用于炉管积碳层检测的非线性超声谐振谱方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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宄。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》中研宄了 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宄》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。
[0004] 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，研宄了板层谐振频 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 Measure the 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。
[0005] 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)applied to 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 spectroscopy methods》则将不同激励巾畐值下 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 materials through 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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：
[0009] 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：
【主权项】
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⑶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. -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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01B17-02, G01N29-12
【公开号】CN104833725
【申请号】CN201510233891
【发明人】焦敬品, 吴超, 孟祥吉, 李思源, 何存富, 吴斌
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月11日