超声波检测技术的现状（精选11篇）

超声波检测技术的现状 第1篇

关键词：超声波,检测技术,现状,展望

超声波检测是指超声波与被检测工件相互作用, 研究超声波与工件作用后的反射、投射和散射波, 以达到对被检测工件宏观缺陷、几何特性及力学变化等方面的检测, 并对工件应用性进行评价的一门技术。超声检测是目前常用的无损检测技术, 是控制工件质量、设备维护、改进生产工艺及提高工作效率的重要手段, 已在工业生产中被广泛运用[1,2,3]。本文将从发展过程、基本原理、设备及器材、应用领域等方面对超声检测技术进行简单的介绍, 结合目前的研究现状对超声波检测的发展进行展望。

1 发展过程

1929年, 前苏联科学家提出利用超声波检查金属内部缺陷的建议, 并进行了超声波穿透法的实验研究并申请了材料缺陷检测的专利。1940年, 美国提出了基于脉冲发射法的超声波检测仪。1946年, 英国科学家研制出第一台A型脉冲反射式超声波探伤仪。20世纪中期, 随着电子技术的发展, 超声波检测技术也随着得到迅猛发展, 使用超声波对焊缝等缺陷进行检测。之后, 英国原子能管理局提出了运用衍射时差法进行超声检测, 利用衍射现象对被检测工件内部缺陷尺寸进行确定。在20世纪80年代, 随着数字式超声仪器的出现, 模拟式超声检测仪逐渐被取代。近些年, 超声检测技术发展非常迅速, 出现了超声三维成像, 电磁超声检测及导波技术等新型的超声检测技术, 使得超声检测技术在工业生产中的应用效率得到了大大提升[4,5]。

2 基本原理

超声波是一种机械振动在介质中传播的弹性机械波, 它可以在气体、液体和固体中传播。超声检测主要是基于超声波在被检测工件中的传播特性, 对反射、投射和散射波进行分析, 从而确定被检测工件的特性。超声波在介质中传播的性能 (波速、衰减、吸收) 与介质中 (被检测工件) 的非声量 (如浓度、密度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、厚度、缺陷等) 有密切的联系。

其工作原理可分为:由超声波检测仪的声源产生超声波, 通过一定的方式进入被检测工件内部。超声波在被检测工件中的传播特性与被检测工件材料以及其中的缺陷密切相关。之后, 通过超声波接收设备接收通过被检测工件的超声波, 并对其进行处理分析。根据所接收的超声波特征, 评估被检测工件内部缺陷的特性[2,3,6]。

3 设备和器材

超声检测设备与器材包括超声检测仪、超声换能器、耦合剂、试块等组成。下面本文将对超声检测设备及器材做逐一介绍。

超声检测仪是超声检测的主要设备, 通过超声检测仪产生的电振荡作用于换能器上, 同时也可以接收通过换能器所接收的信号。根据信号处理技术, 超声检测仪分为模拟式和数字式。近年来, 由于电子信息技术的发展, 数字式超声检测仪正在逐渐取代模拟式超声检测仪。

超声换能器又称探头, 是超声检测设备中关键的器件。探头是将其它形式能转换成超声的器件, 探头的性能直接关系到超声检测能力。目前, 常用的换能器有:压电换能器、电磁换能器、激光及换能器磁致伸缩换能器, 其中压电换能器为目前最普遍应用的换能器。也可以根据波型种类, 将换能器分为:纵波换能器、横波换能器、板波换能器及表面波换能器[5]。

耦合剂为了改善探头与被检测工件间超声波的传递, 因为空气对超声波的反射率较高, 使得超声检测仪发出的超声波无法进入被检测工件内部。因此, 选择耦合剂排除探头与被检测工件间的空气间隙, 使得超声波进入被检测工件内部。目前常用的耦合剂有:甘油、机油、水及化学浆糊等, 其中化学浆糊是用于最为广泛的耦合剂。

试块是为了保证超声检测结果的正确性, 所使用的已知固定特性的试件对检测系统进行校准。试块分为标准试块、对比试块及模拟试块三类。标准试块又可以分为:荷兰试块、牛角试块及CSK-IA试块。

4 应用领域

目前, 在工业生产的各行各业都用到超声波检测技术, 超声波检测技术的应用使得工业生产中的质量得到了大大的提高, 提高了工作效率。下面对超声波在工业生产中的应用做简单的介绍:

1) 金属材料检测。如钢板、高压管道、焊缝、管道、压力容器、堆焊层及车辆零部件等工件的检测, 以控制工件的质量。

2) 新材料的检测。如有机基复合材料、陶瓷材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等, 超声检测已成为复合材料质量检测的重要手段。

3) 非金属的检测。如混凝土、岩石和路面等质量检测, 对其内部缺陷、强度、内应力等方面进行质量把控。

4) 高温超声检测、动态超声检测等方面都有很大进展。

5) 核电工业的超声检测。我国已能完成核电厂和核设施的全程检查, 使得核电工业发展更为安全可靠。

6) 医学诊断, 应用超声波对胎儿身体健康状况进行判定。

7) 人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域, 如将超声检测技术用于液压控制系统进行系统作非接触检测、性能分析和故障诊断等[7,8,9]。

5 展望

目前, 超声检测正向高精度、高分辨率发展, 并且超声检测在高温、动态检测等方面也迫切需要。随着科技的发展, 无损检测逐步向定量化、图像化方向发展, 超声检测系统将进一步数字化、自动化、智能化、图像化。超声波探伤正沿着携小型化、智能化、数字彩色等方向发展。超声无损检测技术伴随材料与工业技术的发展而发展, 并随着人们对产品质量与安全性的不断重视而得到进一步提高。

参考文献

[1]梁宏宝, 朱安庆, 赵玲.超声检测技术的最新研究与应用.无损检测, 2008, 30:174-177.

[2]王琴, 王九良, 朱维华, 夏昌浩.超声检测技术应用及其发展概况.科技信息, 284

[3]朱晓恒, 高晓蓉, 王黎等.超声探伤技术在无损检测中的应用.现代电子技测控技术, 2010, 21:112-116.

[4]吴朝晖.超声无损检测的应用与探讨.宁波工程学院学报, 2005, 17 (4) :22-24

[5]沈建中黎连修.超声无损检测的进展.无损检侧, 1998, 20 (2) :31-33, 38

[6]姚来凤, 冯益华, 王丽.超声波及超声检测.山东轻工业学院学报, 2007, 21 (2) :67-69, 73

[7]陈文革魏劲松.超声无损检测的应用研究与进展.无损探伤, 2001, 4:1-3

[8]罗雄彪, 陈铁群.超声无损检测的发展趋势.无损检测, 2005, 27 (3) :148-152.

超声成像技术发展现状及应用 第2篇

超声成像以其使用安全、成像速度快、价格便宜和使用方便等优势在临床诊断中被大量使用，是临床诊断的重要工具之一[1]。随着超声在医学诊断领域的广泛而深入的应用，以及微电子技术、计算机技术、图像处理技术和探头技术等工程技术的进步，促进了超声诊断技术不断发展。不仅仪器的图像质量明显提高，而且诊断的模式和方法也更加丰富。国内外很多研究人员从事着超声的研究，使超声技术从模拟技术扩展到数字技术，即数字声束形成技术[2]；从低帧率成像扩展到高帧率成像[3]；从二维成像扩展到三维成像[4]；从线性技术扩展到非线性技术[5]，以适应临床不同的需求。本文着重对多普勒血流成像、三维成像技术和谐波成像技术作一下介绍，并对各自在临床方面的应用进行概括。超声多普勒成像技术

超声多普勒技术主要应用于心脏和血管疾病的诊断。它是无损诊断血管疾病的一种重要手段，对超声多普勒血流信号的分析处理可以为疾病诊断提供重要依据[6]。当超声源与人体内运动目标之间存在相对运动时,接收到的回波信号将产生多普勒频移,由此确定其运动速度大小、方向以及在断层上的分布。

2.1多普勒成像技术简介

目前应用于临床的有一维连续多普勒、一维脉冲多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒组织成像[7]。下面就多普勒组织成像技术及其应用做一个简单的介绍。

多普勒组织成像技术[7]是将低速高振幅的心肌运动信息进行彩色编码显示心脏运动信息的图像诊断技术。该技术能够直观的观察心动周期内各时相的室壁运动方向，并定量分析心脏各节段的室壁运动速度。与传统超声目测分析室壁运动相比，能够更为客观地评价心脏的运动特点。但多普勒组织成像无法克服多普勒声束与室壁运动方向夹角所产生的影响[8]。

2.2 超声多普勒成像技术应用

关于超声多普勒成像技术的临床应用的报道有很多。学者经研究发现二维及

彩色多普勒超声对甲状腺良恶性肿瘤的鉴别有一定的诊断价值[9]。李斌采用彩色多普勒超声对子宫颈部肌瘤的声像图特征及其相应的生理、病理学基础作了相关的实验分析，得出彩色多普勒超声对子宫颈部肌瘤有很高的诊断价值[10]。也有人针对彩色多普勒超声和多层螺旋CT两种检查方式进行比较[11]。另外，超声多普勒成像技术也可用于心脏图像的动态三维图像[12]。三维超声成像技术

三维超声成像的概念最初由Baun和Greewood在1961年提出[13]。他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上，用叠加的方式得到了器官的三维图像。在这之后，很多人进行了这方面的研究工作。随着计算机技术和图像处理技术的发展，三维超声成像取得了明显的进展，一些实用的系统开始进入临床应用。

3.1 三维超声成像技术原理简介

三维超声成像技术包括数据获取、三维图像重建和三维图像的显示[14]。三维超声成像是在采集二维图像的基础上进行重建而成。

要获得理想而准确的三维图像，需要清楚地了解二维图像的位置及角度，还需尽快扫查以避免运动伪像。常用机械驱动扫查、自由扫查、一体化容积探头扫查等方式获取[15]。

获取二维图像数据后，便可形成三维立体数据库。当选择一个参考切面对三维立体数据库进行任意方向的切割和观察时，即可完成对感兴趣结构的三维重建与显示。常用的重建方法为[15]：基于特征的三维图像重构法、基于体素的三维图像重构方法。显示方式有：断面成像、表面成像、透明成像。

3.2 三维超声成像的优缺点

与传统二维超声成像相比，三维超声成像具有明显的优势。主要表现在以下几个方面[16]：直接显示脏器的三维解剖结构；可对三维成像的结果进行重新断层分层，从而能从传统成像方式无法实现的角度进行观察；可对生理参数进行精确测量，对病变位置精确定位。

无可厚非，三维超声成像还存在不足之处[16]。主要表现在三个方面：(1)成像速度慢；(2)空间分辨力低；(3)成像效果未达到临床诊断要求。

3.3 三维成像的应用

三维超声在产科领域的应用较早，技术也较成熟[14]。不仅可以对胎儿体表结构进行表面成像，还可利用透明成像对胎儿体内结构进行三维重建，从而对胎儿整体形态结构进行观察。在心血管疾病诊断中，可用于多种心脏疾病以及血管内疾病的检查。随着实时三维超声成像的研究成功，三维超声有望在心脏疾病检查中发挥更大的作用。另外，三维成像对慢性膀胱炎症、憩室、结石、凝血块等膀胱疾病的诊断，也显示出优越性[14]。当然，它的临床应用还有很多，如在肝脏疾病、肾脏疾病以及眼科疾病等方面的治疗中也取得不错的成效[17]，再次不一一列举。谐波成像技术

在谐波成像应用于临床之前，所有超声成像系统都是按照线性超声来设计的。非线性声学的理论和实验表明，有限振幅声波在传播过程中会产生非线性效应，因此可以利用人体组织产生的高次谐波进行成像[18]。当前应用较广的有造影谐波成像，组织谐波成像等。具有谐波成像和Doppler血流成像功能成为高端超声成像仪的主要标志。

4.1 组织谐波成像和造影谐波成像

临床上，由于肥胖、胃肠气体干扰、腹壁较厚或疾病等原因，约有20%-30%此类的病人被称为超声显像困难病人[18]。对于此类病人需要较低频率的超声检查以增加穿透力从而得到进一步的诊断研究，组织谐波成像便能解决此问题。

组织谐波成像是利用超声传播过程中由人体组织自身产生的高次谐波进行成像[19]。组织谐波成像和造影谐波成像都是通过提取回波信号中的高次谐波分量进行成像，但高次谐波产生的物理原理却不相同。造影谐波成像的原理如下

[20]：超声造影剂内存在大量的微气泡，若通过静脉注射造影剂，由于造影剂中的微气泡与周围血液的声阻抗差异较大，增强了超声束的后向散射信号，从而提高超声图像的对比度，改善图像质量。这种利用造影剂反射回波的二次谐波成像的方式称为造影剂谐波成像。

4.3 谐波成像应用

目前谐波成像技术在心脏和腹部疾病超声图像诊断方面的应用较为广泛。但谐波成像发射频率较低，接受频率较高，使得靶区图像分辨力降低。因此，此项技术尚处在初级应用阶段。国内对组织谐波成像研究仅限于临床应用研究，尚缺

少对该项技术在理论和实验方面的深入研究。国外已经开展了组织谐波成像模型的理论研究，取得了一些成果。比如Yadong Li研究了用于产生谐波B型超声图像的计算模型[21]。组织谐波成像已经被证实具有较好的影像解析度，它比基波图像有着更好的对比，造影剂二次谐波成像可以增强造影剂与周围组织的对比度，使成像更为清晰。展望

从早期超声诊断技术到目前的超声多普勒成像技术、三维成像技术和谐波成像技术的发展历程来看，超声图像诊断技术的发展目的是为了提高图像质量，准确反映疾病信息。超声成像技术在过去、现在和将来都是医学影像研究的重点内容之一。随着技术的发展、研究的深入，相信将会有更多新发现和新技术用于超声成像中。

参考文献：

[1] 王艳丹, 高上凯.超声成像新技术及其临床应用[J].北京生物医学工程，2006，25(5):553-556.[2] 伍于添.超声诊断方法和设备的前沿技术[J].中国超声医学杂志，2004，20(6):470-475.[3] 彭虎，韩雪梅，杜宏伟.高帧率超声成像系统中一种高信噪比扇形成像模式的实现[J].生物医学工程学杂志，2006，23(1):25-29.[4] B.SEDGMEN, C.McMAHON.The impact of two-dimensional versus three-dimensional ultrasound exposure on maternal–fetal attachment and maternal health behavior in pregnancy[J].Ultrasound Obstet Gynecol, 2006(27): 245–251.[5] 杜宏伟，彭虎等.吸收媒质中非线性gauss聚焦超声场的仿真研究[J].中国科学技术大学学报，2007,37(9):1120-1124.[6] 张良筱，张泾周，马颖颖.超声多普勒血流信号的分析方法.北京生物医学工程，2007，26(5):548-551.[7] 吴立顺, 管喜歧.超声图像诊断技术的发展及应用现状[J].医疗卫生装备, 2007, 28(12):35-36.[8] 余薇, 胡佑伦.医学超声成像方法学进展[J].北京生物医学工程, 2001，20（3）：225-228.[9] 米和伟，颜社平.彩色多普勒超声对甲状腺良恶性肿瘤的鉴别诊断[J].现代医用影像学, 2008, 17(4):211-212.[10] 李斌.彩色多普勒超声诊断子宫颈部肌瘤的价值[].现代医用影像学, 2008，17(4):187-189.[11] 兰莉，许方洪.彩色多普勒超声与多层螺旋CT成像对下肢深静脉血栓诊断的对比研究

局部放电超声波在线检测技术的应用 第3篇

关键词：超声波技术；变电站；设备巡视；局部放电；在线检测技术 文献标识码：A

中图分类号：TM595 文章编号：1009-2374（2016）17-0122-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.059

变电站运维人员每月最主要的工作就是定期设备巡视，检查设备的运行状况，及时进行故障判别，保障设备安全、稳定运行，通常采用目测、手摸、耳听的方法来进行设备运行情况判别，而目测是最直接最便捷的方法，但目测的方法有着很大的局限性，很难准确发现运行设备存在的发展性缺陷，尤其是那些在运行中极易发热的设备缺陷，只有当设备发热到一定程度时（此时运行设备已有不同程度的损坏）才能够发现，使得设备缺陷未能在萌芽状态被发现而延误了处理；还有就是随着系统容量的增大、电网负荷的增加和设备的逐步老化，致使运行设备异常发热的缺陷不断增多，如用示温腊片进行设备的发热缺陷检测，有时却无法发现业已存在的故障，会误判为设备出线接头发热导致的，而延误了那些开关本体内故障的及时处理。因此，利用超声波检测技术进行设备巡视，既能解决目测方法的局限性，又能大大提高运维人员判别设备缺陷的能力，特别是对迎峰度夏和重大节假日期间设备的安全、稳定运行起到举足轻重的作用。下面就结合目前运维站利用超声波带电检测技术在提高运维人员设备巡视效果的应用上做一些介绍。

1 超声波检测的原理

超声波检测法的原理是电力设备内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音，通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号，从而判断内部是否存在局部放电信号。由于声波的传播不受金属屏蔽的影响，所以检测到的数值比较大。

局部放电暂态地电压检测法的原理是当高压电气设备发生局部放电时，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分，形成电流脉冲并向各个方向传播。当内部放电时，放电电量聚集在接地屏蔽的内表面，因此外部检测在屏蔽层处连续状态时是无法检测到放电信号的。往往屏蔽层在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现破损的情况下才会出现不连续的状态，此时高频信号便会传输到设备外层，放电产生的电磁波将会通过设备金属箱体的接缝或气体绝缘开关衬垫传播出去，而产生暂态对地电压，再通过设备的金属箱体外表面传到地下去。利用检测传到设备外壳上的脉冲信号来判断设备内部是否存在局部放电，但由于开关柜整体屏蔽效果比较好，所以检测到的信号比较微弱。

2 检测分析方法

2.1 带电检测

2013年4月12日，阿勒泰供电公司运维人员在对110kV盐碱变电站10kV开关柜进行带电检测例行试验时，发现用Ultraprobe 9000超声波局放检测仪检测出10kV选矿二线1017断路器开关柜后上柜存在异常超声波信号，测试结果如表1所示：

从以上测试数据可以看出，1017断路器后上柜存在较大幅值的异常超声波信号，其他开关柜的超声检测信号均在合格范围内。随即用Ultra TEV plus+进行检测，检测数据如表2所示。

从表2中可以看出，1017开关柜后上柜与金属的相对差值为6dB，不是很大，在合格范围内。

局部放电暂态地电压检测法是一种最新型的开关局部放电检测方法，实际工作中该方法灵敏度高、操作方便，从而在开关柜的绝缘状态检测中得到广泛应用。当开关柜内部元件对地绝缘出现局部放电时，将会有少许放电能量以电磁波的形式转移到柜体的金属铠装上，此时便会产生持续大约几十纳秒的暂态脉冲电压，在柜体表面通过传输线进行传播，当容性传感器探头检测到柜体表面的暂态脉冲电压时，便可发现和判定开关柜内部的局部放电缺陷。

超声波检测法是通过超声波传感器来检测设备放电时产生的超声波信号，超声波频带在20kHz以上时，就会不受外部噪声的干扰。实际上，用超声波检测时，探头是置于设备外部的，此时放电信号在绝缘介质的作用下衰减严重，也失去了应有的灵敏度，如进行定量分析将会存在较大的困难，但应用于局部放电初测及比较严重的空气中的放电效果较为明显。而超声波检测方法的优势在于能检测到地电压甚至超高频等手段无法发现的缺陷，特别是对某一发展阶段反应为振动信号的缺陷。

加之上述超声波检测又是在开关柜中上部母排的位置，通过局部放电暂态地电压检测法原理和超声波检测法原理，判断可能存在母排螺丝松动而引起的局部放电缺陷。

2.2 复测

2013年5月13日，我们又对110kV盐碱变电站1017断路器开关柜进行了复测，复测结果见表3和表4。

从表中可以看出，超声波异常信号仍然存在，从而更加确定存在局部放电现象。

2.3 隐患排查

2.3.1 根据两次检测结果判断1017开关柜内部可能存在局部放电现象，立即将1017开关柜列入月度检修计划进行停电消缺。在公司统一部署、安排下，于2013年8月14日对110kV盐碱变电站10kV母线停电，将1017开关柜后柜门打开进行仔细检查，发现B相母排有轻微的晃动，并且B相母排与支持绝缘子连接处存在明显放电痕迹（如图1）。

因此初步判定放电原因为固定铝排螺丝松动引起的悬浮放电（如图2）。

随后，检修人员对B相母排氧化的部分进行打磨处理，对氧化的螺丝进行更换并紧固（如图3），重新恢复送电。

2.3.2 处理后恢复送电，对1017开关柜进行了重新测试，测试结果如表5和表6。

从以上数据可以看出，在经过处理后，超声波异常信号消失，TEV检测信号也较之前降低了很多，说明之前通过超声波检测的分析和判断是准确的。即B相母线排固定螺丝松动，造成螺丝对母排悬浮放电。

3 注意事项

第一，事实上，10kV开关柜内部不同的缺陷会形成不同的局部放电现象，对于内部放电和表面放电而言，目前主要采用的非介入方式。带电检测的方法主要有超声波检测和暂态地电压（TEV）两种检测方式，在一些设备发生放电的情况下，我们可以同时侦测到超声波信号和TEV信号，但针对另一些放电情况，因内部放电振动幅值非常小，通常只能检测到两种信号中的一种，因此实际操作中，应该以超声波、暂态地电压检测方式相互补充，才能够有效地检测到全部的局部放电现象。

第二，测试过程中需要注意排除噪声干扰，手机等电子设备要远离仪器和被检测设备。检测之前，应加强背景检测，背景测量位置应尽量选择被测设备附近金属构架。检测过程中，一定要避免敲打被测设备，以防止外界振动信号对检测结果造成影响。

第三，超声波测试容易受到现场周围环境的影响，特别是当设备本身产生不同程度的机械振动时，超声检测便会产生非常大的误差，加之超声传感器的检测有效范围较小、灵敏度低，不大适用于大型的电气设备。

第四，近年来超声波检测法的灵敏度有较大的提高，但其在电气设备内部的传播效应性较为复杂，特别容易在一些情况下出现超声定位失败现象，目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一种辅助测量方法加以应用。

4 结语

超声波法非常适用于局部放电故障诊断，它能使局部放电检测技术向多元化方向发展。超声测试与局部放电相结合的测量方法能准确判断并找出设备内部的局部放电故障点，具有操作方便、故障定位精准、读取数据直观等优点。实践证明，采用多种相互补充的测试方法，能迅速、有效地检测到设备局部放电缺陷，该有效实用的检测技术对提高电网供电可靠率具有重要意义。

参考文献

[1] 王培义，朱伯涛.开关柜局部放电超声波在线检测技术的应用[J].河北电力技术，2010，（6）.

[2] 徐文，张守中，王勇.超声带电局部放电检测技术现场应用[J].山东电力技术，2008，（4）.

作者简介：陈江海（1971-），男，山东昌邑人，国网新疆电力公司阿勒泰供电公司助理工程师，研究方向：变电运行。

应用超声波技术处理污泥的现状分析 第4篇

污水处理过程中会产生大量的污泥,为了使污泥得到最终的处置,必须对污泥进行处理。超声波技术处理污泥设备简单、速度快、无二次污染,可实现污泥处置的“无害化,减量化,资源化”的目标,因此越来越受到重视[1]。超声波对污泥作用机理较复杂,从声学角度看,超声波降解污泥主要是利用声波的能量,它产生的效应主要有:机械效应,热效应,空化效应,热解和自由基效应,声流效应,传质效应和触变效应。超声主要是通过超声空化作用产生的强有力水流喷射的剪切力对污泥产生作用[2,3]。

2 超声波在污泥消化中的应用

污泥属于难降解生物固体,厌氧消化存在反应速度慢、消化时间长、生物气中甲烷含量低等缺点,超声波在污泥进行厌氧消化前进行破解,破坏污泥菌胶团结构,大量被夹裹在菌胶团中的有机物被释放在水中,易于被微生物所用,这一过程基本可取代污泥水解步骤,极大缩短了污泥厌氧发酵时间,沼气产率也上升[1]。

各种研究已表明超声可提高污泥的降解速率并能提高沼气的产气量。Klaus Nickel[4]对污泥进行90s的超声作用后,使污泥进行发酵,与未进行超声波处理的污泥相比,污泥降解速率就可增加3.93倍。马守贵[5]等和董文锦[6]研究得出超声作用可显著提高污泥厌氧消化效率,比传统污泥厌氧消化时间缩短,而MLVSS最大去除率比未引入超声处理时有所提高。

超声处理污泥时的超声声能密度、作用时间、频率和污泥的浓度都对污泥的消化速率有影响。Ding W chuan[7]发现在超声辐照初期,污泥容积迅速减少,随着辐照时间的增加,污泥容积逐渐稳定。低强度超声不能破碎更多的细胞,但超声辐照可提高酶的活性,加速细胞的水解,加速污泥絮体解体。Tiehm[8]用较短时的超声作用于污泥,污泥的絮体分散,但没有破坏细胞,絮体的解聚可提高厌氧消化过程。污泥细胞的破碎程度大与污泥的厌氧消化速度降低成正比。吴纯德[9]研究发现超声声能密度越大,去除率提高的幅度越大;超声频率为45kHz的去除率高于28kHz条件下的去除率;超声破解可提高污泥两相厌氧消化产气量、产气率和生物气中甲烷含量,且声能密度的作用效应大于超声频率的作用效应。Onyeche[10]等考察超声处理不同浓度的污泥后,并对其进行厌氧发酵,超声处理后的浓缩污泥的产气量大于未经浓缩的污泥。

德国巴姆堡市污水厂已经应用超声污泥反应器对污泥进行了预处理,2台超声反应器运行3个月后,沼气产量增加30%,污泥停留时间从25d降到18d。若从运行成本的角度考虑,只击破一小部分微生物细胞即可,被释放出的酶等物质就可使整个水解过程加速[11]。

3 超声波在污泥脱水中的应用

污泥含水量约为95%～99.5%,含水率高则体积大,为了便于运输和资源化处理,污泥减容是污泥处理的最重要步骤。分离污泥中水分,可减少污泥的体积。目前广泛使用的机械脱水效率不高,提高脱水效率的关键是采用污泥预处理技术,打散污泥中微生物的絮团,促进结合水的释放[12]。超声波作用可调节污泥结构,促使污泥结构重组,改变污泥中水的存在形态,使污泥体系中的易于去除的水含量提高,改变污泥脱水性能。污泥中的菌胶团结构具有良好的保水性,内部水大约占总水量的25%,超声波可破坏菌胶团的结构,使其内部水排出,同时保持较大的污泥颗粒,从而提高污泥的沉降性能[1]。赵芳[13]建立超声波作用下污泥内部水分扩散模型,利用分型理论对超声波(20kHz)作用下污泥内部孔隙结构进行描述,发现超声辐照使污泥内部的孔隙结构发生改变,污泥颗粒变得均匀细小,孔隙连通性增大,水分迁移通道曲折度减小,同时污泥内部液体分子受到超声激发,迁移速度加快,超声辐照可有效加大污泥内部水分的扩散速率。

超声用于污泥脱水与污泥的破解存在很大的关系,Wang[14]发现超声把污泥破解后,随着超声的密度和时间的增加污泥的脱水性能恶化。薛向东[15]研究得出超声空化效应的强弱与声强及作用时间呈正相关,声强越大、作用时间越长,对菌胶团结构的破坏越大,这种结构性破坏在引起菌胶团结合水释放的同时也导致污泥粒径减小,造成污泥过滤阻力增加,粒径减小导致污泥比表面积增大,使其对水的吸附能力增强,使结合的水量又增加,超声对污泥脱水存在正、负两种效应。殷绚[16,17]研究发现用较小声强、较短时间超声波能减少污泥的结合水含量,有利于促进污泥脱水,但加大声强和延长处理时间效果变差。当超声与絮凝剂结合使用时,污泥的体积可减少至最初的1/10。Li Huan[18]用低能量超声处理可改善污泥脱水,当污泥解体程度太低,污泥脱水性能没有显着改变,只有当污泥解体度为2%～5%,用三氯化铁调节可改善污泥脱水。脱水依赖于超声波处理污泥解体程度,当污泥解体程度超过40%,大部分细胞不同程度地被摧毁。

超声能量、处理时间、电功率、pH值、絮凝剂、频率等因素对污泥脱水有影响。Na[19]等研究得出CST(毛细脱水时间)随着超声能量的增加显著下降。沈壮志[20]研究出污泥的脱水应在低功率、短时间内进行,最高的脱水率(相对于未超声而言)可增加约16%。酸性污泥有利于超声脱水,污泥脱水率最高可达23%(相对于原污泥)。絮凝剂和超声也利于污泥脱水,但脱水率仅为16%,超声对污泥的预处理也可降低絮凝剂的添加量[16,17]。徐静[21]等利用超声波作用2min时,污泥的含水率即可由94%降到84%。蒋建国[22]采用正交试验方法研究槽式双频超声波对污泥进行脱水,超声因素对污泥脱水影响的顺序是:最大处理时间>声能密度>频率。低频率、低声能密度与较短的处理时间有利于提高污泥的脱水性能;操作参数超出一定范围会恶化污泥的脱水性能,且低频率条件下单频优于双频,高频率下双频优于单频。马守贵[5]等也得出低频率(28.7kHz)超声波作用时污泥脱水效果优于高频率(40kHz)的超声波作用的结论。

4 超声波在污泥破解中的应用

污泥破解是破坏污泥的絮凝体、菌胶团和细胞体并打碎细胞壁,使细胞内含物流出。对于污泥破解的评价指标常用污泥的分解程度DDCOD来表示。

DDCOD=(CODUS-COD0)/(CODNaOH-COD0)100% (1)

式中:CODUS超声波作用后污泥的溶解性COD;COD0原生污泥中溶解性COD;CODNaOH碱解溶解性COD。

还有用可溶性化学需氧量SCOD,蛋白质,氨和氧的利用速率SOUR[23],氨氮,TP的增量[24,25],多糖,DNA[26],VS[27]等指标来考察超声破解污泥状况。

超声的频率对污泥的破解效果有很大影响。Tiehm[8]等考察了超声波频率从41kHz至3217kHz对污泥解体的效果,随着频率增大,DDCOD变小,低频对污泥分解比较有效,且低频时水力剪切作用更为显著。蒋建国[28]等比较了20kHz、25kHz、40kHz共3个超声频率对污泥破解的影响,发现25kHz的超声波较利于污泥破解。Yoojin Jung[29]比较了两个单频超声波和双频超声波对污泥解体的情况,双频28kHz+40kHz的超声波比单频28kHz或40kHz的超声波破解污泥更有效。张宁宁[24,25]使用两个单频超声破解污泥也发现低频效果较好,且随着电功率的增大,空化效果逐渐增强。使用20kHz和25kHz双频复合破解污泥,明显增强了声场的均匀性,更有利于污泥破解。

超声声能密度对污泥的解体起着更重要的作用,Beril Akin[23]研究不同超声声能密度对污泥解体情况,发现超声声能密度显著影响SCOD的释放。Antti Grönroos[30]用超声破解污泥,短时高超声功率能源效率要高于长时低超声功率。在小距离探头中污泥的超声效率与输入功率呈线性上升。Li Huan[18]研究出密度低和持续时间长的超声比密度高和持续时间短的效率高。当声能密度低超声时间短时,温度上升对污泥破解的影响有限。Panyue Zhang[27]利用水听器来测量超声波的超声场,把VS作为污泥破解指数,高的声能密度比低的声能密度破解污泥的效率要高。郑莉[31]研究出超声频率、声能密度和超声时间对污泥破解度影响的顺序为:声能密度>超声时间>超声频率。声能密度对超声波预处理污泥效果影响最显著。

超声作用污泥时,污泥的粒径也能反映污泥的破解状况。Chu[32]等采用的20kHz,最大功率110W的超声破解污泥,考察污泥粒径的变化,未处理时,污泥絮体的平均粒径是98.9μm,在0.11W/mL的声能密度下,絮体尺寸几乎没有变化,当功率水平超过0.22W/mL粒径才明显减小。喻艳菁[26]研究超声声能密度和超声时间对剩余污泥的粒径和溶出物(蛋白质、多糖、DNA、COD及BOD)溶出的影响,在脉冲比2∶1和超声时间10min的条件下,声能密度为0.2W/mL时,污泥粒径变化出现转折点,当小于转折点时,污泥粒径随声能密度增加明显下降,当大于转折点时,污泥粒径几乎不受声能密度影响。

超声破解污泥时会引起污泥的温度上升,曹秀琴[33]研究用超声处理污泥升温效应显著,与声能密度相比,超声时间对污泥温度的影响更明显,超声破碎污泥SCOD的提高主要因为超声产生的非热效应,超声波热效应所消耗掉的功率约为其输出功率的32%,余下的68%用于非热效应。薛玉伟[34]升高污泥初始温度,会使污泥破解度(DDSCOD)增大。

污泥的本身状态对超声破解的效果也有影响。增大污泥pH值,会使污泥破解度(DDCOD)增大。改变污泥总固体浓度,对SCOD影响较大,对DDSCOD的影响不显著。提高污泥浓度可在保证超声波对污泥降解程度的基础上,有效提高超声波单位时间内破解污泥的总量[34]。王芬[35]等研究各超声变量对破解效果影响的顺序为:pH值>污泥浓度>声强>声能密度。pH值影响最大是因为超声与碱耦合作用可促进碱与污泥中胞外多聚物、细胞壁及细胞质膜中脂类物质的水解反应,可破坏胞外聚合物,并在胞壁与细胞质膜上产生小孔,加强了超声对污泥的破解作用[36]。薛玉伟[33]增加间歇搅拌能增大污泥的DDSCOD。鼓入空气或氮气都会使污泥的SCOD和DDSCOD增大,曝氮气的效果更好,但经济性较差。李欢[37]也发现连续流和搅动可促进污泥的破解。

5 结语

超声波在处理污泥方面有着广阔的前景,但人们对超声波作用污泥的机理还没有完全研究清楚,超声处理运行参数优化、超声的效率有待提高以及超声反应器的合理设计还需进一步深入研究。

摘要：污水处理过程中产生大量的污泥,这些污泥的含水量高,并含有大量的微生物和病原体,需要进行有效的处理处置。简述了超声波作用于污泥的机理:通过超声空化作用产生的强有力水流喷射的剪切力对污泥发生作用;总结了超声波在污泥处理中的应用情况。重点阐述了超声波能促进污泥脱水,即超声能产生一种海绵效应使水分子更易在波面的通道传播,超声破坏菌胶团使内部水释放出来;超声波能促进污泥消化,缩短污泥发酵时间并能提高沼气的产率以及超声波能破解污泥等的研究状况。

超声波检测技术的现状 第5篇

关键词: 可编程片上系统; 超声波; 风速风向检测

中图分类号:TP212;TP273文献标志码:A

Ultrasonic wind velocity and direction detecting system based on SOPC

GAN Jiangying, GONG Zhaogang, ZHANG Xiaohua,SHAO Lihua, FU Huihui

(Information Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract: In view of the characteristics which instrument for detecting velocity and direction of wind should have, including high precision, good reliability, high working speed and wide detection range, an ultrasonic wind velocity and direction detecting system based on System On a Programmable Chip (SOPC) is designed. In this system, ultrasonic detector is used as sensor for detecting wind speed and direction, an algorithm for computing wind velocity and direction is established, and SOPC technology is used to get two dimensional wind speed and direction. The system provides some references for development of wind speed and direction detecting instrument.

Key words:system on a programmable chip; ultrasonic; wind velocity and direction detection

0 引 言

风速和风向是船舶导航非常重要的因素.船舶在航行过程中,不仅需参考气象传真以确定经济安全的航线,而且需随时测出相对于船的风速、风向,以便采取最佳航向,纠正风流压差的影响.[1]

在风速、风向的检测方法中,传统的机械式测风方法,因其历史悠久且有完善的理论基础和检测数据,是大多数人熟悉的方法.而利用超声波测风速有速度快、精度高、分辨率高、使用不需校正等优点,目前已成为1种十分重要的检测方法.

采用超声波探测器作为风速、风向传感器时,风向的获得需要检测的信号多.由于超声波传播速度易受空气温度影响,为使检测结果更准确,本文采用相互垂直放置的2对超声波探头进行检测.设计采用FPGA作为信号处理平台,同时编写自定义IP核处理信号,通过硬件加速加快检测速度和提高计算精度.

1 超声波水平风速、风向的检测原理

1.1 超声波检测风速基本原理

超声波在空气中传播时,顺风与逆风方向存在速度差.当传播距离固定时,此速度差反映为1个时间差,而时间差与待测风速有线性关系.[2]

对于特定风向传播(如东西方向或南北方向),可选用1对收发一体的超声波探头,保持2探头距离不变(东西或南北方向放置),以固定频率顺序发射超声波,检测2个方向上的超声波到达时间,可以得到超声波沿顺风方向和逆风方向的传播速度,经过系统处理换算得风速值,原理见图1.首先将探头1作为发射探头,探头2作为接收探头,检测得到1个传播时间,然后将探头2作为发射探头,探头1作为接收探头,得到相反方向上的另1个传播时间.

图1 超声波检测风速原理

设2超声波收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21,风速为vw,超声波在无风时的传播速度为vs,得:[JB({][SX(]d[]t12[SX)]=vs+vw

[SX(]d[]t21[SX)]=vs-vw[JB)]

化简可得:vw=[SX(]d[]2[SX)][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))][JY](1)

此方法能够准确地检测到一维风速以及超声波的速度.[3]但在实际检测中,风不会只沿着1个方向,在空旷的地方如气象站、海上等,风速、风向随机变化,当超声波探头安装固定后,用此方法很难测出风速.

1.2 超声波二维风速、风向检测原理

为测出随机变化的风速、风向,采取相互垂直放置的2对收发一体的超声波探头,保持探头距离不变,以固定频率发射超声波并检测其在2对顺、逆方向上的传播时间(t12,t21和t34,t43),见图2.经计算,可得到风速、风向值.此方法所测为平均的水平风,在坐标系中表示出风速、风向,见图3.

图2 超声波二维风速、风向检测原理

图3 风速、风向检测坐标

图3中x轴和y轴正方向分别代表由西向东和由南向北.2个方向上风的分速度分别记为vw,x和vw,y,vw为实际风速,超声波在x正方向、x负方向、y正方向和y负方向的传播时间分别记为t12,t21,t34和t43,南北(或东西) 2超声收发器的距离均为d,超声波传播速度为vs.根据式(1),得东西方向上风的分速vw,x=[SX(]d[]2[SX)][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))],南北方向上风的分速vw,y=[SX(]d[]2[SX)][JB((]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))].

根据实际风速vw与分速度vw,x和vw,y的关系v2w=v2w,x+v2w,y得实际风速vw=[SX(]d[]2[SX)][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][JY](2)风向θ表达式为cos θ=vw,x[]vw[SX)]将东西方向上风的分速及式(2)求得的实际风速代入得θ=arc cos[SX(][JB(|][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB)|][][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][SX)][JY](3)随着风向从0°~360°变化,得风向θ=[JB({]kπ+arc cos[SX(][JB(|][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB)|][][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][SX)]

当t12≤t21且t34≤t43时,k=0;

当t12>t21且t34>t43时,k=1;

kπ-arc cos[SX(][JB(|][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB)|][][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][SX)]

当t12≥t21且t34≤t43时,k=1;

当t12t43时,k=2.[JB)][JY](4)

根据式(2)和(4),可知:

(1)只要测得t12,t21,t34和t43,便可求得当前风速、风向,风速、风向与超声波传播速度vs无关.

(2)超声波传播速度vs易受空气温度影响.对于窄带超声波信号,本文所用方法可消除无风时超声波速度的影响,因而基本可消除温度影响.[4]

(3)由于2对垂直放置的超声波传感器之间距离短,从超声波发送到接收所需时间非常短(如d=17 cm,vs=340 m/s,所需时间仅为0.5 ms),因而要求系统有较快的测量速度和计算精度,即后端电路要有较快的工作速度和较高的处理能力.

2 风速、风向检测系统设计

为满足检测速度快、计算精度高的要求,采用SOPC技术构架系统,将系统时钟设置为50 MHz,并构建自定义IP核,通过硬件加速加快检测速率.

2.1 系统总体设计

系统采用Altera 公司的FPGA为核心处理器,连接超声波传感器模块.超声波收发处理模块中的IP核产生时序信号控制超声波的收发,收发装置接收到控制信号后超声波传感器发射超声波,接收到返回超声波后,系统进行各种处理,得出风速、风向值,由Nios II

CPU控制LCD显示并通过串口发送到控制中心.键盘用来调节参数、显示方式等.[5]系统总体结构见图4.图4 风速、风向检测系统总体结构

检测系统各部分功能如下:

(1)超声波传感器模块.由超声波传感器和超声波发送驱动、接收处理电路组成.超声波发送驱动将超声波控制IP发送的脉冲信号发送给超声波探头发射;超声波接收探头接收到超声波信号后,由接收处理电路进行信号滤波及信号放大等操作,通过I/O引脚将信号输入到主处理器.

(2)超声波收发处理模块.发射、接收脉冲信号,存储并计算超声波收发之间的时间差以确定风速、风向值.根据风速、风向计算原理,通过硬件描述语言编写的各种计算模块,通过设置顶层文件将这些模块挂接到AVOLON总线上,形成完整信号处理模块,计算风速、风向的自定义IP.

(3)Nios II CPU.接收硬件系统处理后所得到的风速、风向值,设置信号处理驱动程序,将数据处理为便于发送的形式.数据可设计为通过串口发送,通过LCD显示,或内置嵌入式以太网通信协议进行网络通信.[6]

2.2 超声波收发处理模块

自定义超声波收发处理模块是风速、风向检测设计中最重要的部分,包括超声波收发控制模块、超声波收发模块、脉冲发生器、计时器、寄存器以及数据处理模块,见图5.

图5 超声波收发处理模块

2.2.1 超声波收发信号控制

超声波收发信号控制IP由硬件描述语言Verilog编写完成,用来控制超声波发射的顺序和计时器计时.

超声波探测器型号为NU240A23TR,发射角为7°,中心频率240 kHz.2对收发一体互相垂直放置的探头,在垂直发送超声波信号时,不会发生信号接收错误,因此,设置超声波收发信号控制IP,根据其接收到的控制信号,决定超声波探头是发射信号还是接收信号.所设置超声波传感器的收发方式:先1,3探头发送,2,4探头接收;再2,4探头发送,1,3探头接收.超声波收发信号控制IP在发出控制信号的同时,给计时器(见图5)1个计时开始信号.在AVALON总线接口模块中可设置1个计时器,在超声波收发信号控制IP向超声波收发装置发送信号的同时开始计时,0.5 ms后再发送下1个控制信号给超声波收发信号控制IP.由于相对的2探头之间距离短,超声波传播时间短(<0.5 ms),视觉误差范围内4个超声波传感器同时发射并接收信号.

2.2.2 超声波收发模块

收发装置主要完成信号的转换、发送与接收超声波信号,便于FPGA处理系统收集更准确的信息.超声波发送脉冲信号由脉冲发生器产生,脉冲发生器通过分频获得240 kHz的脉冲信号.脉冲发生器发送信号时,可采取每次连续发送10个周期的脉冲信号,接收到发送的信号后,给发射探头发送超声波脉冲,接收到超声波返回信号第1个返回波时,给计时器1个结束信号,计时器结束计时.计时器包括t12,t21,t34和t43等4个计时器.超声波收发流程见图6.图6 超声波收发流程

2.2.3 风速、风向数据处理

风速、风向值是通过检测传播时间t12,t21,t34和t43,然后进行比较、计算得到的.超声波发射时,超声波收发控制IP模块给计数器发送1个开始信号,计数器接收后开始计时,以50 MHz内部时钟为计时采样周期,以确保计时精度;接收到返回脉冲的同时给出1个信号,计数器接收到这个信号就停止计数,计数器在这段时间内的计时即为超声波传播时间.

随着风速、风向的变化,t12,t21,t34和t43都会有相应变化,若直接按公式计算,则会出现负值,因此需要取vw,x和vw,y绝对值或比较后进行相关处理再进行计算.风向设定正东方向为0°,角度按逆时针方向增大.根据式⑷进行分步设计:

(1)当t12=t21,t34=t43时,为无风状态,此时,vw,x=0,vw,y=0,θ=0;

(2)当t12

(3)当t12>t21,t34

(4)当t12>t21,t34>t43时,将t12和t21值互换,同时将t34和t43值互换,然后进行计算,此时,风速矢量在图3的第3象限,风向值为180°+θ;

(5)当t12t43时,将t34和t43值互换后再进行计算,此时风速矢量在图3的第4象限,风向值为360°-θ.

风向数据处理流程见图7.

图7 风向数据处理流程

该方法可求得任意风向值,范围0°~360°,较机械式测风向准确度更高、处理更便捷,而且在处理系统中编写自定义风向计算处理IP核,具有较快的工作速度和较高的处理能力.

3 角度修正

实际应用中,超声波探头不一定完全按东西南北方向安装,可能存在1个角度差,而且船舶航行方向随时变化,因而需要对所测风向进行修正.而船舶运动时,摇摆、振动的频率很低,与检测系统高达50 MHz的时钟频率相比,其影响可忽略不计.

若安装时存在1个角度差α,最后的风向为θ+α(当α为向东北方向的偏角)或θ-α(当α为向东南方向的偏角).在处理系统中,增加1个角度修正IP,修正角度可由串口发送到FPGA, 通过Nios II传输给角度修正IP进行修正,获取最终结果.

4 结束语

本文采用SOPC技术进行风速、风向的检测,提出风速、风向的具体计算及实现方法,与其他形式的检测系统相比,具有如下优点:

(1)运用可编程逻辑器件FPGA为主控芯片,采用嵌入式IP硬核的SOPC系统,系统更为灵活、完备,功能更为强大,有更好的适应性,不仅检测速度快、准确度高,而且具有广阔的升级空间.

(2)由式(2)和(4)可知,风速、风向的计算只与超声波在顺、逆方向上传播的时间差有关,不受温度、湿度和气压影响,因此,信号检测准确度高,可测范围大,具有广泛的应用前景.

(3)此检测系统无机械运动部分,可靠性高.根据二维风速、风向检测的设计,很容易进行三维风速、风向检测系统的设计.可在设计中增加1对收发一体的超声波传感器,与前2对垂直放置,加入垂直风速分量,并加入相应数量的检测模块,即可检测三维的风速、风向信息.

参考文献:

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国外管道焊缝缺陷超声波检测现状 第6篇

1主要超声波检测方法

(1) 脉冲反射法

利用缺陷反射的脉冲回波可以得到缺陷的影像。如图1可以从焊缝的顶面、侧面和断面进行检测并得到投影图, 从投影图可以分析缺陷的性质。

(2) TOFD法 (衍射波测量技术)

此种检测型式可以记录两个探头 (一个发射探头和一个接收探头) 之间传播的超声数据并以A扫描的形式显示, 如有缺陷, 缺陷的两端可使超声波发生衍射, 根据接收到的波形可以评定缺陷的高度。其原理如图2所示

(3) 相控阵扫查技术

对有规则排列的每个晶片 (压电元件) 施加可控相位差 (由软件实现) 的电信号, 可以对所有晶片的合成波束的发射方向和焦距进行动态控制, 实现对缺陷的动态扫描以简化探头的扫描路径。可以把晶片按线性或面排列, 前者可在平面内实现动态扫描, 后者可在立体内实现动态扫描。如图3所示为按线性排列在平面内实现动态扫描的相控阵扫查原理。

2超声波检测系统的组成

超声波检测系统的组成基本相同, 主要由仪表、数据采集、成像、信号处理和运动系统组成。运动系统可分为手动、闭环自动和开环操纵杆控制系统。无论是手动还是自动化超声波检测, 超声波探头的载体--扫查器都在运动系统中占有重要的地位。

扫查器的功能主要有: (1) 是检测探头的运动载体; (2) 对其进行控制可使夹持的超声波探头在检测扫查的过程中与被检焊缝保持一定的位姿关系; (3) 能连续的提供探头的位置信息; (4) 在需要时为超声波检测提供耦合剂; (5) 使探头在运行中保持稳定。

扫查器分为手动和自动两种型式。

3 手动扫查器

手动扫查器:手动扫查器直接由人手把持操作, 操作灵活, 适用于对任意形状的焊缝的检测, 其维护费用低。图4所示是美国Ultratek公司比较有代表性的多功能手动扫查器MTScan, MTScan是能够完成TOFD扫查和C-扫绘图的多功能X-Y坐标扫查器。既可用于管件的检测又可对平面进行检测, 检测的最小管径可以达到4英寸。由于装有磁性轮组件, 可完成对可磁化表面的快速安装, 对于非磁化材料通过安装扫查器轨道导向, 可加装水密件以用于水下操作。能够方便快速地把X扫查头更换为TOFD扫查头, 转变成手动TOFD扫查器 (如图4右上角所示) , 超声波的发射探头与接收探头之间的距离可调, 最大可达21英寸, 并且可以加装电机进行驱动。

如图5所示FORCE公司的手动扫查器MWS-5。MWS-5是一有两个码盘输入轴的通用手动扫查器, 如图5 (a) 所示是它的标准型-直线扫查器 (可用于TOFD) , 通过配件的装拆, 可以变为磁轮XY扫查器 (如图5 (b) 所示) , 可采用磁轨的方式进行导向;以通用扫查器本体为基础装配配件的另一种型式是配有转动探头架的XY臂扫查器。

4 自动扫查器

自动扫查器的驱动力来源于电机或其它的非人力驱动方式, 采用对焊缝自动跟踪的方式, 可以排除人为因素对检测结果的影响, 检测效率高, 检测员劳动强度低, 可在恶劣环境中进行在役检测, 可采用模块化结构, 所安装探头的检测路径以及各参数可以通过软件设定, 其检测可靠并可以多次重复, 以便将多次获得的检测信息进行对比分析, 可实现远距离控制, 在焊缝检测中的应用越来越广泛。

美国CDINT公司开发出了具有独特换能器、楔块和扫查器的自动管线检测系统。此系统大小管径均适用, 相应设计制造了两种类型的扫查器, 一种是用钢带作轨道, 适用于外径大于500mm的管道检测的扫查器CDU-101如图6 (a) , 另一种是采用齿轮驱动的铝合金环组件, 适用于75～500mm管道检测的扫查器CDU-102如图6 (b) 。

图7所示为加拿大R/D TECH公司的PipeWIZARD和TRACKER扫查器。PipeWIZARD的实体轨道设计来自于三年多的陆地和近海的几千次试验的经验, 可以对对接环焊缝进行TOFD与脉冲反射的组合扫查。TRACKER是一四轮驱动自调整的磁轮扫查器, 可对平面和曲面进行扫查, 由机械或磁轨道导向。

图8所示的AIR-1e是FORCE公司开发的基于P-Scan 3D/UltraSIM-Inspection sequence设计的六自由度的机器人, 主要用于检测复杂形状的焊缝, 并且可以用于水下钢结构焊缝的检测。

5 结语

随着对焊缝检测质量要求的不断提高和在各种苛刻的环境 (如海洋钢结构与核设施等) 中进行在役检测越来越多, 必将对超声波检测系统提出更高的要求, 加快检测速度、更加易于操作、提高检测精度、缩小外形尺寸、易于携带和操作、适应对各种复杂形状的焊缝的检测等, 这对扫查器的开发在设计, 制造和计算机控制方面提出了更大的挑战。

参考文献

[1]李生田, 刘志远.焊接结构现代无损检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[2]孙永康.燃气钢管焊缝质量检验方法的比选[J].上海煤气, 2002 (3) :3-7.

超声波检测技术的现状 第7篇

1 超声波技术在水处理中的研究

1.1 处理染料废水

高甲友等人[3]利用超声技术降解甲基紫模拟的染料废水, 研究表明, 甲基紫的降解过程符合一级动力学方程。上海大学华彬等[4]对超声技术降解酸性红B废水过程中, 超声时间、初始浓度、反应温度等对染料降解效果的影响, 结果表明, 延长反应时间, 加大初始浓度, 提高反应温度, 都有助于提高降解效率。Rehorek等[5]的研究结果显示, 利用超声波法降解酸性橙5、直接蓝71和活性橙16等几种偶氮染料, 降解产物为完全矿化的无毒物质。陶媛等[6]采用探头式超声装置处理酸性黑ATT模拟染料废水, 结果表明, 探头式超声辐射装置对于浓度大于100 mg/L的染料废水, 降解效果不佳。Vajnhandl和Marechal[7]对超声降解活性染料RB5过程中的活性氧物种进行了监测, 发现采用探头式超声时自由基生成速率是杯式装置的20~25倍, 碱性条件不利于染料的降解。

1.2 处理含酚废水

Petrier等人[8]用20k Hz、200k Hz、500k Hz和800k Hz等4种频率超声降解苯酚, 结果显示, 在200k Hz的条件下, 苯酚的降解效果最好。汤红妍等[9]研究发现, p H对苯酚的降解效率有显著影响。p H为4时, 降解效率最高;p H高于10时, 基本不发生降解反应。Ku等[10]在研究超声降解水中2-氯酚时发现, 降解速度随溶液p H的增大而减小。Lin等[11]的研究也证实, 在利用超声技术处理2-氯酚时, 酸性条件的处理效果高于碱性条件。付荣英等[12]关于2-氯酚的实验表明, 初始浓度为5g/L时的降解率是浓度为10g/L时的1.36倍。马英石等[13]以超声波/H2O2工艺降解水中2-氯酚的研究也发现, 当2-氯酚的初始浓度较低时, 2-氯酚的分解速率较快.

1.3 处理苯系物废水

一些苯系物虽难以空化泡内被破坏, 但易被空化泡崩溃后释放到水中的自由基氧化。研究得出, 在超声波作用下苯和甲苯的降解过程符合一级反应动力学的特征[14]。另外, Visscher等人[15]用520k Hz的超声波分别处理苯、乙苯、苯乙烯和邻氯甲苯溶液, 分析得出, 超声降解反应均为一级反应。

1.4 处理有机农药废水

钟爱国等[16]使用超声波诱导降解水溶液中甲胺磷, 实验结果显示甲胺磷的平均降解率可达到99%。David等[17]的研究表明, 在频率为的超声波辐照下, 初始浓度为0.1mmol/L的氯苯胺灵50分钟后几乎完全去除, 降解的主要产物为Cl-、CO和CO2。

1.5 加速污泥破解

污泥破解是指通过一定的方法, 破坏污泥的絮体结构、细胞壁, 溶出胞内物质, 从而加速污泥稳定化过程[18]。A.Teihm等[19]研究表明, 频率31k Hz、声能密度0.11 W/cm3的超声波可以有效打破菌胶团。Neis等[20]对超声处理后污泥的絮体尺寸分布、SCOD、进行了分析, 讨论了污泥沉降性能和脱水性能的变化, 并研究了不同初始污泥浓度对处理结果的影响。曹秀芹等[21]对超声作用下对污泥絮体结构的变化、和污泥温度的变化做了实验研究, 得出声能密度和作用时间对细胞分解起着重要作用的结论。在污泥的处理工业实际应用方面, 德国己经研制成功并投入运行一种技术, 利用超声波将污泥体积和质量减少, 同时增加沼气产率[22]。

2 超声波与其他技术的联合应用

2.1 超声波/臭氧技术

Olson等[23]用超声波与臭氧联合作用来研究天然有机物腐殖酸氧化动力学, 研究得出, 总有机碳 (TOC) 的去除率达到91%, 有机碳矿化达到87%。Raman Lall[24]用超声/臭氧法处理含蒽醌染料Reactive Blue19的水溶液, 证实超声波与臭氧存在协同作用。Ince等[25]研究表明, 超声波与臭氧的协同效应主要是由以下四方面引起: (1) 超声波提高了溶液的传质速率; (2) 热解产生更多的自由基; (3) 挥发性中间产物在空化泡内进行热解; (4) 热解产物进入液相增加了氧化物质的量。

2.2 超声波/双氧水技术

孔黎明[26]通过研究证实, 超声波/双氧水对苯酚的去除率为82.21%, 而同等条件下, 单独超声作用对苯酚的去除率为32.69%, 单独使用双氧水对苯酚的去除效率为32.63%。Lin等的研究表明[27], 降解2-氯苯酚时, 超声波/双氧水联合技术比单独使用超声波技术处理效果更好, 2-氯苯酚的去除效率为99%, 高于单独使用超声波技术时的25%。

2.3 超声波/芬顿试剂技术

赵德明等[28]认为超声波/芬顿试剂技术具有更快的降解苯酚的速度, 超声波与芬顿试剂 (Fenton) 之间存在明显的协同效应。张翼等[29]研究了超声/Fenton法处理偶氮染料橙黄Ⅱ, 证实超声波对Fenton试剂处理该染料具有强化作用。刑铁玲等[30]采用低浓度Fe (Ⅱ) 在超声作用下对亚甲基蓝染料及甲基橙进行处理, 发现少量Fe (Ⅱ) 的存在, 可使超声降解染料的速率提高3倍左右。

2.4 超声波/零价金属技术

零价铁单独降解硝基苯时, 会产生有毒的中间体苯醌及最终产物苯胺, 超声波/零价铁技术, 可以将这些有毒化合物进行有效的分解。而且与单独超声波或相比, 二者协同作用下, 硝基苯降解反应的假一级动力学常数可提高1至2个数量级[31]。胡文勇[32]等用超声波/零价铁方法降解对硝基苯胺, 对硝基苯胺降解速率和程度都显著提高。

2.5 超声波/紫外光技术

E.Naffrechoux等[33]用超声-紫外耦合的方法来处理苯酚溶液, 二者耦合联用降解苯酚的速率比它们各自单独使用时明显提高。赵德明等[34]研究了利用超声波/紫外光技术降解对氯苯酚的过程, 发现超声波/紫外光技术比单独一种技术的降解速率提高了1.5-1.7倍。

3 发展前景

超声波降解水体中的化学污染物作是近年来兴起的一个研究领域, 为了使其能投入生产运营中, 还应考虑到它的经济性、实用性和放大性。超声波技术对于难降解有机废水的处理, 以及对废水的深度处理, 是未来的重点研究方向。

摘要：将超声波技术应用于水处理领域是近些年来兴起的研究, 本文介绍了目前超声波技术在处理染料废水、含酚废水、苯系物废水、有机农药废水及剩余污泥中的研究进展, 并对学者们研究的各类超声波联合应用技术进行总结。

浅析声波测井技术的发展现状及展望 第8篇

关键词：声波测井,单极子声波测井,多极子声波测井,发展现状,展望

从声学角度而言, 声波测井可以划入波导问题在充液井孔中的种种情况之一, 应用这一系列的技术在井孔中对相应数据的有效测量, 是随后对石油资源加以勘探、开采工作的重要参考系之一。如运用得当, 这一办法将可以准确地测量出岩石内部的纵、横波波速等诸多数据, 岩石所属的弹性以及非弹性各类参数、地层孔隙度和估算主地层应力和各种压力的值域、孔隙内流体弹性模量等数值, 从而形成独立的孔隙流体识别办法, 用来进行储层评价和产能评估。同时也可以与其他方法互相配合来估算地层渗透率, 以及在地震勘探过程中的一系列问题提供一些可供参考的参数等等。经过数十年的发展, 声波测井技术已经逐步形成了将涵盖力、热、声、光、电等众多新老各类型理论, 并将其与实际情况相融合, 各类技术“积极参与”的现代测量技术, 在地层评价、石油工程之类诸多领域发挥着难以替代的作用和价值, 已经取得了与电法、放射性并列的“第三大测井技术”。

该技术发展至目前, 已经在各个方面都取得了显著进步。表现为为切实提升声波测量信息的冗余度并以此加强可靠性而为之不断增加的声波探头个数;同时声波探头的振动方式也逐步向更先进的方向改变, 迄今先后经历了单极子、偶极子、四极子、声波相控阵等发展阶段, 并依靠各种改进技术, 形成了能够满足几乎所有类型的井孔内部对其所在地层数据进行测量, 并由此作为对地层的各向异性的参考, 并作为进一步展开更深层次测定等工作的前提。在此发展过程中, 相邻的声波探头之间距离越来越“亲密”, 但同时发收探头的间距则不断“疏远”, 这样的进步, 既能够提高井轴方向测量时的声波分辨率, 又可以将径向探测深度相应提高。由此, 将声波测井技术向低频和宽频带范围推动, 并仰仗一系列技术将其间应用的电子技术传统技术层面向以内嵌中央处理器和大规模可编程电路为代表的先进技术引领, 以此来将声波测井仪器的各个工序智能化和集成化。

由上述发展现状不难推断, 在日后的声波测井仪器研制过程中, 将以可以控制声束指向性的新型基阵式换能器的研制作为关键技术。该关键技术的与众不同之处在于控制声辐射强度, 从而令原本方向不固定的声波路线固定化, 以此来提升有用信号的“浓度”, 并与此同时将探测力大幅度提升。从这些情况上不难看出来:在一系列进步中, 最重要的“攻关课题”就是振动模态如何加以调整和声波探头如何在结构方面进行改变。

1单极子声波测井技术

众所周知, 声波测井所使用的仪器一般是以声波发射和接收探头为主再加上隔声体等部件所构成的发声系统。这一技术若采取单极子声源及其接收系统的话, 就可以被称为单极子声波 (又称对称声波) 测井技术。这一技术所使用的声源一般是压电振子 (多为圆管状结构) , 其工作过程即沿径向胀缩以产生的振动中, 圆管状结构外形始终保持其对称性。在此条件下一旦其内部的压电振子产生的辐射声波超过了其自身尺度时, 其中的的压电振子实际上就已经成为脉动球源, 辐射指向性客观上就成为了一个球面结构, 从而使得水平指向性化为一个圆圈。依次使得其向井壁均匀辐射。由此不难看出, 单极子接收器获得的信号可以涵盖整个圆周上的井壁介质。

硬地层井孔中, 单极子声源能够形成以滑行纵波为“君”, 以滑行横波、伪rayleigh波、stoneley波为“臣”的全波列次序, 四者幅度和主频成反比关系。由于软地层井孔内部的横波波速大于其中液体波速, 故而对称声源波列是不可能找到滑行横波模式波包的, 正因为此, 软地层内部是不可能测量到地层横波信息的。目前, 单极子声波测井技术广泛应用于电缆和随钻两种声波测井过程中。目前我国已经在熟练掌握电缆单极子声波测井的基础上努力研发随钻单极子声波测井技术。

2多极子声波测井技术

依前文所述, 软地层充液井孔中单独使用单极子声波测井是不可能获得地层横波波速的, 但这个不可能获得的参数却恰恰是地层评价和石油工程中要参考的重要数据之一。故而, 自上世纪八十年代开始, 对井下条件下采取偶极子、四极子声源之类进行声波测井的技术成了各国相应领域的“热门话题”, 而将偶极子、四极子与单极子声源彼此相融成为一体的声波测井仪器, 就可以被称为“多极子”声波测井仪器。一系列理论和实践同步证明, 将偶极子、四极子声源可以在充液井孔内部激起弯曲波, 而四极子声源则可以激起螺旋波。二者均属频散波范畴, 波速比地层横波稍小, 然而其各自的截止频率处却与地层横波波速相接近。在上世纪九十年代初, 偶极子横波测井仪已经在国外研制出来并投入使用, 而且在实践中获得了新的发展。多极子声波测井技术在实践中被证明其对地层横波波速数据完全可以直接测量而无需估算, 足见其意义非凡。与此同时, 能够对地层各向异性进行评价的声波测井技术也被开发出来, 成为了在井眼中对地层水平主应力进行评价以及测度垂直裂缝等工作的最重要手段之一。由此可见, 多极子声波测井技术前景将更为广阔。

目前我国在发展具有自身特色的的声波测井技术过程中, 使得一系列先进的声波测井技术日臻成熟, 并且在众多方面都已经攻克相关难题, 推进着声波测井技术逐步走上产业化的道路。

参考文献

[1]李长文, 强毓明, 李国利.对电缆声波测井技术发展的几点认识[M].泛在信息社会中的声学——中国声学学会2010年全国会员代表大会暨学术会议论文集2010, (12)

[2]赵新建.声成像测井在塔里木盆地北部奥陶系碳酸盐岩储层评价中的应用研究[D].长江大学, 2012, (05)

[3]唐晓明, 魏周拓.声波测井技术的重要进展——偶极横波远探测测井[J].应用声学, 2012, (01)

[4]郝志兴, 叶庆生, 陈思南.声波测井技术在我国石油、煤炭工业和地质探矿中的发展和应用[J].测井技术, 1984, (12)

[5]周明磊, 王怀洪, 王书军.山东省煤田地球物理测井技术的发展现状与展望[M].山东地球物理六十年2009, (08)

[6]马洪敏.塔里木盆地北部奥陶系碳酸盐岩含泥缝洞型储层评价方法研究[D].长江大学2012, (05)

超声波检测技术的现状 第9篇

局部放电是反映电力变压器绝缘状态的一个最为灵敏的特征量, 也是绝缘老化过程中必然出现的现象, 更是导致绝缘劣化的主要原因。在整个电力系统中, 变压器对其安全、稳定运行的可靠性起着关键的作用, 而变压器在长期运行中, 绝缘受温度、雷击及内部过电压的作用逐渐老化, 导致变压器内部绝缘产生局部放电。有资料表明, 80%电力变压器故障是由于局部放电导致绝缘损坏而引起的。通过对变压器局部放电的在线监测, 可以发现早期绝缘故障, 以预防突发性事故的发生, 从而对整个电力系统的安全运行起着重大的意义。

当前国内外对变压器局部放电的检测方法大致可以分为非电测法和电测法2大类。本文对2类方法中的超声波法和超高频法进行阐述比较, 分析当前2种检测方法存在的问题, 并在此基础上进行了展望。

1 超声波检测法

变压器内部发生局部放电时, 产生的超声波信号以球面状向四周传播[1], 通过安装在变压器外壳上的传感器, 将超声波信号转换为电信号, 以多个传感器接受到信号的时延经过定位算法的计算, 从而对局放源进行定位。

变压器内部发生局部放电时, 放电源产生的超声波到达外壳上的传感器有2种途径, 一种是超声波通过变压器油并穿过钢板直接到达传感器, 这种称为纵向波;另一种是先传到变压器油箱内壁, 然后沿着钢板传至传感器, 此种称为复合波[1,2]。由于超声波沿钢板传播的速度比在变压器油中快得多, 且在钢板中衰减很大, 所以到达传感器的纵向波幅值比复合波大得多, 因此测量各个传感器接收超声波的时延是以直达波的到时为基准的。其中超声波定位法又可分为以下2类[3]: (1) 电声定位。此方法以局部放电所产生的电脉冲为基准信号, 同时记录电脉冲信号和多路超声波信号, 将超声波信号与电脉冲信号相比较, 得到两信号之间的时延作为局部放电源到达各个传感器的传播时间, 再以等值声速乘以各个时延从而计算出放电源到各个传感器之间的距离, 最后列方程求解出放电点坐标。 (2) 声声定位。该方法以其中一个传感器接收到的超声波信号为参照基准, 测量其他传感器分别接收到的超声波信号相较于基准传感器所接受到信号的时延, 然后将时延值代入方程求解, 即得到局放源的位置。

由于超声波检测定位法受电磁干扰的影响小并且可以实现在线检测和定位, 因而国内外对超声波法研究得比较深入, 在实际中也取得了广泛的应用, 但是当前仍然存在以下问题: (1) 超声波在电力变压器内部的传播过程复杂, 使得波信号衰减严重, 从而导致检测灵敏度降低。虽然已有学者对超声波传播路径作了系统分析, 但是所建立的变压器模型仍然不能模拟出实际变压器的复杂性。 (2) 传感器接收信号时, 如何判别是否为纵向波在定位中尤为重要, 然而在实际应用中主要是通过技术人员的经验来确定的, 并且当前关于纵向波的研究较少。 (3) 目前超声波传感器仍处于发展阶段, 更高精度和分辨率的传感器仍需要进一步研究。

2 超高频 (UHF) 检测法

超高频检测法是通过天线传感器接收局部放电所辐射的超高频电磁波来实现检测的。1982年, Boggs和Stone首次利用超高频法成功检测出GIS设备中的初始局部放电脉冲。1996年Rutgers首先将UHF检测法应用于电力变压器的局部放电测量。由于该技术的检测频段非常高, 可有效避开局部放电测量中的电气干扰, 使其得到了很高的灵敏度, 大大提高了信噪比。正是该方法拥有传统检测方法无可比拟的优点, 使其近些年来在国内外得到了大量的研究[4]。

英国Strathclyde大学的Judd等人和荷兰KEMA实验室的Rutgers等人的研究表明:油中放电上升沿很陡, 脉冲宽度多为纳秒级, 能激励起1 GHz以上的超高频电磁信号。Raja等人在真实变压器模型上实验证实了超高频法的灵敏度远高于超声法, 且基本不受纸板等绝缘物的影响。此外, 法国ALSTOM输配电研究中心的K.Raja等人研究了各种典型局部放电模型的UHF特性, 并建立了模式识别方法。

近些年在国内, 对于变压器的局部放电UHF检测方法也取得了不少成果, 其中西安交通大学李彦明等人基于混频技术建立了频带可调的窄带检测系统, 通过神经网络方法实现了局部放电类型的自动识别。华北电力大学李成榕等人则采用检波技术对原始超高频信号进行调理, 并研制了基于检波技术的电力变压器在线监测装置。重庆大学、清华大学等在变压器局部放电超高频检测方面也取得了一系列成果。

基于超高频信号的局放定位方法作为新发展起来的局部放电定位技术, 其定位精度高。但对其研究还不够深入, 还需要进一步的研究和试验。

(1) 目前方法所模拟的局部放电源与变压器实际放电形式不符, 难以保证准确获得局部放电源位置。 (2) 变压器内部结构复杂, 导致UHF信号的传播规律也很复杂, 影响了定位精度的提高。 (3) 由于现场电磁干扰非常大, 所以抗干扰能力强、灵敏度高的传感器需要进一步研究制造。 (4) 目前对超高频法的定位算法刚刚起步, 需要进一步的研究。

3 2种方法比较

通过对目前2种检测方法的阐述以及所存在问题的分析, 2种方法的特点总结如表1所示。

4 结语

超声波法和超高频法在变压器局部放电检测定位中有着其他传统方法无可比拟的优点。但是2种方法在研究过程中仍然存在一些问题。针对这些问题, 变压器局放可以从以下几个方面发展: (1) 充分分析各种放电模型的放电机理以适应实际需求; (2) 增加变压器的模拟构成, 并采用合理的方法对信号在变压器中的传播规律进行建模分析; (3) 开发新型传感器以提高对信号检测的灵敏度和抗干扰能力等。

摘要：变压器的局部放电是威胁电力系统可靠运行的重要因素, 目前变压器局部放电的检测定位方法有非电测法和电测法, 通过对其中研究应用最为广泛的超声波法和超高频法的现状阐述, 分析了目前2种方法所存在的问题, 并作出了展望。

关键词：局部放电,超声波,超高频,问题,比较

参考文献

[1]罗日成, 李卫国, 李成榕, 等.基于改进PSO算法的变压器局部放电超声波定位方法[J].电力系统自动化, 2005, 29 (18) :66～69

[2]罗勇芬, 李彦明.用于油中局部放电定位的超声相控接收阵传感器的研究[J].西安交通大学学报, 2005, 39 (4) :402～406

[3]孙才新, 罗兵, 顾乐观, 等.变压器局部放电源的电-声和声-声定位法及其评判的研究[J].电工技术学报, 1997, 12 (5) :49～52, 60

超声波清洗技术在消毒供应室的应用 第10篇

随着医疗市场与国际接轨，新技术的日新月异，我国对降低院内感染也越来越重视，对医疗器械清洁度的要求也越来越高。我科作为医疗用品供应单位深知责任重大，并一直将引进和提高医疗器械清洗效果作为工作中的一个重要课题，进行了深思和探讨。

我科在2007年3月份之前，一直是采用传统的人工刷洗法刷洗医疗器械，这种方法既费时又费力，而且清洗效果也不尽人意。如：有关节、缝隙、齿槽的医疗器械难以刷洗到位，附着在此的污垢不易洗净，剪、钳的轴节处易卡刷毛及其它异物，极易引起物品生锈，特别是镊子的夹缝中，常常锈迹斑斑等等。鉴于人工刷洗法无法满足医疗器械对清洁度较高的需求，我科于2007年3月引用了目前国际上最先进而且应用最广的超声波清洗技术，使用超声波清洗器进行医疗器械的清洗，它不仅清洗洁净、清洗快速，并节省大量人力、物力，较之以往大大提高了工作效率。清洗后的医疗器械光亮如新，生锈率也大大降低。曾就超声波清洗器使用前后的效果作了一个比较：固定使用的镊子500把，从2006年3月—2007年3月，用传统人工刷洗法清洗，导致生锈而不能使用的镊子共计170把，从2007年3月份至2008年3月份用超声波清洗器清洗，生锈不能使用的镊子仅为30把。从上述可见，超声波清洗器的清洗效果是不言而喻的。

可以说，在目前所有的清洗方式中，超声波清洗是效率最高，效果最好的一种。之所以超声波清洗能够达到如此的效果，是与它独特的工作原理和清洗方法密切相关的，下面，仅就其清洗原理与操作方法作简要介绍。

1超声波清洗原理

当超声波的高频机械振动传给清洗液介质以后，液体介质在这种高频波振动下将会产生近真空的“空腔泡”，“空腔泡”在液体价质中不断碰撞、消失、合并时，可使周围局部产生极大的压力，这种极其强大的压力足以能使物質分子发生变化，引起各种化学变化（断裂、裂解、氧化、还原、分解、化合）和物理变化（溶解、吸附、乳化、分散等）。另外，空泡胞的本征变化频率与超声波的振动频率相等时，便可产生共振，共振的空腔泡内因聚集了大量的热能，这种热能足以能使周围物质的化学键断裂而引起一系列的化学、物理变化等，理论上讲“空腔泡”对清洗对象的强烈的作用称为“空化作用”。

由于超声波的空化作用，其清洗效果远远优于其它清洗手段所能达到的清洗效果。清洗效果比较（根据资料报导）所示：超声波清洗法达到100%，刷洗（用化学溶剂）为90%，蒸气清洗（化学溶剂）为35%，从上看出，超声波清洗是最有效的清洗手段。

2操作方法

2.1将污染的医疗器械回上后，有轴节的，如剪刀、血管钳等串在U型支架上，使轴节部位充分张开，然后和无轴节的医疗器械一并放入500-1000MG/L有效氯溶液中浸泡30分钟后取出清水冲净。

2.2将20G必洁美（多种生物酶）加入4公升常温水中（适宜温度20-50）使本品迅速溶解后，倒入超声波清洗槽内，再将医疗器械全部浸入溶液中，溶液量及浓度视物品量及污染情况而加减。

2.3将通电源开机运行3-5分钟，取出后用常水或热常水冲洗洁净即可。

2.4将清洗洁净后器械烘干，上油并尽快打包，以免再度污染。

3使用超声波清洗器的注意事项

3.1洗涤槽内注入适量水，液面大于4cm，严禁无水运行。

3.2机器运行中严禁改变功率，如需要改变功率，必须关电源，再调强、弱开关。

3.3在运行中，清洗液的温度小于60℃，一旦大于60℃，必须降温，以免损坏换能器，一般温度保持在40-45℃，如低于40℃，则会降低清洗效果，高于45℃，会导致细菌蛋白质凝固，同样会降低清洗效果。

3.4如起动有故障，不能强行再开机。

3.5放置物品要轻，重的物品不能直接放在槽板上，而要用支架悬浮清洗，与底板距离2-3cm，物品要完全浸泡在清洗液中。

3.6槽中禁中热水（50℃以上），以免损坏换能器。

超声波电机的研究现状及发展前景 第11篇

关键词：超声波电机,数学模型,控制策略

1 超声波电机的研究概况

超声波电机(Ultrasonic motor,USM) 名字的由来是工作频率在超声频段( 超过20 k Hz) 内,故称为超声波电机。自20 世纪80 年代发展以来,它不同于传统电机的一些特点引起电机领域的广泛关注,它的运行理念完全与电磁电机不同,特别是在非连续运动控制、精密控制等领域比传统电机性能更优越。正是超声波电机异于传统电机的显著优点与日趋盛行的应用,对超声波电机建模及其本体驱动控制的研究引领着潮流。

目前,日本将超声波电机推入了商业化应用阶段,同时该国家的发明专利也是最多的。比如,汽车、机器人驱动、照相机自动聚焦系统等方面,超声波电机正在一步一步地趋向成熟。众所周知,超声波电机发展时间并不长,1964 年,前苏联基辅理工学院的V.Vlavrinenko设计出了第一台旋转超声波电机。在美国喷气推进实验室、麻省理工学院等主要的科研机构,行波型超声波电机在航天和军事领域广为重视,并进行了大量的研究。另外,英国、韩国、德国、意大利等国家也打造一些高校和科研机构致力于对超声波电机的研究。

我国的一些高校和研究所,如清华大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、吉林大学、浙江大学、中科院长春光机所等,从上世纪90 年代初期开始,对超声波电机进行研究。我国首项关于超声波电机的发明专利是由周铁英、董蜀湘等人于1989 年申请的,并研制了微型圆柱式超声波电机,直径只有1 mm。1995 年,赵淳生院士研制成功了环形行波超声波电机。此后,在超声波电机模型、运行机理、运行参数优化设计等方面开展了广泛的研究。2008 年3 月,超声波电机产学研基地在连云港成立,生产和销售超声波电机成了主要任务,同时进行开发。随之而来的是专业致力于超声波电机及控制装置研发、生产、销售的公司在南京、西安等地先后成立,这标志着国内超声波电机产业已开始迈向正规化。

2 超声波电机的建模方法

超声波电机模型是对系统分析、设计和性能评估的基石。超声波电机的模型有等效电路模型、机理分析模型、辨识模型和有限元模型四类。

等效电路模型:参考文献[1] 在电学功率因数的基础上将USM看做容性负载,且将电感与驱动电路结合起来,构建了USM的等效电路模型。参考文献[2] 中,主要考虑USM的独特机理,将定子和转子之间的运动摩擦等影响电机控制的因素进行理论上的等效和变换,也构建了等效电路模型,该模型精度要高于参考文献[1] 所述成果。

机理分析模型:参考文献[3] 提出了铁摩辛柯(Tmoshenko) 梁这一概念,它是将环形定子与一根无齿槽的等直梁进行等效。然后,运用铁摩辛柯梁振动的理论,环形复合定子处于自由状态,得出压电定子的频率域方程式,构建了USM的机理分析模型。

辨识模型:参考文献[4] 中,首先通过实验测取了各种幅值的电压M序列信号系统输出速度,然后通过辨识得出USM幅值与转速的模型。参考文献[5] 基于USM特殊的时变非线性,构建了非线性Hammerstein模型。该模型以频率作为输入,以转速作为输出,利用粒子群优化算法建立了模型。参考文献[6] 中,将辨识方法与模糊控制理论相结合,构建了USM的稳态模糊模型,该模型2 个输入1 个输出,并且还构建了Takagi-Sugeno(T-S) 动态模糊模型。

有限元模型:参考文献[7] 中,将有限元分析方法应用于USM的建模中,首先对USM运行过程中的能量转换和能量的传递过程作了剖析,验证了有限元方法在建立模型方面是有效的。但如果想得到更为精确的数学模型,有限元分析的剖分网格就需特别细密,会使整个计算量过多。且该方法更适宜于离线工作状态优化与分析,对于实时控制应用的模型形式表达不够准确。

3 超声波电机的运动控制

由于USM特殊的定子转子结构,更是由于它特殊的工作机理,工作时会有严重的时变非线性。比如说,在外界温度、预压力的作用下,USM的谐振频率会发生漂移,导致能量之间不能很好的转换。这些特性会严重增加系统控制的难度,增加了USM控制策略的难度。

3.1 超声波电机运动控制方法

USM控制策略主要有PID控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、模糊自适应控制、神经网络自适应控制、模糊神经网络控制、PI- 模糊控制等。比起单一控制方法,混合控制方法能够达到更完美的控制效果。

鲁棒控制:参考文献[8] 中,在信号补偿基础上给出了鲁棒控制方法,设计并构建的鲁棒跟踪控制系统在仿真和实验中均表现出了良好的控制性能。

自适应控制及其混合控制:参考文献[9] 建立了非线性Hammerstein模型,该模型从控制角度出发并且采用辨识方法得到。根据该模型的特点,构建了广义预测控制方法,仿真和实验均证明了该方法的有效性。

模糊控制及其混合控制:参考文献[10] 控制系统如图1 所示,系统有内、外两个环,内环解决系统温变致使的谐振频率漂移问题;外环主要解决跟随参考模型变化频率值的问题。同时,用免疫遗传算法来改变模糊控制的规则,增加系统的控制适应能力。

神经网络及其混合控制:参考文献[11] 中,以单神经元-PID控制结合PI控制来应对USM非线性特性,控制性能较常规PID控制优越。参考文献[12]针对摩擦、非线性和时变等USM的显著特征,利用径向基神经网络来逼近系统运行状态。研究结果表明该控制方法鲁棒性很好。

目前,USM系统控制已经形成了两种局面[5]:一方面,对于控制性能要求低的应用场合,首要选择常规PID控制;主要归功于常规PID比较成熟,设计成本低。另一方面,则是对于高性能的应用场合,这个时候系统的控制策略应该能够自适应。也就是说能够实时跟随USM的实时变化来修改控制策略。这种适当设计控制形式,可以明显提高系统的鲁棒性。但是,通常该种控制规律的计算复杂度比常规PID大得多,这也就提高了成本。因而,在线计算量尽量小的有效自适应控制规律是USM系统控制探究的重要课题。

3.2 超声波电机自适应控制方法

自适应控制能够实时修整控制器参数来适应系统的变化这一特点被应用在USM系统控制当中,它的控制特点也比较适合于USM这类非线性对象的控制。但是自适应控制策略的具体设计又要加入USM系统本体的结构和运行机理,才有可能达到预期的控制性能。

参考文献[10] 提出了极点配置自校正控制策略,该控制策略针对USM非线性特征,在线辨识USM参数的同时也在修改控制器参数,达到了良好的控制效果。极点配置自校正转速控制系统框图如图2 所示。图中R(z-1)/F(z-1),G(z-1)/F(z-1) 为系统控制器,Z-1B(z-1)/A(z-1) 为USM的差分模型。实验结果表明,响应时间较短的同时没有超调量。

为提高USM系统的动态性能,参考文献[13]设计了需要实时修整控制其结构和参数的自适应控制策略。该策略基于李雅普诺夫(Lyapunov) 理论,构建了USM系统模型参考自适应控制策略。致力于优化USM开始阶段的控制性能,设计了自适应速率的实时修正。

参考文献[14] 将MRAC引入USM系统位置控制,结构框图如图3 所示。根据xm(t )( 参考模型输出) 与x (t )(USM位置输出) 的偏差e,在自适应控制的基础上对F1(t ) 和F2(t ) 进行动态修改,使得USM系统时刻跟随参考模型位置的变化。由实验结果知,电机的每次运行都是从零转速开始的,所以系统在工作初期需要极速调整电机参数来适应变化。在系统初始阶段,参考输出与实际位置相距甚远,那么初始阶段的控制效果就不会很理想。

4 结语

众所周知,USM运行时具有严重的时变非线性,辨识方法建模成为主导,该方法在实验数据的基础上能够建立易于系统控制的模型。由于辨识方法建模越来越广泛,模型的形式也比较多,有差分方程形式、传递函数和神经网络形式等。随着对USM研讨的进一步深入,对USM系统(USM本体和驱动电路) 模型的要求也越发苛刻,首先要有精确性,其次还要有简单的结构,这将会促使科研者不断追求更有效、更精确的建模方法。