超声固体测温中波速与温度的相关性试验

2021-12-22石友安朱目成

无损检测 2021年7期

张锐，石友安，魏东，朱目成

(1.西南科技大学制造科学与工程学院,绵阳 621000;2.中国空气动力研究与发展中心,绵阳 621000)

超声固体测温是一种可实现结构内部温度实时分布的无损检测技术，其检测原理是基于超声波传播速度与温度的相关性，通过对超声传播时间(简称声时)的检测，经换算得到波速，再根据相关性获得介质的温度。超声在固体介质中传播时存在多种传播波形(如纵波、横波、兰姆波、瑞利波等)，其传播行为也比较复杂。目前，国内外关于波速与温度的关系式大多是通过检测得到的，且大多数是基于超声测厚或超声检测设备开展研究的[1-2]，声时检测精度多为微秒级，无法获得1 ℃引起的声时变化，且现有研究结果重复性不好。这些都在很大程度上限制了超声固体测温的精度和适用范围。

文章分析了超声固体测温中声时的温度灵敏度，在现有超声检测设备的基础上，采用电磁超声检测技术，搭建了基于声时检测的超声固体测温原理性试验平台，针对典型均匀材料开展了超声横波波速与温度的相关性表征试验，对其影响因素及规律进行了分析，为高温条件下超声波固体测温提供了依据。

1 声时的温度灵敏度特性分析

以二维温度场的超声检测为例，假设结构左端受到热流的加热作用，超声测温时声波探头安装在结构右端。采用脉冲回波法进行检测时，超声波在固体介质中的传播时间tL可表示为

(1)

式中：L为超声波在介质中的单向传播距离；vT为超声波在介质中的传播速度。

对式(1)关于温度求导，得到声时的温度灵敏度St为

(2)

式中：T为温度。

由式(2)可知，声时的温度灵敏度St与传播路径的长度和波速有关，传播路径越长，波速随温度变化得越快，声时的灵敏度越高。根据纵波、横波波速与温度的关系[3-4]，假设介质长度为1 m，得到纵波和横波声时的温度灵敏度(见图1)。

图1 单位长度横波与纵波检测声时的温度灵敏度曲线

不同介质中，纵波和横波的传播速度不同，声时的温度灵敏度也不同，同种介质中横波声时的温度敏感度约为纵波声时的3倍。如果被测结构的长度为1 cm，温度变化为1 ℃，横波声时的变化约为1.5×10-9s，为了分辨1 ℃带来的声时变化，需要纳秒级声时检测技术。此外，由于同种介质中波速与温度的关系不同，声时的温度灵敏度也不同。因此，需要对同种介质进行多次重复试验，研究波速与温度的相关性。

2 检测原理及检测方法

2.1 检测原理

在一维传热中，超声波在均匀温度介质中的传播速度vT可以表示为

vT=2L/t

(3)

在不同温度下采用脉冲回波法检测，由式(3)计算出不同温度下超声波在介质中的传播速度，通过一系列均匀温度状态下波速的检测，获得超声波波速与温度的关系式。脉冲回波法检测原理如图2所示。

图2 脉冲回波法检测原理示意

2.2 检测平台及检测方法

现有的超声检测设备主要是对常温或者中低温的测厚，声时检测精度为微秒量级，无法识别1 ℃温度变化带来的声时变化。搭建了基于声时检测的超声固体测温原理性试验平台(见图3)，可实现600 ℃温度范围内的纳秒级声时检测、声时和温度数据同步自动采集等功能。试验平台主要由3个部分组成：超声声时检测系统、温度检测系统、加热系统等。超声声时检测系统的核心功能是基于现场可编程门阵列(FGPA)来完成的，能够兼容1 MHz5 MHz的超声探头，支持频率可调，满足常规探头或电磁探头的驱动，最高瞬时功率能够达到9 000 W。通过主机控制FGPA，使DDS(直接数字频率合成)激发超声波探头，当超声信号在试件底部反射并传回超声探头后，对超声信号进行采集。超声信号采集由示波器和A/D(模拟/数字)数据采集板卡完成，数据采集频率最高为2.5 GHz。采用电磁式超声探头，激发频率为3 MHz，激发波形为横波，探头采用隔热设计，可以满足小于350 ℃不限时间检测和600 ℃耐60 s以上的检测需求。试件上安装多个热电偶，通过温度检测系统采集温度数据，并传输给上位机，利用FGPA进行超声信号和温度信号的同步采集。被测材料为316不锈钢，试件规格(直径×厚度)为65 mm×10 mm。

图3 超声固体测温原理性试验平台结构示意

为了模拟一维传热，在试件下表面加热，侧面和上表面用保温棉进行隔热处理，使试件近似绝热，满足一维传热特征。试件侧面相隔180°对称位置打孔安装2个热电偶，侧面和表面各黏贴2个热电偶，用于监测试件温度是否达到均匀(见图4)。

图4 试件热电偶安装现场

试件放置在加热板上，设置加热温度，当试件温度达到稳定时，采集当前状态下超声波在试件中的传播时间t。为了减小误差，在每个稳定温度下检测5组声时，每组10个数据。

检测过程中，第一回波信号最强且最稳定，但是很难找到第一回波声时的基准零点，因此选用第一回波和第二回波之间对应位置点的相对时间间隔为超声波在介质中的传播时间t，回波信号如图5所示。

图5 试件的超声检测回波信号

3 检测结果与相关性表征

声时检测的稳定性直接影响试验结果的准确性，检测过程中加热板温度达到100 ℃和400 ℃，且试件温度稳定时，分别对试件进行10次超声波检测，得到两组声时检测数据(见图6)。同组声时检测数据最大偏差为0.6 ns，最大相对偏差不到0.01%，结果表明，试验台的声时检测稳定性好，检测精度满足纳秒级检测的需求。

图6 不同温度下试件的声时检测数据

波速与温度的相关性试验重复进行5次，测得不同温度下试件温度达到稳定状态时，超声横波在316不锈钢试件中的传播时间(见图7)，通过数据分析，选取其中3组数据计算得到对应温度的横波传播速度(见图8)。

图7 超声波在试件中的传播时间与温度的关系

图8 超声波在试件中的传播速度与温度的关系

在温度为20600 ℃时，3次试验结果表明，随着温度的升高，声波在试件中的传播时间近似线性递增，波速近似线性递减，试验结果有很好的重复性。

用最小二乘法拟合得到316不锈钢中横波波速与温度的关系式如式(4)所示。

vT=-0.721 8T+3 157.5

(4)

将试验结果与文献[3-5]的结果进行对比，发现两者有着相同的趋势。由于试验所用不锈钢型号与文献中的不同，所以试验结果也会有差异，两者的对比如图9所示。

图9 波速与温度的相关性试验结果与文献结果的对比

在各向同性固体中，超声横波的传播速度可以表示为[6]

(5)

式中：E为弹性模量；G为切变模量；σ为泊松比；ρ为介质密度。

查得316不锈钢的切变模量[7]，通过式(5)计算得到横波波速，并将试验值与计算参考值进行对比，如表1所示。

从表1可以看出，横波波速试验值与计算参考值有着相同的趋势，随着温度的升高，波速呈线性递减的趋势。在试验温度范围内，试验值与计算参考值的最大相对误差为1.28%。

表1 横波波速的试验值与计算参考值对比

4 影响因素及其规律分析

高温条件下，试件的热膨胀会引起超声波传播路径的变化。316不锈钢在温度为600 ℃时的膨胀系数为18.3×10-6K-1，该值用于修正热膨胀引起的厚度变化。在温度为600 ℃时，热膨胀引起的试件厚度变化约为1.06%，引起的波速变化约为29 m·s-1，如果用于超声测温，相当于约40 ℃的温度偏差，会带来6.67%的温度检测误差，因此需要对高温环境下试件的厚度进行修正。

在考虑热膨胀影响的条件下，式(3)可改写[8]为

(6)

式中：L0为室温下试件的实测厚度；α为线膨胀系数；t为超声波在介质中的传播时间;T0为室温。

通过不同温度下316不锈钢的线膨胀系数[7]和式(6)对试验结果进行修正，得出考虑热膨胀影响下室温至600 ℃时，316不锈钢中横波波速与温度的修正关系式如式(7)所示。

vC=-0.671 2T+3 156.5

(7)

高温下超声回波信号受电磁超声探头的性能和材料结构等因素的影响。电磁超声探头中永磁铁的磁场强度会随探头温度的升高而降低，磁场强度的降低会使试件中自由电子受到的洛伦兹力减小，质点振动也会减弱。此外，超声回波信号幅值的减小与材料的结构和组织有很大关系，且受超声波频率、波长和晶粒度等因素的影响。声时检测是通过捕捉第一回波峰值和第二回波对应峰值之间的相对时间差获得的，超声回波信号的衰减容易使第二回波出现“双峰”(见图10)，造成软件对第二回波峰值的误判，那么声时的判断也会出现误差。试验过程中为了减少信号衰减对声时检测造成的误差，在同一温度下连续检测5组声时数据，并对声时数据进行离散度分析。