張 彬，刁愛民，樓京俊

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

船體結構技術狀態(tài)的超聲波實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

張 彬，刁愛民，樓京俊

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

為了更加經濟和快速地評估船舶結構技術狀態(tài)，文章研究了一種超聲波實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將超聲波測厚儀原理和船體結構強度校核方法相結合，利用超聲回波信號確定船體結構的技術狀態(tài)，采用RS-232串口進行數據傳輸，通過信息管理模塊、數據處理模塊、技術狀態(tài)評估模塊共同完成超聲波實時監(jiān)測的自動化管理。

船體結構；技術狀態(tài)；超聲波測厚；實時監(jiān)測系統(tǒng)

1 超聲波測厚原理

超聲波在固體介質中傳播時具有很好的方向性，對于不同介質，其傳播速度不同。本文選擇脈沖反射式超聲波測厚，即超聲波在不同介質的交界面?zhèn)鞑r會產生反射作用，只要測出超聲波脈沖的間隔時間，便可推算出材料的厚度d。

d=0.5ct，

(1)

式中：d為樣品厚度;c為超聲波速度;t為超聲波從發(fā)射到接收回波的時間。

2 超聲波實時監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2.1 系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)主要包括單片機控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)用于船體結構典型橫剖面的測厚,采用3點測量法，測點位置如圖1所示。船舶局部強度測點的選擇部位主要包括：局部腐蝕明顯的區(qū)域、首尖艙和尾艙內的構件、露天的主甲板、龍骨板、隔離艙、機艙船底板等。系統(tǒng)的總體設計如圖2所示。

圖1 3點測量鋼板剩余厚度的測點位置

2.2 系統(tǒng)的軟件設計

1)單片機控制系統(tǒng)的軟件設計。單片機控制系統(tǒng)程序[1]主要采用C語言進行編寫。在系統(tǒng)初始化到數據顯示有一套完整的流程，其主程序軟件流程如圖3所示。

2)計算機控制系統(tǒng)的軟件設計。計算機控制系統(tǒng)程序主要采用C語言進行編寫。對于基礎信息管理模塊，在用戶登陸到功能模塊操作有1套完整的流程，其程序軟件流程如圖4所示。

圖2 超聲波測厚系統(tǒng)

圖3 主程序軟件流程圖

圖4 信息管理流程圖

2.3 系統(tǒng)的處理過程設計

本文通過單片機控制系統(tǒng)得到了典型橫剖面、敏感構件的測厚數據，通過傳輸存儲到計算機控制系統(tǒng)。在役船舶船體結構技術狀態(tài)的超聲波實時監(jiān)測系統(tǒng)的平臺以船體結構技術狀態(tài)評估為主體，采集和存儲了船體結構技術狀態(tài)過程中船體結構總說明書，船舶履歷信息，典型橫剖面圖，剖面模數計算書，局部強度計算書以及由單片機控制系統(tǒng)導出的船體結構測厚數據等關鍵信息，創(chuàng)建基礎信息數據庫[2]，建立船舶船體結構總縱強度、局部強度在內的船體剩余強度的監(jiān)測評估系統(tǒng)，實現了船體結構強度校核的自動化管理，為在役船舶的安全服役提供了定量依據。船舶船體結構技術狀態(tài)評估系統(tǒng)模塊[3]如圖5所示。

圖5 船體結構技術狀態(tài)評估系統(tǒng)模塊

3 數據處理與誤差分析

3.1 數據處理

船舶船體結構強度校核是在已知測厚數據的基礎上進行的[4]。強度衡準主要是分為總縱強度衡準和局部強度衡準，總縱強度衡準主要包括船體剖面模數標準、許用應力標準等。本文的總縱強度衡準重點介紹船體剖面模數標準，并參考《鋼質海船入級與建造規(guī)范(2012)》(以下簡稱規(guī)范)。

一般情況下，設計船長L>65 m的船舶中部0.4～0.5L區(qū)域內，在甲板以及船底處的船體梁剖面模數應不小于規(guī)范要求的0.9倍。

本文主要討論船體各板材與構件的腐蝕損耗厚度，規(guī)范規(guī)定外板構件減薄量不應大于20%，典型剖面船體水線面下外板構件剩余厚度統(tǒng)計見表1所示。

表1 典型剖面水線面下外板構件剩余厚度統(tǒng)計表

3.2 誤差分析

船舶船體結構技術狀態(tài)的超聲波實時監(jiān)測系統(tǒng)在測厚時會產生誤差，該系統(tǒng)可能出現的誤差主要有[5]以下4方面。

1)耦合劑的影響。耦合劑的使用是將探頭與被測部件之間的空氣排除。由于系統(tǒng)屬于自動化管理，在工作時會造成耦合劑的損耗，影響測量效果與精度，需要定期檢查并添加被測部位的耦合劑。

2)探頭接觸面的損耗的影響。在役船舶經常執(zhí)行任務導致船體結構處于運動當中，加劇探頭接觸面的摩擦損耗，當測厚數據不穩(wěn)定時，可以考慮檢查并更換探頭。

3)溫度的影響。船體結構的溫度過高，可能會導致測厚數據失效，可以考慮在可能出現高溫的部位增加一個溫度補償處理電路。

4)應力的影響。在役船舶存在應力，應力會對聲速造成一定的影響。

4 結束語

本文的創(chuàng)新點主要包括：①國內外對于超聲波測厚的研究已日漸成熟，但對于船舶船體結構的超聲波監(jiān)測系統(tǒng)還未成形，在此背景下，提出了超聲波實時測厚技術對船舶船體結構的典型剖面、敏感部位進行實時監(jiān)測，形成一套具有報警功能的監(jiān)測系統(tǒng)；②將超聲波測厚與船舶船體結構技術狀態(tài)評估相結合，實現了船體結構強度校核的自動化管理，為船舶的安全服役提供了定量依據。

本文的展望有如下幾點：沒有考慮船體結構的溫度和應力，溫度或者應力過高，可能會導致測厚數據失效；單片機控制系統(tǒng)有很多個單片機組成，能否將所有的超聲波接收數據經過信號處理后，通過單個單片機進行傳輸，進而降低單片機的成本；對于船體結構技術狀態(tài)的監(jiān)測，未考慮變形、裂紋的影響因素，可以考慮將變形以及裂紋勘驗結果手動輸入。

[1] 王占元.基于單片機的便攜式超聲波測厚儀的研制[M].北京:北京化工大學,2011.

[2] 薩師煊,王珊.數據庫系統(tǒng)概論[M].3版.北京:高等教育出版社, 2002.

[3] 于淼.船體結構狀態(tài)監(jiān)測管理信息系統(tǒng)設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[4] 陳武,張岳林,蘇里陽.老齡船體強度校核中載荷及測厚數據的處理方法[J].江蘇船舶,2016(1):23-25.

[5] 張旭輝,馬宏偉.超聲無損檢測技術的現狀和發(fā)展趨勢[J].機械制造，2002(7):24-26.

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A conception is put forward for naval ships to be monitored with ultrasound real-time monitoring system of technical condition of the hull structure by combining the principle of ultrasonic thickness gauge and hull structure strength checking,collecting ultrasonic echo signal with software design.RS-232 is used in this system to transfer data,the data processing module and technical condition evaluation module work together to the automation management of the ultrasound real-time monitoring system.

hull structure;technical condition;ultrasonic thickness gauge;real-time monitoring system

張 彬(1986-)，男，四川瀘州人，在讀碩士研究生，研究方向為軍事裝備。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.009

2016-11-28