超声柱面导波检测系统转换为回波信号，通过测量环向槽对应的回波信号与波导杆加热端端面对应的回波信号之间的时间差，并根据测得的时间差及环向槽与波导杆加热端端面之间的距离计算在该预设温度下柱面导波的声速。
优选地，检测温度为50℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种用于测量高温下柱面导波声速的装置，采用恒温加热装置对波导杆的加热端加热至预设温度并能够保持恒温，超声柱面导波检测系统发出的柱面导波传播至环向槽和波导杆的加热端端面时均产生回波，根据超声柱面导波检测系统接收到的回波信号，可以得到环向槽对应的回波信号与波导杆加热端端面对应的回波信号之间的时间差，并根据时间差和环向槽与波导杆加热端端面之间的距离，就能够计算得到在该预设温度下柱面导波的声速。由于波导杆具有一定长度，加热端被加热至预设的高温时，检测端的温度也能够满足常温检测的需要，采用常温下的超声柱面导波检测系统和耦合剂即可完成不同预设温度下的柱面导波声速测量；可操作性强，测量结果准确。
进一步地，恒温加热装置采用温控箱，温控操作简便、保温效果好。
进一步地，波导杆的长度为1000～1200mm，波导杆加热端的长度为波导杆总长度的1/4，能够保证加热端温度达到预设高温的同时，检测端的温度也能够满足常温检测的需要。
进一步地，波导杆的检测端和加热端分别设有温度检测装置，能够实时监测检测端和加热端的温度数值，保证加热端温度满足测量要求，为恒温加热装置的温控提供数据，并且保证检测端的温度能够满足要求，保证回波的灵敏度。
本发明公开的采用上述用于测量高温下柱面导波声速的装置进行声速测量的方法，能够较为准确的测量高温下柱面导波的声速，可操作性强。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为波导杆的结构示意图。
图中：1-恒温加热装置，2-波导杆，3-超声柱面导波换能器，4-超声模块，5-示波器，6-环向槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的用于测量高温下柱面导波声速的装置，包括恒温加热装置1、波导杆2和超声柱面导波检测系统。
波导杆2为具有一定长度的圆柱体棒材，两侧端面加工成平行的平面，其材质与测量要求一致；波导杆2长度方向上的一端为加热端，另一端为检测端，加热端与恒温加热装置1连接，检测端通过耦合剂层与超声柱面导波检测系统连接；加热端开设有环向槽6。
超声柱面导波检测系统的一种形式为：包括超声柱面导波换能器3、超声模块4和示波器5，超声柱面导波换能器3通过耦合剂层与波导杆2检测端的端面连接，超声柱面导波换能器3与超声模块4连接，超声模块4与示波器5连接。优选地，超声柱面导波换能器3位于波导杆2检测端的端面中心。
在本发明的一个较优的实施例中，恒温加热装置1为温控箱。
在本发明的一个较优的实施例中，波导杆2的长度为1000～1200mm，波导杆2加热端的长度为波导杆2总长度的1/4。环向槽6的尺寸设定如下：环向槽6的深度为波导杆2直径的10％～15％，环向槽6的宽度为0.2～0.5mm。
在本发明的一个较优的实施例中，波导杆2的检测端和加热端分别设有温度检测装置。
由于耦合剂层及超声柱面导波换能器3均没有在恒温加热装置1内，避免耦合剂的耐受性问题，同时避免超声柱面导波换能器3在高温环境时会大幅度降低回波灵敏度的问题。
采用上述用于测量高温下柱面导波声速的装置进行声速测量的方法：
通过恒温加热装置1将波导杆2的加热端加热至预设温度下，并保持恒温，同时使得波导杆2的检测端上端面的温度小于50℃，超声模块4产生电信号，并将所述电信号发送至超声柱面导波换能器3中，超声柱面导波换能器3将电信号转换为单一纵向模态的柱面导波，该柱面导波传播至环向槽6及波导杆2的加热端端面时均产生回波，回波经超声柱面导波换能器3转换为回波信号，超声模块4接收回波信号，并通过示波器5显示回波信号，同时通过示波器5测量环向槽6对应的回波信号与波导杆2加热端端面对应的回波信号之间的时间差，并根据测得的时间差及环向槽6与波导杆2加热端端面之间的距离计算在该预设温度下柱面导波的声速。
在本发明的一个具体的实施例中：
如图2，波导杆2长度为l1，直径为D，波导杆2上开环向槽，环向槽的深度为10％D，其距离左侧(检测端)端面的长度为l2；超声柱面导波换能器3在波导杆2中产生单一纵向模态的柱面导波；超声柱面导波换能器3位于波导杆2左侧端面的中心位置处；超声柱面导波换能器3与波导杆2之间设置耦合剂层。
某一温度下波导杆2上加热端端面和环向槽6回波的传播时间分别为t1和t2，两回波之间的时间差Δt＝t1-t2，波导杆2在预设温度下的线膨胀系数为α，波导杆2上加热端端面和环向槽6之间的线膨胀量Δl＝(l1–l2)×α，其中，l1及l2分别为波导杆2长度和检测端端面到环向槽6的距离，柱面导波在波导杆2上加热端端面和环向槽6之间传播的总距离l＝2×(l1–l2+Δl)，则柱面导波在预设温度下的声速ct＝l/Δt。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，包括恒温加热装置(1)、波导杆(2)和超声柱面导波检测系统；
波导杆(2)的一端为加热端，另一端为检测端；加热端与恒温加热装置(1)连接，检测端的端面通过耦合剂层与超声柱面导波检测系统连接；加热端开设有环向槽(6)。
2.根据权利要求1所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，恒温加热装置(1)为温控箱。
3.根据权利要求1所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，波导杆(2)的长度为1000～1200mm，波导杆(2)加热端的长度为波导杆(2)总长度的1/4。
4.根据权利要求1所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，环向槽(6)的深度为波导杆(2)直径的10％～15％，环向槽(6)的宽度为0.2～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，超声柱面导波检测系统包括超声柱面导波换能器(3)、超声模块(4)和示波器(5)，超声柱面导波换能器(3)通过耦合剂层与波导杆(2)检测端的端面连接，超声柱面导波换能器(3)与超声模块(4)连接，超声模块(4)与示波器(5)连接。
6.根据权利要求5所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，超声柱面导波换能器(3)位于波导杆(2)检测端的端面中心。
7.根据权利要求5所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，超声柱面导波换能器(3)为单纵向模态柱面导波换能器。
8.根据权利要求1所述的用于测量高温下柱面导波声速的装置，其特征在于，波导杆(2)的检测端和加热端分别设有温度检测装置。
9.采用权利要求1～8任意一项所述用于测量高温下柱面导波声速的装置进行柱面导波声速测量的方法，其特征在于，包括：
通过恒温加热装置(1)将波导杆(2)的加热端加热至预设温度下，并保持恒温，同时使得波导杆(2)的检测端温度小于检测温度，超声柱面导波检测系统发射的柱面导波传播至环向槽(6)及波导杆(2)加热端端面时均产生回波，回波经超声柱面导波检测系统转换为回波信号，通过测量环向槽(6)对应的回波信号与波导杆(2)加热端端面对应的回波信号之间的时间差，并根据测得的时间差及环向槽(6)与波导杆(2)加热端端面之间的距离计算在该预设温度下柱面导波的声速。
10.根据权利要求9所述的采用用于测量高温下柱面导波声速的装置进行柱面导波声速测量的方法，其特征在于，检测温度为50℃。
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