热管工质非接触超声检测

图1　热管示意图

　1　密封钢球　2　散热片
3　液面　4　工质

2　基本原理
　　当脉冲激光作用于金属表面时，由于局部热膨胀，以及迅速熔融汽化产生近于爆炸的效应，在金属中激发出应力波，从而产生超声脉冲。超声脉冲通过热管壁传到工质液柱底部，纵波延轴线向上传到上表面又反射回底部。检测出两脉冲间隔时间便可推算出液柱高度。
　　在本研究中，采用电磁声换能器(EMAT_S)作为非接触式超声振动检出装置。因为电磁声换能器的效率比压电换能器低，所以应用并不广泛。但它不须耦合剂和适用于对粗糙表面的检测。因此在本研究中很有价值。电磁声换能器是由线圈和强磁场组成，当磁场平行于被测测表面时，传感器对纵波灵敏。结构如图2所示。

图2　非接触式脉冲激光激发电磁超声检出原理图

图3　系统框图

　　对于超声脉冲测距的原理无需在本文中赘述，但本课题中存在钢管壁延轴向的反射波和液柱延轴向反射波的区分问题。当用人眼在示波器上观测时，可以明显发现其规律性，用计算机判读时应输入管长信息。对于一般热管测量，在质量合格的工质液柱高度范围内，回波信号位置变化区间，不出现管壁回波干扰。

3　实验装置
　　图3为系统框图。系统包括脉冲激光发生器、接近觉传感器，交流放大器、CRT显示器以及单片微机控制与辅助判断装置。接近觉传感器以涡流传感原理工作，涡流传感器与超声脉冲检测共用一个线圈，在多路开关作用下轮流工作。交流放大器是隔离放大器，输入端做限幅处理。由于在本应用对象中，热管工质的液柱高度一般大于15cm，所以不必片面追求最小探测盲区。实验系统中，光脉冲持续时间约为0.5μs，能量约0.5J。图4为信号检测部分的结构示意图，该部分与激光器之间通过石英光纤束柔性连接耦合。这样设计是为了减少现场剧烈的冲击振动对固体激光器工作的影响，也便于检测部分损坏后的更换。
　　系统的标定是用上端开口的热管，以便改变液位。实验结果：在0.15～1.50m水柱测量区间，对于水柱高度测量的综合误差小于3mm。由于钢管内水柱高度不容易直接测准，所以标准水柱的设置引入较大的误差。图5为Φ30×1500碳钢热管，液位高500mm条件时的信号波型。在710μs处出现工质液面反射波，在640μs处出现钢管反射波。(局部展宽)

图4　信号检测部分的结构示意图

1　热管　2　环型永久磁体　3　检测线圈　4　铁心　5　反射镜　6　光纤束　7　聚焦透镜　8　固体激光器

图5　信号波形

工作过程如下：涡流传感器检测到热管底部进入工作区(激光聚焦区)后，由计算机控制部分发出信号，在计算机控制下多路开关切向脉冲检测交流放大器，启动脉冲激光器，发出一个激光脉冲，激发信号和回波信号都以A超型式显示在CRT上，回波信号同时被计算机采集，分析，当信号不正常时，重复上述过程，确认后报警。之后进入接近传感检测方式，等待已检测热管的移出和下一只热管的移入。

4　结束语
　　我们对激光超声振动检测方案也进行了实验，并得到同样的测量结果。考虑到采用电磁声换能器(EMAT_S)作为非接触式超声振动检出装置的设备成本要低得多，维护也简单，所以对本方案进行了较多的研究。实际使用过程中发现工业中杂散铁削较多，应定期消除附着在电磁检测部分的铁削。

作者单位：
陈建元　(东南大学　仪器科学与工程系　南京　210096)

参考文献

　　1　美国无损检测学会编.美国无损检测手册.世界图书出版公司，1996.
　　2　王其生，陈建元.一种新型动态检测钢管壁厚系统.高技术通讯，1995，8.