张 彬，刁爱民，楼京俊

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

船体结构技术状态的超声波实时监测系统研究

张 彬，刁爱民，楼京俊

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

为了更加经济和快速地评估船舶结构技术状态，文章研究了一种超声波实时监测系统。该系统将超声波测厚仪原理和船体结构强度校核方法相结合，利用超声回波信号确定船体结构的技术状态，采用RS-232串口进行数据传输，通过信息管理模块、数据处理模块、技术状态评估模块共同完成超声波实时监测的自动化管理。

船体结构；技术状态；超声波测厚；实时监测系统

1 超声波测厚原理

超声波在固体介质中传播时具有很好的方向性，对于不同介质，其传播速度不同。本文选择脉冲反射式超声波测厚，即超声波在不同介质的交界面传播时会产生反射作用，只要测出超声波脉冲的间隔时间，便可推算出材料的厚度d。

d=0.5ct，

(1)

式中：d为样品厚度;c为超声波速度;t为超声波从发射到接收回波的时间。

2 超声波实时监测系统总体框架

2.1 系统的总体设计

系统主要包括单片机控制系统和计算机控制系统。单片机控制系统用于船体结构典型横剖面的测厚,采用3点测量法，测点位置如图1所示。船舶局部强度测点的选择部位主要包括：局部腐蚀明显的区域、首尖舱和尾舱内的构件、露天的主甲板、龙骨板、隔离舱、机舱船底板等。系统的总体设计如图2所示。

图1 3点测量钢板剩余厚度的测点位置

2.2 系统的软件设计

1)单片机控制系统的软件设计。单片机控制系统程序[1]主要采用C语言进行编写。在系统初始化到数据显示有一套完整的流程，其主程序软件流程如图3所示。

2)计算机控制系统的软件设计。计算机控制系统程序主要采用C语言进行编写。对于基础信息管理模块，在用户登陆到功能模块操作有1套完整的流程，其程序软件流程如图4所示。

图2 超声波测厚系统

图3 主程序软件流程图

图4 信息管理流程图

2.3 系统的处理过程设计

本文通过单片机控制系统得到了典型横剖面、敏感构件的测厚数据，通过传输存储到计算机控制系统。在役船舶船体结构技术状态的超声波实时监测系统的平台以船体结构技术状态评估为主体，采集和存储了船体结构技术状态过程中船体结构总说明书，船舶履历信息，典型横剖面图，剖面模数计算书，局部强度计算书以及由单片机控制系统导出的船体结构测厚数据等关键信息，创建基础信息数据库[2]，建立船舶船体结构总纵强度、局部强度在内的船体剩余强度的监测评估系统，实现了船体结构强度校核的自动化管理，为在役船舶的安全服役提供了定量依据。船舶船体结构技术状态评估系统模块[3]如图5所示。

图5 船体结构技术状态评估系统模块

3 数据处理与误差分析

3.1 数据处理

船舶船体结构强度校核是在已知测厚数据的基础上进行的[4]。强度衡准主要是分为总纵强度衡准和局部强度衡准，总纵强度衡准主要包括船体剖面模数标准、许用应力标准等。本文的总纵强度衡准重点介绍船体剖面模数标准，并参考《钢质海船入级与建造规范(2012)》(以下简称规范)。

一般情况下，设计船长L>65 m的船舶中部0.4～0.5L区域内，在甲板以及船底处的船体梁剖面模数应不小于规范要求的0.9倍。

本文主要讨论船体各板材与构件的腐蚀损耗厚度，规范规定外板构件减薄量不应大于20%，典型剖面船体水线面下外板构件剩余厚度统计见表1所示。

表1 典型剖面水线面下外板构件剩余厚度统计表

3.2 误差分析

船舶船体结构技术状态的超声波实时监测系统在测厚时会产生误差，该系统可能出现的误差主要有[5]以下4方面。

1)耦合剂的影响。耦合剂的使用是将探头与被测部件之间的空气排除。由于系统属于自动化管理，在工作时会造成耦合剂的损耗，影响测量效果与精度，需要定期检查并添加被测部位的耦合剂。

2)探头接触面的损耗的影响。在役船舶经常执行任务导致船体结构处于运动当中，加剧探头接触面的摩擦损耗，当测厚数据不稳定时，可以考虑检查并更换探头。

3)温度的影响。船体结构的温度过高，可能会导致测厚数据失效，可以考虑在可能出现高温的部位增加一个温度补偿处理电路。

4)应力的影响。在役船舶存在应力，应力会对声速造成一定的影响。

4 结束语

本文的创新点主要包括：①国内外对于超声波测厚的研究已日渐成熟，但对于船舶船体结构的超声波监测系统还未成形，在此背景下，提出了超声波实时测厚技术对船舶船体结构的典型剖面、敏感部位进行实时监测，形成一套具有报警功能的监测系统；②将超声波测厚与船舶船体结构技术状态评估相结合，实现了船体结构强度校核的自动化管理，为船舶的安全服役提供了定量依据。

本文的展望有如下几点：没有考虑船体结构的温度和应力，温度或者应力过高，可能会导致测厚数据失效；单片机控制系统有很多个单片机组成，能否将所有的超声波接收数据经过信号处理后，通过单个单片机进行传输，进而降低单片机的成本；对于船体结构技术状态的监测，未考虑变形、裂纹的影响因素，可以考虑将变形以及裂纹勘验结果手动输入。

[1] 王占元.基于单片机的便携式超声波测厚仪的研制[M].北京:北京化工大学,2011.

[2] 萨师煊,王珊.数据库系统概论[M].3版.北京:高等教育出版社, 2002.

[3] 于淼.船体结构状态监测管理信息系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[4] 陈武,张岳林,苏里阳.老龄船体强度校核中载荷及测厚数据的处理方法[J].江苏船舶,2016(1):23-25.

[5] 张旭辉,马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].机械制造，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

张 彬(1986-)，男，四川泸州人，在读硕士研究生，研究方向为军事装备。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.009

2016-11-28