CN101819031B - 一种基于导波技术的管棚结构中多孔管长度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于导波技术的管棚结构中多孔管长度检测方法，属于无损检测领域；该方法是先将检测频率值输入任意函数发生器产生中心频率为此频率的窄带信号，经功率放大器、转换开关、传感器阵列，在多孔管中激励导波；该导波遇到多孔管的端面将产生反射，反射波又经传感器阵列、转换开关传输至数字示波器；至此可确定该反射波在多孔管中的传播时间；确定多孔管的外径与壁厚，在不考虑孔的情况下计算纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，从中获取检测频率所对应的导波模态和群速度，用此群速度乘以传播时间，除以2，即可得多孔管的检测长度。本发明具有检测准确度高，检测成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于导波技术的管棚结构中多孔管长度检测方法，属于无损检测领域。
背景技术
公路与铁路隧道建设、水电站地下厂房、国防和人防工程以及城市建设等工程中大量采用管棚支护技术(即将管棚埋入岩石或土壤中以增强岩石或土壤的支护能力)。由于工作环境较恶劣，如水分、潮湿空气、雨水等液体渗入到金属管棚中，致使管棚结构中的多孔管发生局部腐蚀，从而引起应力集中，并导致其断裂，或因土层、岩层的横向滑动，使其应力状况发生改变，从轴向拉应力变为横向剪应力，最终导致管棚结构中的部分或全部多孔管道被剪断而失效。除此之外，施工过程中，个别施工方为谋取不正当利益，偷工减料，往往擅自缩短管棚结构中多孔管的长度，使其承载强度达不到设计要求，给岩土工程造成潜在的事故隐患。由于这几种导致管棚支护失效的情况存在着很强的隐蔽性，因此对其进行有效的检测存在很大的困难。
目前国内外虽然已经对管棚支护理论以及其施工工艺有不少研究探索，但是在检测其施工质量以及服役状况方面，尚没有任何研究报道。
发明内容
本发明的目的在于利用导波无损检测技术对管棚结构中多孔管道的长度进行检测，能够快速、准确地检测其长度。
本发明为一种基于导波技术的管棚结构中多孔管长度检测方法，该方法是按以下步骤实施检测的：
1)确定管棚结构中多孔管的外径与壁厚，根据外径与壁厚计算多孔管中纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，这里无需考虑多孔管管体上所分布的孔对频散曲线的影响；
2)在多孔管7的一端沿周向均匀布置一组传感器，该组传感器并联成一个传感器阵列4；
3)选取小于40kHz的频率作为检测频率，并从步骤1)中所述的纵向轴对称模态导波群速度频散曲线中得到该检测频率所对应纵向轴对称模态导波的群速度；
4)将所选检测频率值输入任意函数发生器1，任意函数发生器1生成中心频率为该检测频率的窄带信号，经功率放大器2放大后，通过转换开关3传输至多孔管7端部的传感器阵列4，从而在多孔管7中激励纵向轴对称模态导波；该模态导波遇到多孔管7的端部即产生端面反射回波，并由同一传感器阵列4接收此端面回波信号，经转换开关3传输至数字示波器5；通过数字示波器5显示端面反射回波并得到数据，由此即可确定该端面回波在多孔管7中传播单个来回所用的总的传播时间，利用步骤3)中所述的群速度乘以端面回波的传播时间，除以2，即可得到多孔管7的长度。
本发明的优点在于：
1)本发明可以检测管棚结构在安置过程中的施工情况，即可以防止施工工人在施工过程中为了节省工时或者为了牟取私利而私自将管棚结构中的多孔管截短，造成施工质量达不到设计要求的隐患；
2)本发明也可以用来检测管棚结构中的多孔管在服役过程中发生的断裂和失效。通过本发明所述的检测方法，可以确定管棚结构中多孔管断裂的位置，断裂的根数，由此可提前采取补救措施，防止管棚结构中多孔管的断裂数量增加而造成更大的隐患。
附图说明
图1检测装置原理图
图2外径89mm，壁厚5mm，材料为20#钢的无孔自由管道中纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线
图3激励信号中心频率为30kHz时所接收到的多孔管的端面反射回波
图4激励信号中心频率为50kHz时所接收到的多孔管的端面反射回波
图5激励信号中心频率为11kHz时所接收到的多孔管的端面反射回波
图6实施例一、二所检测多孔管的水平方向剖视图
图7、实施例一、二所检测多孔管的竖直方向剖视图
图中：1、任意函数发生器，2、功率放大器，3、转换开关，4、传感器阵列，5、数字示波器，6、计算机，7、多孔管，8、L(0，1)模态，9、L(0，2)模态，10、检测频率为30kHz时的第一次端面反射回波，11、检测频率为30kHz时的第二次端面反射回波，12、检测频率为30kHz时的第三次端面反射回波，13、检测频率为11kHz时的第一次端面反射回波，14、检测频率为11kHz时的第二次端面反射回波，15、检测频率为11kHz时的第三次端面反射回波。
具体实施方式
以下结合本发明的内容提供以下实施例：
实施例一：
如图1所示，本实施例中管棚长度为3.37m，外径为89mm，璧厚为5mm，密度为7800kg/m3，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。管体上均匀布置了直径D为10mm的孔，图6、图7所示为本实施例中的多孔管沿水平方向和竖直方向的剖面图，所有的孔分布在管体的四条母线上，这四条母线在周向相互间隔90°，同母线上孔的最小间距2L为150mm，相邻母线上的孔在轴向错开距离L为75mm，使所有的孔在管体上均匀分布。
1)根据多孔管的外径与壁厚，计算多孔管中的纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，这里无需考虑多孔管管体上所分布的孔对频散曲线的影响。图2即为纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，纵坐标范围在0-100kHz之间，其中8为L(0，1)模态，9为L(0，2)模态，选取检测频率为30kHz，在多孔管中激励的导波模态是L(0，2)模态，因此，该频率在频散曲线上所对应的群速度为4981.39m/s；
2)将检测频率30kHz输入任意函数发生器1，任意函数发生器1产生一个中心频率为30kHz的窄带信号。经功率放大器2进行放大，经转换开关3施加于传感器阵列4上，在被测多孔管7中激励纵向轴对称模态导波；
3)上述纵向轴对称模态导波在多孔管7的另一端部反射，传感器阵列4接收到多孔管7端部的反射回波信号，经转换开关3送入数字示波器5；
4)根据数字示波器5显示的端面反射回波和由此得到的数据，即可确定该端面回波在多孔管7中传播单个来回所用的传播时间，将其乘以此频率下纵向模态导波的群速度，并除以2，即得到多孔管7的检测长度。图3为检测频率为30kHz时所接收到的多孔管端面反射回波，第一次端面反射回波在多孔管7中传播单个来回所用的传播时间1.41ms，此频率所对应纵向轴对称模态导波的群速度是4981.39m/s，故此多孔管道的检测长度为3.51m，相对误差为4.15％。图4为检测频率为50kHz时所接收到的多孔管道端面反射回波，很明显，在这组信号中存在着孔的反射回波，而其端面回波则被孔的多次反射回波所干扰，从而就无法实现检测其长度的目的。
实施例二：
如图1所示，本实施例中管棚长度为3.37m，外径为89mm，璧厚为5mm，密度为7800kg/m3，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。管体上均匀布置了直径D为10mm的孔，图6、图7所示为本实施例中的多孔管沿水平方向和竖直方向的剖面图，所有的孔分布在管体的四条母线上，这四条母线在周向相互间隔90°，同母线上孔的最小间距2L为150mm，相邻母线上的孔在轴向错开距离L为75mm，使所有的孔在管体上均匀分布。
1)根据多孔管的外径与壁厚，计算多孔管中的纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，这里无需考虑多孔管管体上所分布的孔对频散曲线的影响。图2即为纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，纵坐标范围在0-100kHz之间，其中8为L(0，1)模态，9为L(0，2)模态，选取检测频率为11kHz，在多孔管中激励的导波模态是L(0，1)模态，因此，该频率在频散曲线上所对应的群速度为4888.08m/s；
2)将检测频率11kHz输入任意函数发生器1，任意函数发生器1产生一个中心频率为11kHz的窄带信号。经功率放大器2进行放大，经转换开关3施加于传感器阵列4上，在被测多孔管7中激励纵向轴对称模态导波；
3)上述纵向轴对称模态导波在多孔管7的另一端部反射，传感器阵列4接收到多孔管7端部的反射回波信号，经转换开关3送入数字示波器5；
4)根据数字示波器5显示的端面反射回波和由此得到的数据，即可确定该端面回波在多孔管7中传播单个来回所用的传播时间，将其乘以此频率下纵向模态导波的群速度，除以2，即得到多孔管7的长度。图5为检测频率为11kHz时所接收到的多孔管端面反射回波，第一次端面反射回波在多孔管7中传播单个来回所用的传播时间为1.408ms，此频率所对应纵向轴对称模态导波的群速度是4888.08m/s，故此多孔管的检测长度为3.44m，相对误差仅为2.1％。
Claims (1)
1.一种基于导波技术的管棚结构中多孔管长度检测方法，其特征在于：检测方法的步骤如下：
1)确定管棚结构中多孔管的外径与壁厚，根据外径与壁厚计算多孔管中纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线，这里无需考虑多孔管管体上所分布的孔对频散曲线的影响；
2)在多孔管的一端沿周向均匀布置一组传感器，该组传感器并联成一个传感器阵列；
3)选取11kHz或30KHz的频率作为检测频率，并从步骤1)中所述的纵向轴对称模态导波群速度频散曲线中得到此频率所对应的模态以及其群速度；
4)将所选检测频率值输入任意函数发生器，任意函数发生器生成中心频率为此频率的窄带信号，经功率放大器放大后，通过转换开关传输至多孔管端部的传感器阵列，在多孔管中激励纵向轴对称模态导波；该模态导波遇到多孔管的端面将产生端面反射回波，由同一传感器阵列接收此端面反射回波信号，经转换开关传输至数字示波器；通过数字示波器显示的端面反射回波并得到数据，由此即可确定该端面回波在多孔管中传播单个来回所用的传播时间，利用步骤3)中所述的群速度乘以传播时间，除以2，即得到所要检测多孔管的长度。
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