超聲端點(diǎn)反射法測(cè)量裂紋高度的研究

　　1. 序言

　　1.1 壓力容器裂紋類缺陷的危害性

　　壓力容器不同程度地存在著裂紋類缺陷，斷裂力學(xué)研究證明，帶有尖銳邊緣的平面缺陷（如裂紋）危險(xiǎn)性最大。同時(shí)還證明受壓部件中平面缺陷穿過(guò)壁厚的徑向長(zhǎng)度、缺陷距表面及與其它缺陷的距離等都是關(guān)鍵性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂紋長(zhǎng)度是次要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展所引起的，英國(guó)曾對(duì)10萬(wàn)個(gè)容器進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)行一年共發(fā)生132件破壞事故，按事故原因統(tǒng)計(jì)，由于裂紋擴(kuò)展造成的破壞占總數(shù)的比例高達(dá)89.3%。因而對(duì)裂紋的檢驗(yàn)和監(jiān)控顯得極為重要。

　　1.2 裂紋高度的超聲檢測(cè)方法

　　1.2.1 6db法

　　6db法是超聲測(cè)量長(zhǎng)度的傳統(tǒng)方法，通常是探頭找到最大峰值后向相反的二個(gè)方向水平移動(dòng)使回波峰值下降一半時(shí)的波束中心線距離即為長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度稱為指示長(zhǎng)度但并非裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度。這種方法可以用來(lái)測(cè)高，但是誤差較大。

　　1.2.2 表面波延時(shí)法

　　對(duì)表面開(kāi)口的裂紋采用表面波延時(shí)法來(lái)測(cè)量裂紋深度，該法主要是通過(guò)裂紋對(duì)表面波的延時(shí)作用來(lái)計(jì)算裂紋的深度。但當(dāng)缺陷內(nèi)含油或水等液體時(shí)，表面波有可能跨越缺陷開(kāi)口，使測(cè)試誤差大大增加。此外，缺陷的端部太尖銳接收到超聲波信號(hào)很低甚至接收不到。缺陷表面過(guò)于粗糙也會(huì)造成誤差增大。

　　1.2.3 端點(diǎn)衍射波法

　　超聲波入射到裂紋面上時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，在裂紋尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射稱為衍射波，超聲端點(diǎn)衍射法是通過(guò)測(cè)量裂紋端點(diǎn)衍射回波的延遲時(shí)間差值來(lái)求得裂紋高度的。但是衍射波的強(qiáng)度很弱難發(fā)現(xiàn)，所以用衍射波測(cè)量裂紋高度有較大的難度。

　　1.2.4 端點(diǎn)反射波法

　　入射波入射到裂紋的端點(diǎn)，有一部分將沿著原路反射，稱為端點(diǎn)反射回波如圖1所示。端點(diǎn)反射回波法是通過(guò)測(cè)量主聲束入射到裂紋頂端時(shí)，所產(chǎn)生的端點(diǎn)回波聲程計(jì)算裂紋的高度，從方法上說(shuō)是比較正確較為可行的方法。

　　1.3 端點(diǎn)反射波法的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在模擬超聲探傷儀上用端點(diǎn)反射法測(cè)量裂紋的高度，通常采用深度校準(zhǔn)即利用回波聲程在垂直方向上的投影長(zhǎng)度進(jìn)行定位。操作工藝的特點(diǎn)是要用試塊進(jìn)行深度線性校準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是一種同高比較法因此其準(zhǔn)確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大的關(guān)系。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將回波信號(hào)數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型能得到包括垂直高度在內(nèi)的各種數(shù)值，這是本文研究的主題。

　　2. 數(shù)字信號(hào)處理端點(diǎn)回波聲程測(cè)量裂紋自身高度方法的研究

　　2.1 數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程的原理和應(yīng)用

　　常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)回波聲程的測(cè)定是通過(guò)屏幕上回波所處位置的水平量值來(lái)?yè)Q算的，由于波形的跳動(dòng)、波形峰值的判斷誤差、線性調(diào)節(jié)精度等原因，測(cè)定的聲程值誤差很大。數(shù)字信號(hào)處理端點(diǎn)回波聲程（w）是通過(guò)計(jì)算機(jī)A / D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算得到的。

　　我們研制了超聲信號(hào)分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的回波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，建立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理得到了裂紋自身高度精確的測(cè)量結(jié)果。

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