用于爐管積碳層檢測的非線性超聲諧振譜方法技術

用于爐管積碳層檢測的非線性超聲諧振譜方法，搭建爐管積碳層非線性超聲諧振檢測系統；截取示波器上激勵信號之后一定長度的回波信號，掃頻獲取被測試件的基波及二次諧波諧振譜，從中選取探頭中心頻率附近諧振模態所對應的頻率段作為檢測頻率范圍；改變激勵電壓水平，分別獲取檢測頻率段內相應的基波及二次諧波諧振頻率偏移規律圖；根據不同激勵電壓水平下諧振頻率的相對偏移量擬合一條直線，用該直線的斜率作為非線性系數來反映被測試件在不同激勵電壓水平下諧振頻率的偏移程度；對具有不同積碳層厚度的試件進行檢測，獲取各自諧振頻率的相對偏移量，進而利用二次諧波諧振頻率的相對偏移量來檢測評價積碳層厚度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種爐管積碳層超聲檢測方法，特指基于二次諧波諧振譜偏移的非線 性超聲檢測方法。該方法可用于有機熱載體爐內爐管積碳層檢測及厚度的測量，屬于無損 檢測領域。
技術介紹
有機熱載體爐是一種以導熱油為傳熱介質的重要換能設備。有機熱載體爐因具有 高效、節能、運行平穩等優勢，已經廣泛應用于石油化工、制藥、紡織印染、建材等工業領域。 然而，在有機熱載體爐運行過程中，導熱油時常因局部過熱發生裂解而析碳，使導熱油粘度 增加，傳熱性能下降，嚴重時會引起結焦，最終導致爆管事故。因此，針對有機熱載體爐安全 運行問題，迫切需要發展一種爐管積碳層無損檢測方法。 目前，國內外已有學者開展有關有機熱載體爐管道積碳層檢測方法研宄。例如，彭 小蘭等在《基于超聲導波的有機熱載體爐積碳檢測技術》中研宄了 L(0, 2)模態導波群速度 隨積碳層厚度變化規律。提出利用導波群速度變化表征積碳層厚度變化的檢測方法。由于 管道中超聲導波的復雜性（如頻散、多模態等）和單一導波模態的可激勵性差等問題，限制 了超聲導波技術在實際爐管積碳檢測中的應用。朱宇龍等在《基于結焦機理的有機熱載體 爐爐管在線壽命評估系統研宄》中提出了基于管壁結焦機理的有機熱載體爐爐管在線壽命 評估系統。根據紅外成像系統測得的爐管壁溫，利用爐管外壁溫與管內壁結焦速率關系模 型，對爐管積碳層厚度進行推測。由于假設模型中僅考慮了爐管外壁溫度單一參數的影響， 使得積碳層預測結果的準確性不足。 由于檢測精度和檢測效率高等特點，超聲諧振法也是一種常用的厚度測量方法。 例如，毛捷等在《板底薄層的超聲諧振檢測分析》中針對鋁-薄層結構，研宄了板層諧振頻 率隨薄層厚度等參數的變化規律，利用諧振頻率及相對偏移量實現薄層厚度測量。基于同 樣的原理，M. Yoshida 等在《A New Method to Measure the Oxide Layer Thickness on Steels Using Electromagnetic Acoustic Resonance》中利用電磁超聲諧振法對鋼板表面 的氧化層厚度進行了測量。由于常規超聲諧振法基于超聲波在待測試件中多次反射形成駐 波原理進行厚度測量，可以很好實現金屬及液體等低衰減介質厚度測量。對于高衰減材料， 由于難以形成穩定駐波場，因此，無法利用常規超聲諧振法進行厚度測量。 針對傳統超聲諧振檢測方法的不足，國外學者提出了一種非線性超聲諧振檢測方 法，即利用不同激勵幅值下諧振頻率的相對偏移進行損傷檢測。例如，Toshihiro Ohtani等 在《Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy(NRUS)applied to fatigue damage evaluation in a pure copper》中利用不同激勵幅值下基波諧振頻率的相對偏移對具有不 同程度疲勞損傷的銅板進行了檢測。Michele Meo等在《Detecting damage in composite material using nonlinear elastic wave spectroscopy methods》則將不同激勵巾畐值下 基波諧振頻率偏移量用于復合材料中分層缺陷的檢測。A. Novak等在《Nonlinear acoustic characterization ofmicro-damaged materials through higher harmonic resonance analysis》中將不同激勵幅值下二次諧波諧振頻率的相對偏移用于不同材料試件的微損傷 評價。 基于非線性超聲諧振技術對微損傷的高敏感性，本專利技術提出一種用于爐管積碳層 檢測的非線性超聲諧振譜方法。利用不同激勵水平下，高次諧波諧振譜的相對偏移進行爐 管積碳層檢測及厚度定量評價。
技術實現思路
本專利技術旨在提出一種爐管積碳層超聲檢測方法，特別是基于二次諧波諧振譜偏移 的非線性超聲檢測方法。該方法采用自激自收檢測模式，將壓電直探頭布置在被檢測試件 表面，通過掃頻方式獲取基波及二次諧波的諧振頻譜，選取探頭中心頻率附近的一個諧振 模態作為檢測頻率段，改變激勵電壓水平，得到不同激勵水平下相應的基波及二次諧波諧 振譜。利用不同激勵水平下諧振頻率的相對偏移量作為特征參量，進行爐管積碳層檢測及 厚度表征。 本專利技術提出的基于諧振頻率偏移的爐管積碳層非線性超聲諧振檢測方法，其基本 原理在于： 對于類巖石、混凝土等細觀非均勻材料，它們具有很強的非線性效應，這種非線性 效應會導致這些材料的應力-應變關系中出現明顯的遲滯特性。傳統非線性彈性理論模型 已不能用于該類材料非線性特性的描述。因此，在考慮遲滯效應的基礎上，該類材料的非線 性彈性關系表述為：【主權項】1. 一種基于二次諧波諧振頻率偏移的爐管積碳層非線性超聲檢測系統搭建，其特征在 于：該系統包括計算機（1)、非線性聲學測量系統（2)、信號選擇器（3)、數字示波器（4)、50 歐姆負載（5)、可調衰減器（6)、雙工器（7)、超聲壓電直探頭（8)、帶積碳層的被測試件（9)、 可調前置放大器（10);計算機（1)與SNAP系統（2)相連，控制產生激勵信號，并采集接收 信號；非線性聲學測量系統（2)的輸出通道通過50歐姆負載（5)和可調衰減器（6)與雙工 器（7)的輸入端相連，雙工器（7)的輸出端與壓電直探頭⑶相連；雙工器（7)的TO REC 端輸出的接收信號通過前置放大器（10)與非線性聲學測量系統（2)的接收通道相連；數字 示波器（4)通過信號選擇器（3)與非線性聲學測量系統（2)相連。2. -種基于二次諧波諧振頻率偏移的爐管積碳層非線性超聲檢測方法，其特征在于： 檢測方法步驟如下， 1) 連接試驗設備，將壓電直探頭布置在被測試件的上表面； 2) 截取示波器上激勵信號之后一定長度的回波信號，采用SNAP系統進行頻率范圍為 激勵探頭中心頻率2倍的掃頻，獲取被測試件的基波及二次諧波諧振譜，從中選取探頭中 心頻率附近諧振模態所對應的頻率段作為檢測頻率范圍； 3) 改變激勵電壓水平，分別獲取檢測頻率段內不同激勵電壓水平下的基波及二次諧波 諧振頻率偏移規律圖； 4) 根據不同激勵電壓水平下諧振頻率的相對偏移量擬合一條直線，用該直線的斜率作 為非線性系數來反映被測試件在不同激勵電壓水平下諧振頻率的偏移程度； 5) 重復上述步驟1)~步驟4)，對具有不同積碳層厚度的試件進行檢測，獲取各自諧振 譜的相對偏移量，進而利用二次諧波諧振頻率的相對偏移量來檢測評價積碳層厚度。【專利摘要】，搭建爐管積碳層非線性超聲諧振檢測系統；截取示波器上激勵信號之后一定長度的回波信號，掃頻獲取被測試件的基波及二次諧波諧振譜，從中選取探頭中心頻率附近諧振模態所對應的頻率段作為檢測頻率范圍；改變激勵電壓水平，分別獲取檢測頻率段內相應的基波及二次諧波諧振頻率偏移規律圖；根據不同激勵電壓水平下諧振頻率的相對偏移量擬合一條直線，用該直線的斜率作為非線性系數來反映被測試件在不同激勵電壓水平下諧振頻率的偏移程度；對具有不同積碳層厚度的試件進行檢測，獲取各自諧振頻率的相對偏移量，進而利用二次諧波諧振頻率的相對偏移量來檢測評價積碳層厚度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于二次諧波諧振頻率偏移的爐管積碳層非線性超聲檢測系統搭建，其特征在于：該系統包括計算機(1)、非線性聲學測量系統(2)、信號選擇器(3)、數字示波器(4)、50歐姆負載(5)、可調衰減器(6)、雙工器(7)、超聲壓電直探頭(8)、帶積碳層的被測試件(9)、可調前置放大器(10)；計算機(1)與SNAP系統(2)相連，控制產生激勵信號，并采集接收信號；非線性聲學測量系統(2)的輸出通道通過50歐姆負載(5)和可調衰減器(6)與雙工器(7)的輸入端相連，雙工器(7)的輸出端與壓電直探頭(8)相連；雙工器(7)的TO?REC端輸出的接收信號通過前置放大器(10)與非線性聲學測量系統(2)的接收通道相連；數字示波器(4)通過信號選擇器(3)與非線性聲學測量系統(2)相連。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：焦敬品，吳超，孟祥吉，李思源，何存富，吳斌，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11