CN116839794A - 一种超声波检测管道内液体介质压力的方法 - Google Patents

一种超声波检测管道内液体介质压力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感压力测量技术领域，具体是一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，步骤如下：压力检测***采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面；发出脉冲指令，激光半导体光源发出的光耦合到入射光纤，入射光纤将光源的光射向弹性应变膜片的表面，弹性应变膜片通过入射光纤接收激光半导体光源的光束，光经弹性应变膜片表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径变形量，得到位移测量参数，本发明结构简单、安装方便、成本低，无需预留检测接口，可以方便的对液压***的工作状态进行检测，且方便携带，操作简单、便于现场使用。

Description

一种超声波检测管道内液体介质压力的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感压力测量技术领域，具体是一种超声波检测管道内液体介质压力的方法。
背景技术
随着工业化的发展，管道在我们日常生活中随处可见，供排水管道，消防管道，自来水管道，供热管道，工业生产的特殊管道***等等，对管道压力的监测需求也越来越多，液压传动技术相对于机械传动，液压传动的状态不易被监测，故障不易被诊断；相对于电传动技术，其状态参量不易被提取。准确监测管道压力，并在异常时发出告警，这是急需解决的问题。液压***的压力是反映管道***运行状态的重要参数之一。实施压力检测是保证***安全运行的必要条件。气体或液体输送管道内部的压力检测是监测管道***运行状态和进行管道故障诊断的主要方法和手段。现场诊断与解决管道故障时，最困难的一点是获取与管道性能紧密相关的信息，如：加速度、应力、压力等。其中，压力这个参数是最难以获得的。传统的压力检测方法大部分是介入式检测方法，比如机械式、压敏元件式、测压仪表等。必须与被测介质进行接触。这些方法测压点不易变动，且破坏管道结构的整体性，特别在高压条件下，容易留下安全隐患。液压***中，如石油管道、自来水管道、天然气管道，气体或液体输送管道内部的压力检测是保证管道***正常运行和进行管道故障诊断的重要方法和手段，长期以来采用的测量方法主要是介入式。介入式检测一般需要在被测容器上开孔，然后在开孔位置装入截止阀，将被测介质引流到压力检测仪表的敏感元件处，测出介质的压力值。如果在管道上钻孔以安装介入式传感器，会破坏管道的完整性。这种在管上开孔的介入式检测不仅破环了管道的整体性，会出现应力集中的现象，降低管道强度，影响***安全性，特别是在复杂的压力管道***中安装检测装置相当困难，甚至在某些情况下不被允许，这也就使得管道***介入式检测压力在实际应用中陷入困境。这些方法要么是在管道特定部位预先接入压力仪表或者放入压力传感器，要么是在管外进行应力应变测量。这些检测方法的优点是测量理论和技术成熟，设备成本较低，可靠性高，测量精度较高。但也存在一些缺点，比如必须在管道***的设计时预先确定测压部位，一旦接入就很难改动，这种方法一般破坏了管道***的整体特性，特别是高压管道易造成事故。另外在有些场合根本就无法安装介入式测量***。在石油、天然气等行业中，由于其具有易燃、易爆、具有强腐蚀性等一些特点，则需要进行非接触测压，而现有的介入时测压法是需要接触介质，无法满足此类需求，这时需要寻求非介入式管道测压方法或非接触式测压方法。在这种背景下，非接触式测压方法的检测介质可以是超声波，各种射线，热，电磁波和激光等.它们的共同特点是能把检测源安装在管道外壁，利用其提供的检测介质来间接感知液体的流动信号。非介入式管道压力检测理论和方法，通常采用超声波作为管道压力测试手段。这是基于液体中的超声波传播特性参数(如衰减系数、声速等)对压力变化敏感的性质。由于声衰减系数在检测过程中存在诸多不确定性，易受外界条件干扰。现有非介入式超声管道测压方法的不足主要表现在对测量不同管材、管径的管道压力适应能力差；低压测量误差大弹性应变膜片温度、流速波动对测量准确度影响大。目前，人们对非接触式测压方法的研究进行了许多艰辛的探索，也推出了不少产品。例如基于管道弹性变形的非接触式液压检测方法就是其中成果之一，它是利用液体介质对金属管壁产生压力，从而使管道径向产生弹性形变的基本原理.通过检测管道外径的微小变形量算出管道内部压力.这种方法无论是用LVDT弹性应变膜片位移传感器还是用电容式传感器都必须配有专用夹具来固定.安装操作比较麻烦，而夹具体积较大，当管道排列较密时，其弹性应变膜片应用受到限制。
现代化液压设备日趋精密和复杂，随之而来的***故障引起的损失也同步增长。只有在尽可能短的时间内，正确诊断故障之所在，及时修复，才有可能将损失降低到最低程度。液压***的故障定位需要许多部位的压力读数，以便科学地诊断失效元件。在已知的管道内液体、气体压力进行测量中，现有的光纤压力传感器将光纤缠绕成线圈围绕在管道上，并在光纤上分布布拉格光栅，通过测试光纤长度的变化来获得管道内的压力变化，由于需要将光纤缠绕在管道上，安装困难，成本高，实际应用较少。如果在管壁外加一个刚性框，压电传感器在框体与管道之间，初始值的给定可以通过调整螺母进行。这种形式的缺点是结构复弹性应变膜片杂，对框体的刚性要求很高。这样就会造成框体笨重，携带不方便，如果采用刚度高，重量轻的材料就会造成造价高。
目前，虽然液压测量方法种类繁多，但其上述测量方法在液压***故障诊断中遇到重挑战。这是因为在故障定位过程中，临时需检测压力的部位较多，而在这些部位安装压力表或压力传感器是十分困难或不允许的，由此只能延误修复，造成更大的损失。由于功率值的测量用传统的方法在管道安装仪表方可进行，这在工程实现中有很大的困难。功率为压力和流量的乘积，压力测量尤其是流量测量的一般传统方法会对液体流动产生很大影响，大多数精密***都不允许这样做。因为***式测量方法一方面使***的初装费用增加，另一方面又会使***的可靠性下降，同时使***的体积增大，效率降低。尤其是不能输出与被测物理量成正比的电信号。因此在实用中必须开发出高效低成本的信号解调***。这种方法的光源、信号解调比较复杂，通过数据的采集后的运算较为困难。同时，动态特性不好，还有待解决。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种结构简单、安装方便、成本低，可靠性高，抗电磁干扰能力强、动态测量范围宽的超声波检测管道内液体介质压力的方法。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，包括如下步骤：
基于光纤反射技术进行非介入式的压力检测***采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面；压力检测***发出脉冲指令，激光半导体(LD)光源发出的光耦合到入射光纤，入射光纤将光源的光射向弹性应变膜片的表面，弹性应变膜片通过入射光纤接收激光半导体光源的光束，光经弹性应变膜片表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生一定反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径微小变形量，得到相应的位移测量参数，实现位移/光强转换反射到另一根反射光纤中，反射光纤接收后，反射光经过反射光纤耦合，传递给反射光纤末端的接收器，接收器根据采集到的反射光功率，检测出接收到光信号强度，求得被测信号的大小，根据反射光信号强度推算出管壁随弹性模表面与光纤之间距离d求得被测信号大小变化而变化的变形量，再根据管壁的变形量胡克定律，计算出管道内液体压力变化值；完成了管道液体的压力变化计量后，接收器利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，获得所需要的被测量的信息，将光强信号转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大、检波、滤波，对所测得的模拟信号进行模数A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，计算出管道液体动态压力值和动态流量，利用入射光纤与反射光纤之间的发射光强度耦合效率和相对位置关系反映被测位移量变化大小，利用动量冲量式和容积式流体振荡原理，确定液体结构的耦合系数，评估流体脉动对管道性能的影响，实现管道内应力值等于管道内压强值非介入式管道液体压力、流量变化的动态测量。
进一步地，光源光从入射光纤的A端，传播到入射光纤的B端，光到达弹性应变膜片表面处，经表面反射到反射光纤的C端，经反射光纤的D端被接收器进行接收，再对接收的光信号进行处理，接收器根据管道液体压力引起管道产生一定变形量，变形量变化影响光纤接收到光功率，反过来根据采集到的反射光功率，推算出管道管壁的变形量，根据管道管壁的变形量，推断出管道内液体压力变化，通过广义胡克定律得到管道内液体应力与应变关系式：
且管道内应力值等于管道内压强值，从而完成了管道液体的压力变化计量，式中，E表示导管材料的弹性模量，εx为x方向的线应变，εy为y方向的线应变，εz为z方向的线应变，σx为x方向应力，σy为y方向应力，σz为z方向应力，v为泊松比。
进一步地，当启动压力检测***时，激光半导体产生的脉冲信号通过入射光纤传输数据，输出主控脉冲至发射单元，反射光纤通过光纤光电转换器进行光电转换，滤波、检波和模数A/D转换送入单片机单元。
更进一步地，单片机单元主控激光半导体脉冲产生，对接收单元输出的时间信号进行信号检测、数字滤波、参数预置、声速计算及传输功能，经计算后得到声速，通过并行接口与键盘相连，接收命令及参数通过通讯接口送到数据处理计算机进行处理得到压力值，对于预置参数在显示模块进入显示器上显示。
再进一步地，针对管道管壁弹性变形及产生应变，会使弹性应变膜片与入射光纤的B端和反射光纤的C端的距离d发生改变，再引起接收到的反射光强度发生变化，接收器根据测出光强度变化和时测量的结果进行运算，推算出改变量，从而推算出管壁压强变化。
再进一步地，弹性应变膜片与入射光纤的B端和反射光纤的C端的距离d与接收到的光强度M形成直角坐标经验分布曲线，当测得值的总数n很大，各组测得值的间距很小时，所得的经验分布曲线就趋近于光滑曲线，即理论分布曲线，从曲线的形状来看，当d＜d0时，接收光纤无法接收到光，此区域为死区；当d＞d1时，曲线斜率为负且逐渐减小，灵敏度相对较差，当初始距离d0＜d＜d1时，d处于此部分区域时，接收到的光强度M与距离d几乎成线性关系，d0初始距离，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离。
进一步地，压力检测***根据超声波在液体中传播的声时t＝t1-t2，压力P和超声波在液体中的传播速度声速C呈非线性函数关系，采用最小二乘法统计标定数据，经过数学模型处理后进行曲线拟合，得到多项式回归方程：P＝∑k(C-Cn)；
式中，t1为发射脉冲与接收回波之间的时间间隔，t2为发射脉冲与接收穿透波之间的时间间隔，Cn为压力为零时对应的初始声速，系数k用最小二乘法确定。
更进一步地，距离d在d0＜d＜d1时，采用现场测量的方法测量出波速a，经计算，初始距离d0＝a/2T，d1＝(a+2r)/2T，T＝tan(sin-1NA)，反射光纤端面受光纤光锥照射的表面所占百分比α为：
被反射光纤接收的入射光功率百分数为：
R＝r+2dI
其中，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离，N是反映应变片测量动态应变能力的工作特性，A表示在定义域内是x的单调减函数，δ表示应变系数，r表示被测管道的内径，Pn表示反射光功率、P1表示入射光功率，F是耦合效率，dT表示对传播的声时t求导，NA是代表数值孔径(Numerical Aperture)，是用来描述光纤或透镜等光学器件收集和聚焦光线能力的参数。
更进一步地，首先取被测管道，清洁被测管道待测点表面，光纤外部涂覆保护膜层，保护膜为碳涂层、聚酰亚胺涂层；把弹性应变膜片均匀平整地贴在管壁上，入射光纤和反射光纤安装在保护膜外侧，调整光纤与弹性应变膜片为合适距离d0＜d＜d1，两光纤安装点与管道中心线相互水平安装，其次，当被测管道内加压数值已知，根据接收到的光信号，压力检测***根据公式(2)～(4)计算出入射和反射光纤和弹性应变膜表面之间距离d，d与管道内未加压时的距离记作d0之间的差值，即作为管壁受压变形量，根据公式(1)，最后计算出管道内压力，此部分由压力检测***自动算出管道液体压力值与已知加压数值做比较，检验误差范围。
进一步地，压力检测***基于液压***压力变化引起液体声速变化，利用人工神经网络对超声波声速测压***进行综合校正，模拟生物神经网络结构特征和功能特征的并行处理网络，选取三层BP网络，以声速、密度为输入，以压力为输出，以稀疏分量分解技术求解超声回波时延，计算出超声回波时延，通过确定隐层节点数和网络的权重，利用工神经网络训练集来训练网络，得到压力与超声波时延特征关系模型，然后在联机的情况下，利用网络的前向传播功能获得校正后的压力值。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明针对管道形状及工艺参数，采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面，结构简单、安装方便、成本低，无需预留检测接口，可以方便的对液压***的工作状态进行检测，且方便携带，操作简单、便于现场使用。膜片表面镀有金属涂层(铝或金等)，可以对光起到很好地反射作用。利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，压力大小与发射光强度成一定关系的原理，可实现非介入式管道液体压力变化的测量，可以准确反映幅值和频率特性。这种方法的优点是可以方便的改变压力测量点的位置，而不是只针对固定的管段。不仅测压精度高、容易调试，而且避免破坏管道的完整性和压力探头测量位置不方便的问题。
本发明基于液压***变化引起油液声速变这一物理特，以普通钢质液压管道为工程对象，采用激光半导体(LD)光源发出的光耦合到入射光纤，可以从根本上解决通常光纤传感器由于光源波动影响测量精度以及温漂、时漂等难题，光源发射电路采用差分形式、降低了电子线路的共模干扰。使非测量信号的干扰得到较好的抑制，有效地防止了多路并行信号的“串扰”问题。入射光纤将上述光源的光射向弹性应变膜片的表面，弹性应变膜片通过入射光纤接收激光半导体光源的光束，核心部件光纤具有灵敏度高、耐高温、防爆、防腐蚀、耐水性好、安全可靠，适合恶劣环境下的使用。采用压力转换成形变量，形变量转换成光传递，光传递转换成电信号，最终通过电信号处理推断压力变化的思想。本质是测量压力变化值，不是直接测出管道液体压力值，可直接观察管壁压力值的动态变化。研究结果表明，弹性应变膜片入射光纤、反射光纤输出信号之比，与测量距离的变化有较好的线性关系，并能显著减少光源发光强度波动及被测表面粗糙度对位移测量结果的影响，弹性应变膜片利用双路信号强度比值与位移量的对应关系进行测量，有利于提高抗干扰能力和测量精度。
本发明在光经弹性应变膜表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生一定反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径微小变形量，得到相应的位移测量参数，实现位移/光强转换反射到另一根反射光纤中，反射光纤接收，反射光经过反射光纤耦合，传递给反射光纤末端的接收器，接收器根据采集到的反射光功率，检测出接收到光信号强度，求得被测信号的大小，可靠性高。管道液体压力引起管道产生一定变形量，变形量变化影响光纤接收到光功率。反过来，根据采集到的反射光功率，可推算出管壁的变形量，根据管壁的变形量，可推断出管道内液体压力变化，从而完成了管道液体的压力变化计量。输出量的大小与反射光量大小成正比，输出信号对于光强度变化的灵敏度比对于位移变化的灵敏度大得多，不存在容量问题，而且辐射密度适中，发射光谱均匀且窄，受环境光的影响小。
本发明在完成了管道液体的压力变化计量后，接收器利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息，将光强信号转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大、检波、滤波，对所测得的模拟信号进行模数A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，计算出管道液体动态压力值和动态流量，动态测量范围宽，解决了传统的单端输出Y型分支结构的反射式光纤传感器易受入射光强变化、被测表面形貌不同等因素影响的问题。
本发明利用入射光纤与反射光纤之间的发射光强度耦合效率和相对位置关系反映被测位移量变化大小，利用动量冲量式和容积式流体振荡原理，确定液体结构的耦合系数，评估液体脉动对管道性能的影响，实现管后道内应力值等于管道内压强值非介入式管道液体压力、流量变化的动态测量。该方法有很高的精度和响应频率，不但完全克服管道壁厚影响.而且有效地消除固有声电延时误差。
本发明从动态特性与静态特性两个方面，综合利用了超声波的方向性好、能量高、穿透能力强、遇界面产生反射和折射等重要特性，从根本上突破了传统压力测试仪表的感应压力元件必须和液体相接触这一限制。从而便于实现封闭液压***多个部位内部压力的外部测量。可以根据测量要求，用实时测量的结果，提供现场管道压力非介入式测试服务；只要能传播液体都可用此法来测量，尤其适用于测量腐蚀性液体、高粘度液体、非导电性液体或气体的流量。在工程上，可以方便的对液压***的工作状态进行检测，进而判断***的工作状态，为实现液压***的视情维修提供技术手段，对提高液压***的可靠性与可维修性提供一定帮助。
附图说明
图1是本发明压力检测***的测压原理示意图。
图2是图1的信号控制原理示意图。
图3是弹性应变膜片反射光纤与可移动反射面的光路示意图。
图4是针对管道管壁弹性变形推算管壁压强变化的示意图。
图5是直角坐标经验分布曲线示意图；
图中：1-管道、2-弹性应变膜片、3-激光半导体光源、4-入射光纤，5-反射光纤，6-接收器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
需要指出的是，本发明实施例中所有的方向性指示(诸如两侧、边缘、上、下、左、右、前、后、中、顶端、底端、尾部、轴向、径向…)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动状态等，如该特定姿态发生改变时，则方向性指示也相应随之改变。
实施例1
一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，包括如下步骤：
基于光纤反射技术进行非介入式的压力检测***采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面；压力检测***发出脉冲指令，激光半导体(LD)光源发出的光耦合到入射光纤，入射光纤将光源的光射向弹性应变膜片的表面，弹性应变膜片通过入射光纤接收激光半导体光源的光束，光经弹性应变膜片表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生一定反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径微小变形量，得到相应的位移测量参数，实现位移/光强转换反射到另一根反射光纤中，反射光纤接收后，反射光经过反射光纤耦合，传递给反射光纤末端的接收器，接收器根据采集到的反射光功率，检测出接收到光信号强度，求得被测信号的大小，根据反射光信号强度推算出管壁随弹性模表面与光纤之间距离d求得被测信号大小变化而变化的变形量，再根据管壁的变形量胡克定律，计算出管道内液体压力变化值；完成了管道液体的压力变化计量后，接收器利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，获得所需要的被测量的信息，将光强信号转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大、检波、滤波，对所测得的模拟信号进行模数A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，计算出管道液体动态压力值和动态流量，利用入射光纤与反射光纤之间的发射光强度耦合效率和相对位置关系反映被测位移量变化大小，利用动量冲量式和容积式流体振荡原理，确定液体结构的耦合系数，评估流体脉动对管道性能的影响，实现管道内应力值等于管道内压强值非介入式管道液体压力、流量变化的动态测量。
本发明针对管道形状及工艺参数，采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面，结构简单、安装方便、成本低，无需预留检测接口，可以方便的对液压***的工作状态进行检测，且方便携带，操作简单、便于现场使用。膜片表面镀有金属涂层(铝或金等)，可以对光起到很好地反射作用。利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，压力大小与发射光强度成一定关系的原理，可实现非介入式管道液体压力变化的测量，可以准确反映幅值和频率特性。这种方法的优点是可以方便的改变压力测量点的位置，而不是只针对固定的管段。不仅测压精度高、容易调试，而且避免破坏管道的完整性和压力探头测量位置不方便的问题。
实施例2
参阅图1、图2。根据本发明，基于光纤反射技术进行非介入式的压力检测***，压力检测***采用反射式光纤技术将弹性应变膜片2，直接粘贴附着在被检测压力管道1的外管壁上面；压力检测***发出脉冲指令，激光半导体光源3发出的光耦合到入射光纤4，入射光纤4将上述光源3的光射向弹性应变膜片2的表面，弹性应变膜片2通过入射光纤4接收激光半导体光源3的光束，光经弹性应变膜片2表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生一定反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径微小变形量，得到相应的位移测量参数，实现位移/光强转换反射到另一根反射光纤5中，反射光纤5接收，反射光经过反射光纤耦合，传递给反射光纤末端的接收器6，接收器6根据采集到的反射光功率，检测出接收到光信号强度，求得被测信号的大小，根据反射光信号强度推算出管壁随弹性模表面与光纤之间距离d求得被测信号大小变化而变化的变形量，再根据管壁的变形量胡克定律，计算出管内液体压力变化值；完成了管道液体的压力变化计量后，接收器利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，获得所需要的被测量的信息，将光强信号转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大、检波、滤波，对所测得的模拟信号进行模数A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，计算出管道液体动态压力值和动态流量，利用入射光纤与反射光纤之间的发射光强度耦合效率和相对位置关系反映被测位移量变化大小，利用动量冲量式和容积式流体振荡原理，确定液体结构的耦合系数，评估流体脉动对管道性能的影响，实现管道内应力值等于管道内压强值非介入式管道液体压力、流量变化的动态测量。
光源光经从入射光纤A端，传播到B端，光到达弹性应变膜片表面处，经表面反射到反射光纤C端，经D端被接收器进行接收，再对接收的光信号进行处理，接收器根据管道液体压力引起管道产生一定变形量，变形量变化影响光纤接收到光功率，反过来根据采集到的反射光功率，推算出管道管壁的变形量，根据管道管壁的变形量，推断出管道内液体压力变化，通过广义胡克定律得到管道内液体应力与应变关系式：
且管道内应力值等于管道内压强值，从而完成了管道液体的压力变化计量，式中，E表示导管材料的弹性模量，εx为x方向的线应变，εy为y方向的线应变，εz为z方向的线应变，σx为x方向应力，σy为y方向应力，σz为z方向应力，v为泊松比。
当启动压力检测***工作时，激光半导体产生的脉冲信号通过入射光纤传输数据，输出主控脉冲至发射单元，反射光纤通过光纤光电转换器进行光电转换，滤波、检波和模数A/D转换送入单片机单元，该单片机单元主控激光半导体脉冲产生，对接收单元输出的时间信号进行信号检测、数字滤波、参数预置、声速计算及传输功能，经计算后得到声速，通过并行接口与键盘相连，接收命令及参数通过通讯接口送到数据处理计算机进行处理得到压力值。对于预置参数.除在显示模块进入显示器上显示。
参阅图3和图4。由于管道内压力的变化，引起管道管壁发生弹性变形，考虑到弹性应变膜片弹性模量E在较大范围内的变化，给出最大值与最小值之间变化时***内的参数变化范围，不能使用某个确定值，或者确定的函数关系设定弹性模量从而进行计算与设计，管道的动态特性计算必须考虑液压介质弹性模量的变化，否则计算结果误差大；如果要得到可以工程应用的结果，必须用实时测量的结果进行运算。本实施例中针对管道管壁弹性变形，当管道内压强达到一定值，会引起塑性变形，需要对数值关系式进行调整处理。管道管壁产生应变，从而会使弹性应变膜片与入射光纤B端和反射光纤C端的距离d发生改变，再引起接收到的反射光强度发生变化，接收器反过来根据测出光强度变化和时测量的结果进行运算，推算出改变量，从而推算出管壁压强变化。
在可选的实施例中采用现场测量的方法测量出管壁截面积的波速a，经计算，初始距离d0＝a/2T，＝d1＝(a+2r)/2T，T＝tan(sin-1NA)，反射光纤端面受光纤光锥照射的表面所占百分比α为：
被反射光纤接收的入射光功率百分数为：
R＝r+2dT
其中，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离，N是反映应变片测量动态应变能力的工作特性，A表示在定义域内是x的单调减函数，δ表示应变系数，r表示被测管道的内径，P0表示反射光功率、P1表示入射光功率，F是耦合效率，dT表示对传播的声时t求导，NA是代表数值孔径(Numerical Aperture)，是用来描述光纤或透镜等光学器件收集和聚焦光线能力的参数。
在可选的实施例中，入射和反射光纤直径取200μm，a值取100μm，NA值为0.5，光纤之间距离d以两光纤边与边的最近值，光耦合效率为3.6％，计算出d值为200μm，当光耦合效率则为7.2％时，d值为320μm，可知，d的变化量为120μm，根据胡克定律，经过控制器即可计算出管内液体压力变化值。
参阅图5。弹性应变膜片与入射光纤B端和反射光纤C端的距离d与接收到的光强度M形成如图5所示的直角坐标经验分布曲线，当测得值的总数n很大，各组测得值的间距小时，所得的经验分布曲线就趋近于光滑曲线，即理论分布曲线，从曲线的形状来看，当d＜d0时，接收光纤无法接收到光，此区域为死区；当d＞d1时，曲线斜率为负且逐渐减小，灵敏度相对较差，当初始距离d0＜d＜d1时，d处于此部分区域时，接收到的光强度M与距离d几乎成线性关系，d0初始距离，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离。灵敏度也比较好；因此，距离d在d0＜d＜d1时，测量效果比较理想。
压力检测***根据超声波在液体中传播时t＝t1-t2，压力P和超声波在液体中的传播速度声速C呈非线性函数关系，采用最小二乘法统计标定数据，经过数学模型处理后进行曲线拟合，得到多项式回归方程：P＝∑k(C-Cn)
式中，t1为发射脉冲与接收回波之间的时间间隔，t2为发射脉冲与接收穿透波之间的时间间隔，Co为压力为零时对应的初始声速，系数k用最小二乘法确定。
在本实施例中，首先，取被测管道，清洁被测管道待测点表面，光纤外部涂覆保护膜层，保护膜为碳涂层、聚酰亚胺涂层等；把弹性应变膜片均匀平整地贴在管壁上，入射光纤和反射光纤安装在膜外侧，调整光纤与弹性应变膜片为合适距离(d0＜d＜d1)，两光纤安装点与管道中心线相互水平安装，其次，当被测管道内加压数值已知，根据接收到的光信号，压力检测***根据公式(2)～(4)计算出入射和反射光纤和弹性应变膜表面之间距离d，d与管道内未加压时的距离记作d0之间的差值，即作为管壁受压变形量，根据公式(1)，最后计算出管道内压力，此部分由压力检测***自动算出管道液体压力值与已知加压数值做比较，检验本发明的误差范围。***检验合格后，即可利用本***对管道进行非接触测压。由于传统的数学方法来建立综合校正模型较困难。因此，压力检测***基于液压***压力变化引起液体声速变化，利用人工神经网络对超声波声速测压***进行综合校正，模拟生物神经网络结构特征和功能特征的并行处理网络，选取三层BP网络，以声速、密度为输入，以压力为输出，以稀疏分量分解技术求解超声回波时延，计算出超声回波时延，通过确定隐层节点数和网络的权重，利用工神经网络训练集来训练网络，得到压力与超声波时延特征关系模型，然后在联机的情况下，利用网络的前向传播功能获得校正后的压力值。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：包括如下步骤：
压力检测***采用反射式光纤技术将弹性应变膜片直接粘贴附着在被监测外管壁上面；压力检测***发出脉冲指令，激光半导体光源发出的光耦合到入射光纤，入射光纤将光源的光射向弹性应变膜片的表面，弹性应变膜片通过入射光纤接收激光半导体光源的光束，光经弹性应变膜片表面反射后，光从膜片表面感测管道液体压力引起管道产生反映被测压力的变形量，根据液体介质对金属管壁产生压力，检测管道外径微小变形量，得到位移测量参数，实现位移/光强转换反射到另一根反射光纤中，反射光纤接收后，反射光经过反射光纤耦合，传递给反射光纤末端的接收器，接收器根据采集到的反射光功率，检测出接收到光信号强度，求得被测信号的大小，根据反射光信号强度推算出管壁随弹性模表面与光纤之间距离d求得被测信号大小变化而变化的变形量，再根据管壁的变形量胡克定律，计算出管道内液体压力变化值；完成了管道液体的压力变化计量后，接收器利用弹性应变膜片在压力作用下变形调制反射光功率信号，获得所需要的被测量的信息，将光强信号转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大、检波、滤波，对所测得的模拟信号进行模数A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，计算出管道液体动态压力值和动态流量，利用入射光纤与反射光纤之间的发射光强度耦合效率和相对位置关系反映被测位移量变化大小，利用动量冲量式和容积式流体振荡原理，确定液体结构的耦合系数，评估流体脉动对管道性能的影响，实现管道内应力值等于管道内压强值非介入式管道液体压力、流量变化的动态测量。
2.根据权利要求1所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：光源光从入射光纤的A端，传播到入射光纤的B端，光到达弹性应变膜片表面处，经表面反射到反射光纤的C端，经反射光纤的D端被接收器进行接收，再对接收的光信号进行处理，接收器根据管道液体压力引起管道产生变形量，变形量变化影响光纤接收到光功率，根据采集到的反射光功率，推算出管道管壁的变形量，根据管道管壁的变形量，推断出管道内液体压力变化，通过广义胡克定律得到管道内液体应力与应变关系式：
且管道内应力值等于管道内压强值，从而完成了管道液体的压力变化计量，式中，E表示导管材料的弹性模量，εx为x方向的线应变，εy为y方向的线应变，εz为z方向的线应变，σx为x方向应力，σy为y方向应力，σz为z方向应力,υ为泊松比。
3.根据权利要求2所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：当启动压力检测***时，激光半导体产生的脉冲信号通过入射光纤传输数据，输出主控脉冲至发射单元，反射光纤通过光纤光电转换器进行光电转换，滤波、检波和模数A/D转换送入单片机单元。
4.根据权利要求3所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：单片机单元主控激光半导体脉冲产生，对接收单元输出的时间信号进行信号检测、数字滤波、参数预置、声速计算及传输功能，经计算后得到声速，通过并行接口与键盘相连，接收命令及参数通过通讯接口送到数据处理计算机进行处理得到压力值，对于预置参数在显示模块进入显示器上显示。
5.根据权利要求4所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：针对管道管壁弹性变形及产生应变，会使弹性应变膜片与入射光纤的B端和反射光纤的C端的距离d发生改变，再引起接收到的反射光强度发生变化，接收器根据测出光强度变化和时测量的结果进行运算，推算出改变量，从而推算出管壁压强变化。
6.根据权利要求5所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：弹性应变膜片与入射光纤的B端和反射光纤的C端的距离d与接收到的光强度M形成直角坐标经验分布曲线，当测得值的总数n很大，各组测得值的间距很小时，所得的经验分布曲线就趋近于光滑曲线，当d<d0时,接收光纤无法接收到光，此区域为死区；当d>d1时，曲线斜率为负且逐渐减小，灵敏度相对较差，当初始距离d0<d<d1时，d处于此部分区域时，接收到的光强度M与距离d几乎成线性关系，d0初始距离，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：压力检测***根据超声波在液体中传播的声时t＝t1-t2，压力P和超声波在液体中的传播速度声速C呈非线性函数关系，采用最小二乘法统计标定数据，经过数学模型处理后进行曲线拟合，得到多项式回归方程：P＝∑k(C-Co)；
式中，t1为发射脉冲与接收回波之间的时间间隔，t2为发射脉冲与接收穿透波之间的时间间隔，Co为压力为零时对应的初始声速，系数k用最小二乘法确定。
8.根据权利要求1所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：距离d在d0<d<d1时，采用现场测量的方法测量出波速a，经计算，初始距离d0＝a/2T，d1＝(a+2r)/2T，T＝tan(sin-1NA)，反射光纤端面受光纤光锥照射的表面所占百分比α为：
被反射光纤接收的入射光功率百分数为：
R＝r+2dT
其中，d1代表d0到经验分布曲线峰值之间的距离，N是反映应变片测量动态应变能力的工作特性，A表示在定义域内是x的单调减函数，δ表示应变系数，r表示被测管道的内径，P0表示反射光功率、Pi表示入射光功率，F是耦合效率，dT表示对传播的声时t求导，NA是代表数值孔径(Numerical Aperture)，是用来描述光纤或透镜等光学器件收集和聚焦光线能力的参数。
9.根据权利要求8所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：首先取被测管道，清洁被测管道待测点表面，光纤外部涂覆保护膜层，保护膜为碳涂层、聚酰亚胺涂层；把弹性应变膜片均匀平整地贴在管壁上，入射光纤和反射光纤安装在保护膜外侧，调整光纤与弹性应变膜片为合适距离d0<d<d1，两光纤安装点与管道中心线相互水平安装，其次，当被测管道内加压数值已知，根据接收到的光信号，压力检测***根据公式(2)～(4)计算出入射和反射光纤和弹性应变膜表面之间距离d，d与管道内未加压时的距离记作d0之间的差值，即作为管壁受压变形量，根据公式(1)，最后计算出管道内压力，此部分由压力检测***自动算出管道液体压力值与已知加压数值做比较，检验误差范围。
10.根据权利要求9所述的一种超声波检测管道内液体介质压力的方法，其特征在于：压力检测***基于液压***压力变化引起液体声速变化，利用人工神经网络对超声波声速测压***进行综合校正，模拟生物神经网络结构特征和功能特征的并行处理网络，选取三层BP网络，以声速、密度为输入，以压力为输出，以稀疏分量分解技术求解超声回波时延，计算出超声回波时延，通过确定隐层节点数和网络的权重，利用工神经网络训练集来训练网络，得到压力与超声波时延特征关系模型，然后在联机的情况下，利用网络的前向传播功能获得校正后的压力值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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