超声波技术篇1

【关键词】超声波；传感；控制

一、超声波的特性

超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程。超声波的频率是20KHZ至50KHZ，而应用于材料检测的超声波频率在0.5MHZ至25MHZ之间，应用于金属材料检测的超声波频率为1MHZ至5MHZ。超声波因为频率高，波长短，指向性强，因此在传播过程中有一些应用性较高的特性。指向性：声源发出的超声波在一定区域定向辐射，超声波在传播时具有束射性，这种特性就是指向性。（1）直线性：超声波的波长在毫米数量级，波长较短，所以在介质中能沿直线传播，而且对固定介质来说传播速度为常数。（2）反射、折射与波形转换：超声波在传播时，如果遇到不同的介质界面，因为介质弹性差异大，在界面上会产生反射。如果超声波倾斜入射到不同介质的界面，进入介质的声波将发生折射，且在一定条件下会产生波形转换。穿透能力强：在多数介质尤其是金属介质中，超声波的传输损失少，传播的距离远，穿透能力很强。

二、超声波产生的原理

声波是物体机械振动状态或能量的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。超声波是指振动频率大于20000HZ以上的，其每秒的振动次数甚高，超出人耳听觉上限的声波。如图1。

三、超声波的产生方法

声波的主要产生方法有热学方法、电动方法、磁致伸缩法（用于焊接、检测）、机械法（高压气流经过小孔）、压电法（用于测控）。其中压电法最常用。

四、超声波传感器

超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、引线、金属外壳、金属网以及底座构成。超声波传感器是利用压电效应工作的，振子用压电陶瓷制成，共振锥形辐射喇叭可以提高灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的激励电压能产生产生超声波；当处于接受状态时，能很灵敏的探测到共振的超声波。

五、超声波控制技术

超声波遥感超声波遥控系统由超声波发射电路和超声波接受电路组成。发射电路又分为由555时基电路构成的发射电路和由专用电路NYRKD40T构成的发射电路；超声波接受电路由分立元件构成的超声波接收电路和有专用的集成电路构成的超声波接收电路构成。超声波遥控开关超声波控制电路时不受电场的干扰，也不会干扰其他的无线电设备。简单的单通道超生遥控开关由发射机和接收机两部分组成。发射机发出超声波被接收机接收后，进行放大，然后推动继电器工作，达到遥控目的。超声波数字测距仪超声波数字测距仪由时钟电路、微分整形电路、超声波发射电路、接收放大电路、RS触发器以及计数与显示电路组成。时钟电路向整个测距仪提供基准始终，调节各部分工作。超声波发射电路发射超声波频率为40KHZ，每次发射包含10个脉冲。超声波数字测距仪的工作原理：当发出第一个超声波脉冲时，RS触发器置位，RS触发器使计数显示电路开始计数，在检测到第一个返回脉冲时，RS触发器复位，计数器停止计数，并将计数器记录的脉冲换算成长度显示出来。一般的超声波数字测距仪能测量的距离为0～5米。精确度约为2%。

六、总结

近年来，超声波技术的发展迅速，超声波技术的应用领域越来越广泛，超声波传感控制技术的应用不仅解决了很多技术上的难题，而且缓解了原来生产技术带来的环境压力。超声波超声波传感技术有很好的发展前景。

参考文献

超声波技术篇2

超声波检测是不破坏原岩土的受力结构，应用相关的检测设备对锚杆进行检测。在检测时，对杆端进行外力震击，从而引起杆端的剧烈振动，并产生沿锚杆向杆底传播的应力波。如果应力波的波形、波速、波峰值保持不变，在锚杆中均匀传播，则表明锚杆的完整性比较好。如果应力波的波形、波速、波峰值发生变化，则表明沿锚杆长度方向上存在缺陷。由于超声波检测对锚杆不产生破坏，所以特别适用于重要岩土工程大面积检测工程。

2锚固锚杆应力波超声波检测工作流程

在进行锚杆超声波检测数据分析之前，首先要调查清楚围岩土地的基本地质状况，然后再标定锚杆杆头应力波速度，利用检测装置采集反射波反射回来的数据，通过一系列的分析整理获取岩土中锚杆的长度、锚杆的完整程度等基本信息。因此，超声波检测技术基于应力波检测的工作流程大致为：收集围岩地质基本资料，标定应力波速大小，利用检测仪器进行数据动态采集，拉拔抽检试验、时域波形分析、频谱分析以及时频频谱分析等，最后准确获取锚杆的长度和完整度。

3锚杆超声波检测技术基本原理

当锚杆杆端受到外力震击后，就会引起杆端的剧烈振动，并产生应力波沿锚杆向杆底处传播。如果锚杆质量完好，则锚杆为应力波提供了一个均匀传播的介质，此时应力波的波形、波速、波峰值均保持不变。如果存在缺陷，则应力波就会在不均匀的材料中传播，在有缺陷部位应力波将发生突变，从而使得应力波的波形、波速、波峰值发生变化，会发生透射波、反射波或者散射波等现象。实际检测工程中发现，由于透射波在受到锚杆内非均匀介质的作用下，仪器很难准确测量其具体值；可以通过对反射波的分析获得锚杆的质量水平，当应力波反射传播到锚杆杆顶时，由原先装置在锚杆杆顶处加速度或速度计应力波传感器采集测得。由于反射波的数据信息代表着锚杆质量的相关信息。因此，对反射波携带的数据进行信息分析后，就可以得出锚杆质量的完整程度，从而可以获取锚杆的综合安全性能指标。

4超声波检测中锚杆锚固失效分析

4.1锚杆杆体钢筋拉断

钢筋是围岩锚杆中的主要受力体，主要提供拉力，同时由于锚杆底端的丝扣部位，经常性出现几个应力共同作用，使其该处发生应力集中。当应力增大到一定程度时，则会使锚杆中的钢筋拉断。为了解决钢筋被拉断，实际工程中常对钢筋进行热处理，从而提高钢筋的韧性，防止钢筋拉断现象的发生。

4.2托板失效

由岩土工程可知，在实际工程中常发生锚杆托板失效现象，为了解决托板失效，实际工程施工时通常选用增大锚杆托板的厚度，或采用高强度钢材等提高锚杆托板的耐压性能，从而提高锚固结构整体的性能。

4.3局部薄弱点破坏，致使锚空失效

大量岩土工程实践表明，由于岩土围岩局部薄弱部位发生破坏引起锚杆出现锚空失效现象。当采用锚固锚杆技术进行岩土工程加固支护时，由于在围岩中薄弱点处荷载产生的应力分布不均匀，就会在围岩的薄弱环节处出现局部破坏现象，导致锚杆的切向锚固力瞬间减小甚至消失，锚杆的径向锚固力也随之减小，锚固结构支护性能降低，发生锚杆锚空失效现象。

5结语

超声波技术篇3

【关键词】超声波检测技术；岩体物性；应用

0.前言

岩体原有的应力平衡在才开过程往往因为破坏而被打破，应力经过重新分布，形成新的平衡。如果对重新分布的应力没有较好的把握，会对工程工作带来危害，如：在高地应力地区修筑地下洞室时，常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软弱岩层中的流变现象。因此研究岩体特性及应力变化规律对确保安全施工具有重要意义。

1.波速法

波速法检测通过研究岩体弹性参量、应力状态等因素和波速的关系，检测岩体额特性和结构。根据波速法求得弹性模量，通过分析弹性模量可了解岩体物性及力学指标。

1.1波速法检测的原理

（1）岩体弹性参量与波速之间的关系。介质的波速能有效的反应物体的形变，岩体内的超声波的纵横波分别代表了岩体的不同形变，横波反映横向剪切形变，纵波反映了岩体的拉伸或压缩，并且横向、纵向变形的比值对其影响较小。纵波与横波速度的比值反映了岩体的完整性，若比值较大，横向则易于膨胀，介质较为脆弱。但由于同一波长的纵波、横波受测试条件，岩体传播条件的影响，应根据具体情况而定。在各向同性岩体中根据纵、横波速，能够求得岩体的弹性参量。

动弹性模量E=（v：纵波波速，v：横波波速）（公式一）

从上述（公式一）、（公式二）可知，超声波的岩体传播速度与p的开方成反比，与动弹性模量Ed的开方成正比。由于气体和液体内部μ=0，通过（公式二）可知，vs=0，因此横波不能在这两种介质中传播。纵波速度随着岩体饱和度的增加，受土股价影响逐渐减弱。Ed很难反映土体特性。由于土中横波特性不受含水量的影响，因此多用横波波速vs和μ=pv2s划分高饱和度土层的地层及土层性质。

泊松比是指物体横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，能准确的反映反映土体变形特性。根据实测波速确定泊松比的方法称为动泊松比。介质的泊松比值的变化范围为0～0.5；流体泊松比值为0.5；大多岩石泊松比在0.25左右；刚性岩石泊松比值为0.05，由于土的饱和度和土层深度成正比，土层的泊松比也随着土层深度增加而增大。

静弹性模量E=0.25E

岩体准抗压强度R=R（）（v，v：现场实测岩体、岩体试块的纵、横波速）。

岩石的抗压强度和结构面的性质，决定了岩体的抗压强度，并且通过实践验证，岩石抗压强度和波速间为线性关系。

（2）波速和岩土性质的关系。根据纵、横波的波速比值可大致判断断层、破碎带的分布范围、岩石特性。如vp/vs在1.7左右，vp较高时，未风化基岩可能性较大；如vp较低，砂石或卵石可能性较大；如vp/vs较高，但vp比较小可判断为经常在水位以上的粘性土壤；当纵波值和水的波速（1450m/s），而波速比值较高，大概为软粘土存在。泊松比是反应岩石质量的重要指标，如σ=0.25左右，岩石质量较好；σ=0.35左右时，岩石风化现象较为严重。

（3）岩体应力与波速的关系。根据对岩石式样单轴压应力作用下的观测，岩体应力和波速的关系如图1，但两者之间的内在联系和物理机制尚未有研究结果。

图1声波—应力的关系曲线

（4）岩体密度与波速的关系。p对动弹性模量的影响最大，当岩体裂隙减小，密度增大时，Ed将迅速上升导致声速增大，进而波速也增大。

1.2波速法主要应用

波速法检测的应用主要在以下方面：

（1）根据图1声速—应力关系曲线，通过岩体钻孔测得不同深度的声速值，与曲线上声速相比较，可以准确的把握岩体应力分布状态。

（2）岩层顶板裂隙检测。通过在一条穿过裂隙的侧线布置发射和接收探头，等距离布置测点，根据记录下超声波传播时间绘制时距曲线，斜线折断点为裂隙深度，如图2。计算深度公式为：

h=

（其中L：发射探头至裂隙的距离，t：斜线折断处的时间间隔，a：斜线倾角）。

通过固定发射探头，移动裂隙另外一侧的接收探头，根据探头间的距离和传播时间的关系，可判断裂隙方向。若传播时间随探头间距离的增加而减少，则裂隙倾斜于探头移动方向；反之则倾斜于发射探头方向。

图2岩层顶板裂隙检测方法

（3）松动圈检测。岩体应力在岩体开掘后重新分布，在围岩内应力升高或降低区域，形成松动圈。超声波在检测松动圈中，超声波波速和波幅受到岩体完整度、应力影响，当岩体较完整、裂隙较小、应力上升时，波速、波幅会增大，反之亦然。只要测出的波速和位置的关系曲线，便可确定松动圈的范围及岩体完整度，。为支护方案的抉择提供科学依据。测量方法如图3，右侧为某井巷松动圈实测情况，松动圈范围在0.2～0.6m。

图3围岩松动圈检测方法及某井巷检测结果

2.超声波谱检测法

2.1超声波谱检测法原理

岩石超声波谱测试技术侧重研究声波在岩石的检测信号的全波列，来了解岩石结构特性。该测试技术的实质是根据声波传播速度和振幅衰减规律得到数据，进而求出所需力学参数，然后结合地质构造和施工方案对岩体分类，为制定设计方案提供依据。

岩体超声波谱测试系统如图4所示，同过向岩石试件发射一窄脉冲，由于其传播时间小于其他发射波，能提高纵向分辨率并将直达波与后续波分开。窄脉冲有大量的频率分成，可以有效提高信噪比。因此用窄脉冲发射能减小透射波失真。

图4岩体超声波谱测试系统

在进行快速傅里叶（FFT）前，透射波信号首先选取固定的间隔时间将模拟波形转化为数字序列。间隔时间理论选取为：Δt=，但由于实际情况存在采样误差、高频混淆等，具体的采样时间间隔应根据实际情况而定。如要真实反映fmax=1MHz的岩体穿透波谱，Δt不应小于。为提高频谱分析的准确性，对量化后的数字波形应进行预处理，消除系统零线偏差，过滤不必要的信号干扰，提高信噪比。同时为得到有效信号视频信息，需对信号进行局部化分析和短时窗傅里叶变换，通过对窗中心的水平位移，对信号进行加窗分段分析。

2.2超声波谱检测法的应用

超声波在不同的岩石介质中会发生折射、投射及其他特殊波，通过对这些现象和特殊波的分析，掌握岩石的结构特征及物理学特征。超声波波谱在研究岩石的完整程度上具有直观性，通过形状可直接判断。若主频较高，带宽较大则岩体一般较坚硬、致密。主频、带宽的大小可有效的判断岩石结构、风化程度等。岩体的力学特性与超声频谱联系密切，频谱的主频、振幅与岩体的压力成反比，随着岩体压力的增大而变小，频谱在岩体压力增大过程中的形变与岩石裂隙产生、形成相呼应。超声波频谱检测法是新型的检测手段，在解决岩体分类及其它问题上提供了新的思路，有着广泛的应用前景。

3.结语

超声波检测技术在岩体物性检测上具有简便、快捷、可靠、经济等优点，能很好的判断岩体断层、裂隙与突变情况。随着超声波检测信号灵敏度的提升，超声波检测技术必有广泛的应用。但我国目前超声波检测技术在岩体的研究中的应用还较少，一些技术问题仍在探索中，加强研究声波传播在岩体特性的应用方法，将是我国地质工作者应努力的方向。[科]

【参考文献】

[1]张晓春，金永君.物理与工程[M].北京：中国矿业大学出版社，2001.

超声波技术篇4

关键词：天然气；超声波流量计量技术；应用

相对于传统技术技术新型天然气超声波计量技术具有更高的准确度，但是这种计量技术的计量结果也会受到一定因素的影响，为了保证获得准确的计量结果本文将对影响计量结果的因素进行分析，并且探讨实际运用中应当注意的问题。

一、天然气流量计量中气体超声波流量计的应用

天然气流量计量主要是通过多参数测量实现的，并且还需要设置相应的流量比对装置以确保测量的准确性。为了进一步保证实验数据的准确性和有效性，将一套标准孔板流量计与气体超声波流量计进行串联运行。选用的气体超声波流量计为四声道，具有300mm内径，流量范围是240~6405m3/h。

（一）气体超声波流量计准确度与超声的关系

表1阀门1控制流量、阀门2全开时气体超声波流量计的运行气体超声波流量计测量准确度会受到被测介质内部噪声的影响。如果采用气体超声波流量计这种方法来控制流量的大小，那么其节流的声音与流量的增加是成正比的关系，标准孔板流量计与气体超声波流量计之间的相对误差就会加大，这就会发生这两种流量计所计算出来的流量严重不相符。当阀门1全部打开的时候，在阀门2控制流量大小的情况下，气体超声波流量计的信噪会相对比较大，标准孔板流量计和气体超声波流量计之间则会具有相对固定的误差。实验数据如表1和表2。根据表1和表2可知，如果由上游阀门1节流，气体超声波流量计信噪就会比上游阀门全开时低，这是因为当上游阀门在进行节流的过程中，人类无法听到的高频声波和人类可以听到的声音将会同时产生，如果声波频率与气体超声波流量计量的工作频率无限度相似的时候，那么就会造成气体超声波流量计信噪比的减小，这样流量计的测量准确度就会受到影响。

（二）气体超声波流量计与流态的关系

根据GB/T18604-2001《用气体超声博流量计测量天然气流量》中的相关规定，气体超声波流量计的上游直管段至少具有10D、下游直管段至少具有5D，其目的就是确保符合对称紊流速度分布要求的天然气流态可以进入流量计。空间弯头和计量管路中阀门对天然气的速度分布会有直接影响，从而使测量的准确度有所降低。气体超声波流量计的升到分布示意图如图3，四个声道沿管道横截面由上至下分布。管道中气体的平均流速可以通过气体超声波流量计加权平均各个声道测得的流速获得。在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中分布情况如表3和表4所示。根据图1、表4、表5可知，在阀门1节流的情况下，通过超声波A、D声道流速大于B、C通道流速可知，天然气在管道中的流速分布不均匀程度会随着流量增大而增大。随着流量的增大管道内气体的分布逐渐代替分布，换句话说，管道中心气体的流速小于管道壁的气体流速，当全部打开上游气流的阀门的时候，不会阻挡气流，管道内的气体流速不会随着流量的增加而产生较大的变化。当闸阀没有完全开启的时候，天然气的经过会受到阀门闸板的阻挡，产生不对称的旋转气流，这实际上是漩涡流的发展前兆。

（三）气体超声波流量计与气质的关系

气体超声波流量计在我国发展较晚，所以还没有在真正全面认识其实际工作性能。一般情况下来讲，在进行气体超声波流量计的过程中，对其气质条件并没有严格的要求，工业环境下可以实现气体的大多数清洁均质液体或不含大浓度悬浮粒子的流量测量。在用气体超声波流量计测量天然气的过程中，如果天然气当中含有大量的粉尘、雾状液滴和饱和水蒸气的时候，就应该充分考虑到气质条件可能带来的影响。最初，笔者发现相较于标准孔板流量计这种方法而言，气体超声波流量计的流量测量结果相对偏高。通过对气体超声波流量计进行诊断的过程中发现，处于非工作状态下的D声道很容易被饱和天然气所凝析出来的液体淹没，从而影响了换能器的正常运作。当排除积存在管道内的液体的时候，超声波流量计就可以恢复正常的工作状态。在一个声道发生故障时多声道气体超声波流量计能够实现自动补偿运算，进而造成流量计的流量输出略高于正常情况。能够影响气体超声波流量计工作性能的还包括天然气中的粉尘，例如当上游某个气体处理厂没有正常开机时，分子筛中的粉尘会随着气体超声波流量计的工作流程而带入进来，这样就很容易在底部的换能器处造成粉尘堆积的现象，影响气体超声波流量计的正常运转。

二、应用气体超声波流量计时应当重视的问题

（一）科学选型

一般情况下，型号不同的流量计，其测量的范围也是不同的，实际生产生活中涉及到的超声波流量计的测量范围都较为宽广，最大流量通常是最小流量的三十倍。利用测量天然气的流速确定天然气流量是气体超声流量计的工作原理，2.7~27m/s是其理想的工作范围，气体超声波流量计要想保证检测准确度就应当将工作流速控制在这个范围内。如果天然气流量比气体超声波流量计的流量拐点低时，就会在一定程度上降低气体超声波流量计的准确性，造成增大误差的后果。而在天然气流速过高的情况下，超声波信号无法被换能器检查到，进而造成计量故障问题。因此，进行超声波气体流量计选型时，应当正确掌握管道中天然气的流速，防止超底限或超高限运行情况的产生。选择气体超声波流量计时，还应当对是否存在声波干扰源进行充分考虑，其中主要指的是消音设备、大压差减压设备、高速度等能够产生超声波信号的设备。人们耳朵能够听见的声波通过消音设备能够转化为听不到的声波，一旦气体超声波流量计工作频率接近消音设备的超声波频率或减压设备的超高频噪声，那么超声波流量计就会无法正常工作。所以应当尽量避免在能够产生影响流量计声波场合，安装和选用气体超声波流量计[1]。

（二）严格安装

设置气体超声波流量计上下游直管段的过程中，应当充分执行相应标准，其中上游直管段和下游直管段应当分别大于10D和5D，并且还应当安装流动调整器解决安装条件受测量现场限制的问题。同时安装气体超声流量计时应当保持水平方向，这样就能够有效测量含液较多的天然气，还要严格根据技术要求进行气体超声波流量计和计量管段的安装，以保证气流就能够将天然气凝析出来的液体带走，防止超声波流量计存在液体堆积问题。如果固体粉尘含量较大额天然气，就应当将在上游直管段加设过滤器，避免因换能器表面堆积沉积物而产生故障[2]。

（三）科学维护

在使用气体超声波流量计的过程中，需要进行维护的情况少之又少，但如果计量气体气质较差那么就需要对气体超声波流量计的换能器进行及时清洗，并对换能器表面是否存在水沟和杂质进行检查。同时还应当关注有无泄漏存在于气体超声波流量计的各连接件中，链接线路是否正常以及检测零流量是否准确等等。

（四）定期诊断测试

一旦气体超声波流量计产生流量突变的情况，就应当运用其他与气体超声波流量计串联运行的流量计进行比对校核，确定显示天然气流量变化的真正原因。对于没有其他流量计作比对的情况，就应当通过气体超声波流量计的诊断软件对各个换能器的工作参数进行全面检查，进而了解异常参数值是否存在。对于使用超声波流量计较多的情况，应当将便携外夹式超声波流量计作为首选，这样能够随时校核固定安装的超声波流量计[3]。

结束语：

新型天然气超声波流量计量技术作为一项先进的技术，已经得到人们的广泛认可和运用。但是在实际运用过程中仍然要充分考虑影响计量过程的相关因素，并通过采取相应的措施获得最准确的计量结果。

参考文献：

[1]申思,申云廷.超声波在天然气流量计量中的应用[J].城市燃气,2014,(09):11-15.

[2]李慧青.气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用研究[J].内江科技,2014,(06):85.

超声波技术篇5

关键词：超声导波检测技术；油田管线检测；油田产化

一、引言

油田产业在我国的经济发展中起着十分重要的关键作用，由于石油管道性能的特殊性，管道在油田中的使用期限如果延长，油田管道将逐渐产生介质腐蚀以及老化等现象，极有可能造成油田管道事故的发生。因此，如何准确、有效的检测出油田管道的缺陷成为了一直困扰我国油田产业发展和进步的重要瓶颈。特别是由于管道长期应用于不可触及的环境，经常会导致一些现有的常规检测手段无法正常的，全面的进行检测。科学技术在推动生产力的发展方面起着越来越重要的作用，科学技术转化为直接生产力的速度加快。超声波技术日趋成熟，尤其是超声波检测技术特有的检测距离相对较长、对被检测的油田管道可以进行全面检测等技术优势，正在越来越多的被石油检测的安全工作者的采用。

二、超声导波检测的技术原理

我国的油田企业越来越重视科技在产业结合方面的应用，尤其是油田产业，特别是油田管道的完整性检测过程中，超声导波检测技术就与之前的常规性的传统检测有着较为明显的优势。首先，超声导波检测技术在方法原理方面，主要是利用超声导波等设备的探头发射出可以产生沿管道传播的，包括纵波、横波等一系列低频超声导波在内的导波进行管壁内不同性质缺陷的检测，然后利用低频超声波所反射回来的回波，发现油田管壁中的缺陷所在，进而通过反射回来的回波状况来判断油田管道的腐蚀情况以及相应位置，同时，管道环向的超声波探头可以通过均匀的、间隔的排列，使得低频超声导波以真实的管道壁的轴蕊为对称点进行对称传播，通过一系列的环向声波对整个油田管道的管道壁进行声波检测，从而实现超声导波检测技术在油田管线检测中100%检测。超声导波检测技术在油田管线检测中的优势与传统检测方法相比，有着以下几项突出特点：

（一）、超声导波检测技术在油田管线检测中所传送的超声导波在传播路径方面距离较长，可以沿着油田管壁传播长达十几米之远，并且可与回波信号一起形成回路，可以达到管道中极为完整的信息收集工作，进而保障了超声导波检测技术在油田管线检测中信息的完整性和准确性。

（二）、超声导波检测技术在油田管线检测中可以通过超声波在油田管壁内部、外部等表面质点的振动，使得超声导波的声场遍及整个油田管道的管壁，使得超声导波检测技术在油田管线检测中得到全面检测。因此，超声导波检测技术在油田管线检测中的作用，将会对我国的油田产业乃至整个的工业产业产生重要影响。

三、分析油田管线检测中超声导波检测技术的应用

（一）、超声导波检测技术的应用概况

超声导波检测技术在油田管线检测中已经得到了广泛应用，尤其是国外在超声导波检测技术在油田管线检测中的工程技术已经运用的相对成熟，对于超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析也比我国进行的更加充分和深入。尽管我国在超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析的起步相对较晚，但是我国科学技术在工业领域，尤其是油田管道领域的广泛研究的深入，我国在超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析方面也逐步开展了更为深入的研究和探索。根据理论数据，相关研究人员发现超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析是根据弹性纵波理论来进行的，通过计算机对分析管中的超声导波进行频散曲线分析，从而得知超声导波检测技术在油田管线检测过程中遇到管道裂纹时候的反射以及透射规律，再进一步依据超声导波检测技术在油田管线检测中的导波反射时间以及相关强度来确定油田管道的裂纹具置以及裂纹尺寸；在相关的试验检测过程中，超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析一般通过传感器来进行设计实验，在油田管道的超声波导检测过程中抑制其他方面的模拟波导信号，通过实验，研究超声导波检测技术在油田管线检测时所出现的频散现象，进而分析出超声导波检测技术在油田管线检测中对油田管道的敏感程度。

（二）、超声导波检测技术的应用

机械振动在相关的弹性介质之间进行的传播活动一般被称之为弹性声波。将弹性声波过程中的传播介质一般称之为波导，而我们通常在油田管线检测中所应用的超声波被我们称之为超声导波。据相关的实验研究结果显示，油田管道的检测过程中，超声波的传播速度只与管道所应用的介质材料的密度以及油田管道的弹性性质有密切联系，与超声波导本身的相关属性并没有任何关联。在超声导波检测技术对油田管线检测的过程中，我们可以通过弹性动力学的相关原理得出超声导波检测技术在油田管线检测中的方程公式。依据超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析，我们根据超声波导检测的相关原理，在检测设备中增加了能够提供更大能量的，并且能够及时接收短时间内的脉冲型超声波，通过利用超声波检测设备，超声导波检测技术在油田管线检测中可以由计算机任意控制相关波形的发射器在油田管道的检测中所产生的激励信号，并进一步通过超声波导的功率放大器进行放大，促使超声导波检测技术在油田管线检测中的电压值达到驱动传感器的数值要求，在管道的检测过程中产生相应的超声波导，与此同时，传感器作为可以接收超声导波检测技术在油田管线检测中的接收器接收导波信号，经过二级管电路以及激励信号对超声波导的隔离，促使超声导波检测技术在油田管线检测中的回波信号接收放大，并通过数字示波器进行超声波导的接收，并在PC上进行相关的存储。目前，超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析主要是通过超声波导检测时候所提供的有效扫描方法进行快速扫描，并采取适当的超声导波检测技术对油田管线进行逐点检测。但是由于我国超声导波检测技术在油田管线检测中的应用分析还处于起步阶段，要想做到超声导波检测技术在油田管线检测中的广泛应用还需要政府以及相关人士进行大力推广。

四、结束语

随着科学技术的不断发展，新的成果在工业链中不断应用，并发挥着关键的作用。我国重的油田工业的发展，超声导波检测技术越来越多的应用于油田管线检测中的应用，超声导波检测技术在油田管线检测中正在发挥着非常重要的作用，必将对我国油田产业，以及全国大量存在中的安全隐患的石油管道在检测方面提供有力的技术支持。

参考文献：

[1]龙媛媛，石仁委，柳言国，姬杰，吕德东，王遂平．埋地管道不开挖地面腐蚀检测技术在胜利油田纯梁采油厂的应用[J]．石油工程建设，2007，（3）．

超声波技术篇6

功率超声设备利用超声波的能量改变材料的某些状态，需要产生相当大或比较大的功率。超声波功率源(或称发生器)向超声换能器提供连续的电能量，其性能特点直接影响着各种功率超声的研究工作。近年来，我国关于功率超声的研究十分热门，尤其是超声化学和超声的生物效应，更是声学研究的热点。上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点，为此，研制了一种基于DDS技术的超声波功率源，并已将其应用在实际的声学研究中。

1系统原理及特点

系统原理如图1所示。用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率为1kHz～1MHz的波形信号；功率放大采用半桥放大方式，其中，功率开关使用MOSFET模块；通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。

本系统的主要特点有：

(1)采用数字DDS技术产生波形信号，分辨率高、稳定性好、频率范围大，系统频率不会随工作时间出现漂移。

(2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模块，功率可达2000W以上。

(3)采用变压器输出，通过串联谐振提高换能器两端电压，提高了电能的利用率。

(4)系统通过单片机串行口接收反馈或者其它数据的输入，利用编程实现智能控制。

2系统硬件实现

2．1DDS原理及电路实现

2．1．1008电路工作原理

DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。如图2所示，每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应的波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。

DDS的输出信号频率由下式计算：

Fout=(phase×FCLK)/2N(1)

DDS的频率分辨率定义为：

Fout=FCLK/2N(2)

由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分频率越高。本文采用的DDS芯片AD9850支持的时钟输入最高为125MHz，频率控制字的位数为32位［1］。由式(2)可以计算出在125MHz时钟输入时分辨率为0．0219Hz。

图4

2．1．2DDS信号发生电路

波形信号发生电路原理框图如图3所示。整个电路以单片机AT89C51为控制核心，用并行输入的方式实现AD9850控制字的写入，同时实时处理键盘输入的各种命令，并控制显示输出。

图5

AD9850的输入时钟采用80MHz的晶振，根据式(2)可知系统的分辨率为0．0186Hz，频率范围可以从几Hz到几十MHz，但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中的一些时间常数决定。将单片机的I／O口P1连接到AD9850的并行输入口，P3．4和P3．5联合控制单片机对AD9850的输入输出。AD9850控制字写完之后，便输出相应频率的方波信号QOUT。图4为单片机与AD9850的电路连接图。

2．2半桥功放电路及其驱动

AD9850产生的信号电流小，驱动能力弱，需经MOSFET栅极驱动芯片IR21844驱动后才能控制MOSFET模块。由于系统输出功率大，为提高驱动能力，并联使用四片IR21844。图5(a)为电路原理图。AD9850产生的信号QOUT经过一个三级管放大后输入IR21844，IR21844输出HO和LO两路反向信号，如图5(b)所示。Td为死区时间，防止半桥电路出现直通，通过电阻R7可以调节Td的大小，即调节开关管的开通关断时间，从而调节系统的输出功率。

图6所示为系统的半桥功率放大电路，R1、R2为桥平衡电阻；C1、C2为桥臂电容；R3、R4、C3、C4、D1、D2为桥开关吸收电路元件。其工作原理如下：两个反相的方波激励信号分别接到两个开关管的基极，当HO为高电平，LO为低电平时，即t1时刻，J1导通，J2关闭，电流通过J1至变压器初级向电容C2充电，同时C1上的电荷向J1和变压器初级放电，从而在输出变压器次级感应一个正半周期脉冲电压；当到达t2时刻时，J2被触发导通，J1关闭，电流通过电容C1和变压器初级充电，而C2的电荷也经由变压器初级放电，在变压器次级感应一个负半周期脉冲电压，从而形成一个工作频率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，集电极功耗降到最低限度，从而提高了放大器的能量转换效率，使之可达90％以上［2］。

功率开关器件选用日立公司的N通道功率MOSFET模块PM50502C，其具有高功率、高转换速度、低导通阻抗、低驱动电流等特点，耐压值为500V，最大工作电流为100A(每一模块封装了两个独立的小模块，每一小模块的最大工作电流为50A［3］。开关频率可达到500kHz。吸收电路采用RCD吸收电路，具有吸收效果好、电路相对简单等特点。

2．3匹配网络设计

在功率超声设备中，发生器与换能器的匹配设计非常重要，在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。匹配电路如图6虚线框中所示，半桥逆变输出经变压器耦合后通过电感连接到换能器上，匹配设计即为输出变压器和匹配电感的设计。

2．3．1阻抗匹配

阻抗匹配使换能器的阻抗变换为最佳负载，即起阻抗变换作用。在电源电压给定的条件下，电源输出的功率大小主要取决于等效负载阻抗。本文的半桥功率放大器与串联电压开关型D类功率放大器原理相同，晶体管都工作在开关状态，一般变压器初级等效负载RL′，上的输出功率表达式为：

式中，Vcc为电源电压，Vces，为功放管饱和压降。

本文采用48V开关电源给半桥电路供电。根据实验需要，希望功率源输出功率为1500W，换能器采用多个并联的方式，等效阻抗RL约0．5Ω，由公式n／m=RL/RL′(m、n分别为变压器初、次级匝数)可以计算出输出变压器的匝数比n／m=3。

2．3．2调谐匹配

调谐匹配使换能器两端的电压和电流同相，从而使效率最高，同时串联谐振可以提高换能器两端电压，有利于对压电换能器激励。由于压电换能器存在静电电容C0，在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角ψ，其输出功率P0=VRLIRLcosψ。由于ψ的存在，输出功率达不到最大值，要使电压VRL与电流IRL同相，可通过在换能器上并联或串联一个电感乙。来实现。

需要指出，换能器的相关参数皆在小信号状态下测得，与高电压下的实际应用有所差异，需要在实际工作中进行实验调节。

经过调谐匹配，换能器在超声功率源驱动下达到谐振。图7为用TDS1002示波器采集的换能器的激励电压波形(因量程所限，图示为正半周)。可见获得了纯净的正弦波，其峰—峰值接近1000V。