超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法技术

本发明专利技术涉及一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，包括超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机、水槽、钢管固定V型台、换能器固定架。超声波由换能器垂直入射到复合钢管表面，进入复合钢管，穿过碳钢层与不锈钢层后反射回到换能器。对超声回波信号进行处理分析，计算声程点，得到波形传过整个声程所需要的时间，结合碳钢与不锈钢声速计算出各自层厚及复合钢管厚度。本发明专利技术与现有超声测量手段相比，在测量薄壁复合钢管壁厚在0.5mm~5mm范围时，测量误差缩小到0.05%，进一步提升测量精度，有利于实现对复合钢管生产及销售过程中进行严格把控，具有较好的经济效益。

Ultrasonic measurement of thickness of thin-walled composite steel pipe

The invention relates to a method of ultrasonic measuring the thickness of a thin-walled composite pipe, including an ultrasonic line focusing transducer, an ultrasonic signal transmitter, a high-speed A/D card, a computer, a tank, a steel tube fixed V type table and a transducer fixed frame. The ultrasonic wave enters the composite steel pipe surface vertically from the transducer to the composite steel pipe, and then reflects back to the transducer after passing through the carbon steel layer and the stainless steel layer. The ultrasonic echo signal is processed and analyzed, the sound range is calculated, the time needed for the wave passing through the whole sound path is obtained. The thickness of each layer and the composite steel pipe are calculated by combining the sound velocity of carbon steel and stainless steel. Compared with the existing ultrasonic measurement methods, the measurement error is reduced to 0.05% when measuring the wall thickness of the thin-walled composite steel tube in the range of 0.5mm~5mm. It can further improve the measurement precision, which is beneficial to the strict control of the production and sale of the composite steel pipe, and has good economic benefit.

【技术实现步骤摘要】
超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法
本专利技术涉及一种超声波无损测量技术，具体涉及一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法。
技术介绍
碳钢-不锈钢复合钢管是由两种具有各自特性的单体钢管通过特定工艺结合为一体的新型钢管，选用10碳钢作为外层保证复合钢管具有较高的强度与刚性，选用316L不锈钢作为内层保证具有良好的抗腐蚀与抗磨损能力，因此，复合钢管以其优良的综合性能且物美价廉被广泛应用于压力容器和石油化工等工业生产中，而不同基体壁厚是评价复合钢管安全性能的一个重要指标。超声波检测方法利用超声波在介质中传播时发生衰减，遇到界面产生反射的性质，来获取经过被检对象后的波形信号，进而从波形信号中得到被检对象的相关信息。但是相比于其他无损测厚技术，超声波测厚技术最大的缺点是测量精度不够高，尤其是对于复合钢管而言，当薄层厚度小于两倍的波长时，被测基体上、下表面的反射回波就会混迭在一起，不易分辨，导致薄层测厚难以实现，而且复合材料之间的声阻抗差别较小，不易得到精确分辨的脉冲回波。因此对超声波回波信号进行处理，并引入离散傅立叶变换，能够增强对波形信号所携带信息的辨别能力，提高超声波测厚技术的测量复合钢管的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前超声波测厚技术测量精度不够高、声阻抗相近的双层薄壁复合钢管测厚不易的现状，提供一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，提高超声波测厚技术的测量精度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，由超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机、水槽、钢管固定V型台、换能器固定架构成。其特征在于：所述测量步骤如下：步骤(1)，搭建超声测厚系统超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机通过数据线连接构成超声测厚系统；步骤(2)调节固定换能器复合钢管放置在钢管固定V型台上，钢管固定V型台放置在水槽内，超声波线聚焦换能器固定在换能器固定架上，并放置在水槽内，超声波线聚焦换能器位于复合钢管正上方，调节超声波线聚焦换能器位置使超声波线聚焦换能器发出的主声束垂直聚焦于复合钢管上表面；步骤(3)，采集超声回波信号进行数据处理。首先对超声回波连续信号x(t1)按照采样频率41.7M/s进行采样，获得超声回波离散信号x1(t1)，t1为整个超声回波离散信号持续时间，t1＝0，1，2，...n-1；截取超声回波离散信号x1(t1)中有效信号长度为m的部分x2(tm)，tm为超声回波离散信号中有效信号持续时间，tm＝0，1，2，...m-1；由于m不一定为2的整数幂，所以在x2(tm)后对其进行补零，所补长度为大于且最接近m的2的整数幂，得到x2(tm补零)，tm补零为对超声回波有效信号进行补零后的时间，tm补零＝0，1，2，...m-1，m，m+1，...m补零-1；将点数为m补零的x2(tm补零)与相同点数的函数w(t)对应相乘得到h(t)，t＝0，1，2，3，...m补零-1，h(t)为包含m补零个点的离散序列，w(t)的表达式为：通过对h(t)进行离散傅里叶变换，即可获得超声回波离散有效信号中特定频率的波信号在m个位置的幅值与时间的对应关系；步骤(4)计算复合钢管厚度对超声回波信号进行处理分析后，计算声程点，得到波形传过整个声程所需要的时间，结合碳钢与不锈钢声速计算出各自层厚及复合钢管厚度。所述超声波线聚焦换能器中心频率为10MHz。所述复合钢管分为两层，外层为10号碳钢，内层为316L不锈钢，25℃时，测得10碳钢声速v1为5900m/s，测得316L不锈钢声速v2为5740m/s。所述离散傅里叶变换定义如下：设x(n)是一个长度为M的有限长序列，则x(n)的N点离散傅里叶变换为X(k)的离散傅里叶逆变换为：式中e为常数，等于2.71828，j为N≥M，记则某一特定频率为w的波形的幅值与时间对应关系即可通过逆变换式中k取某一特定值来确定。所述复合钢管厚度计算方法为：超声波线聚焦换能器获得回波信号以后，经过选择窗函数、取样宽度后进行短时傅里叶变换，得到复合钢管外层上表面时间点S1，内外层交界面时间点S2，内层下表面时间点S3，结合采样频率f，计算复合钢管外层10碳钢层厚度为v1为测得的10号碳钢声速，复合钢管内层316L不锈钢层厚度为v2为测得的316L不锈钢声速，复合钢管总厚度为l3＝l1+l2。本专利技术具有以下有益效果：对于复合钢管，尤其是壁厚小于两倍波长、声阻抗相近的薄壁复合钢管，能够较好的分辨脉冲回波信号，增强了对波形信号所携带信息的辨别能力，提高了超声波测厚技术对薄壁复合钢管的测量精度。附图说明图1是超声波线聚焦换能器波形传播示意图；图2是超声波测量系统示意图；图3是钢管固定与换能器固定装置示意图；图4是复合钢管Ⅰ上表面到下表面的超声波原始波形；图5是复合钢管Ⅰ经过变换处理后某一特定频率的波形结果；图6是扫描电镜测量的复合钢管壁截面图片。具体实施方式以下结合附图与实施例对本专利技术做具体说明。一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，如图1、2、3所示，包括中心频率为10MHz的超声波线聚焦换能器1、由10号碳钢层2与316L不锈钢层3构成的复合钢管4、超声波发射接收仪5、高速A/D卡6、计算机7、钢管固定V型台8、换能器固定架9、水槽10。超声波线聚焦换能器1、超声信号发射接收仪5、高速A/D卡6、计算机7通过数据线连接构成超声测厚系统，如图2所示。钢管固定V型台8放置在水槽10内，复合钢管4放置在钢管固定V型台8上，换能器固定架9固定超声波线聚焦换能器1，并放置在水槽10内，超声波线聚焦换能器1位于复合钢管4正上方，调节超声波线聚焦换能器1位置使超声波线聚焦换能器1发出的主声束能够垂直聚焦于复合钢管4上表面，如图3所示。首先对超声回波连续信号x(t1)按照采样频率41.7M/s进行采样，获得超声回波离散信号x1(t1)，t1为整个超声回波离散信号持续时间，t1＝0，1，2，...n-1；截取超声回波离散信号x1(t1)中有效信号长度为m的部分x2(tm)，tm为超声回波离散信号中有效信号持续时间，tm＝0，1，2，...m-1；由于m不一定为2的整数幂，所以在x2(tm)后对其进行补零，所补长度为大于且最接近m的2的整数幂，得到x2(tm补零)，tm补零为对超声回波有效信号进行补零后的时间，tm补零＝0，1，2，...m-1，m，m+1，...m补零-1；将点数为m补零的x2(tm补零)与相同点数的函数w(t)对应相乘得到h(t)，t＝0，1，2，3，...m补零-1，h(t)为包含m补零个点的离散序列，w(t)的表达式为：通过对h(t)进行离散傅里叶变换，即可获得超声回波离散有效信号中特定频率的波信号在m个位置的幅值与时间的对应关系。超声波经过复合钢管Ⅰ内10碳钢层与316L不锈钢层的原始波形如图4所示。对原始波形进行处理后某一特定频率波形如图5所示。扫描电镜测量的复合钢管Ⅰ管壁截面如图6所示。实际进行三组测量，被测复合钢管Ⅰ的10碳钢层为1.5mm，316L不锈钢层为1mm；被测复合钢管Ⅱ的10碳钢层为0.9mm，316L不锈钢层为1mm；被测复合钢管Ⅲ的10碳钢层为1.5mm，316L不锈钢层为0.8mm。声程点如表1所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，由超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机、水槽、钢管固定V型台、换能器固定架构成，其特征在于，所述测量步骤如下：步骤(1)搭建超声测量系统超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机通过数据线连接构成超声测量系统；步骤(2)调节固定超声波线聚焦换能器复合钢管放置在钢管固定V型台上，钢管固定V型台放置在水槽内，超声波线聚焦换能器固定在换能器固定架上，并放置在水槽内，超声波线聚焦换能器位于复合钢管正上方，调节超声波线聚焦换能器位置使超声波线聚焦换能器发出的主声束垂直聚焦于复合钢管上表面；步骤(3)采集超声回波信号进行数据处理首先对由超声波线聚焦换能器垂直入射到复合钢管表面，进入复合钢管，穿过碳钢层与不锈钢层后反射回的超声回波连续信号x(t1)按照采样频率41.7M/s进行采样，获得超声回波离散信号x1(t1)，t1为整个超声回波离散信号持续时间，t1＝0，1，2，...n‑1；截取超声回波离散信号x1(t1)中有效信号长度为m的部分x2(tm)，tm为超声回波离散信号中有效信号持续时间，tm＝0，1，2，...m‑1；由于m不一定为2的整数幂，所以在x2(tm)后对其进行补零，所补长度为大于且最接近m的2的整数幂，得到x2(tm补零)，tm补零为对超声回波有效信号进行补零后的时间，tm补零＝0，1，2，...m‑1，m，m+1，...m补零‑1；将点数为m补零的x2(tm补零)与相同点数的函数w(t)对应相乘得到h(t)，t＝0，1，2，3，...m补零‑1，h(t)为包含m补零个点的离散序列，w(t)的表达式为：...

【技术特征摘要】
1.一种超声波测量薄壁复合钢管厚度的方法，由超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机、水槽、钢管固定V型台、换能器固定架构成，其特征在于，所述测量步骤如下：步骤(1)搭建超声测量系统超声波线聚焦换能器、超声信号发射接收仪、高速A/D卡、计算机通过数据线连接构成超声测量系统；步骤(2)调节固定超声波线聚焦换能器复合钢管放置在钢管固定V型台上，钢管固定V型台放置在水槽内，超声波线聚焦换能器固定在换能器固定架上，并放置在水槽内，超声波线聚焦换能器位于复合钢管正上方，调节超声波线聚焦换能器位置使超声波线聚焦换能器发出的主声束垂直聚焦于复合钢管上表面；步骤(3)采集超声回波信号进行数据处理首先对由超声波线聚焦换能器垂直入射到复合钢管表面，进入复合钢管，穿过碳钢层与不锈钢层后反射回的超声回波连续信号x(t1)按照采样频率41.7M/s进行采样，获得超声回波离散信号x1(t1)，t1为整个超声回波离散信号持续时间，t1＝0，1，2，...n-1；截取超声回波离散信号x1(t1)中有效信号长度为m的部分x2(tm)，tm为超声回波离散信号中有效信号持续时间，tm＝0，1，2，...m-1；由于m不一定为2的整数幂，所以在x2(tm)后对其进行补零，所补长度为大于且最接近m的2的整数幂，得到x2(tm补零)，tm补零为对超声回波有效信号进行补零后的时间，tm补零＝0，1，2，...m-1，m，m+1，...m补零-1；将点数为m补零的x2(tm补零)与相同点数的函数w(t)对应相乘得到h(t)，t＝0，1，2，3，...m补零-1，h(t)为包含m补零个点...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯怀书，陈朝雷，张世玮，张而耕，张珂，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31