CN102095082B - 管道单通道导波时反检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道单通道导波时反检测装置及方法，利用传感器位置差异补偿时间反转激励信号时间差，仅用一个信号激励通道，通过传感器的切换，错时在各传感器单元激励各不相同的时间反转激励信号，以实现单通道的时间反转导波检测。此装置及方法既提高了小缺陷的检出能力，也降低了检测成本，同时使检测更具有灵活性，推进了时间反转导波检测方法在实际检测中的应用。

Description

管道单通道导波时反检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管道检测技术，特别涉及一种管道单通道导波时反检测装置及方法。

背景技术

管道作为生产系统、运输和制造设备的重要组成部分，在机械、石油、化工、食品和城市供水等行业发挥着不可替代的作用。然而，管道经长期服役，由于腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏时有发生，给国家和人民造成极大的损失。因此，大力发展管道检测技术迫在眉睫。

超声导波具有沿传播路径衰减小，传播距离远的特点，在检测信号中还可以包含从激励点到接收点间的整体信息，非常适合长距离管道，以及充水、带包覆层的管道缺陷检测。理论研究表明，基于时间反转的导波检测方法利用时间反转波的时间——空间聚焦特性，可将检测能量汇聚于缺陷位置，因此较直接导波检测方法的缺陷检出能力更强，并可进一步实现缺陷的定位，越来越受到关注。

专利200610144294.0提出的基于时间反转理论的管道缺陷超声导波无损检测方法采用如图1所示检测装置，该装置包含N组由任意函数发生器、功率放大模块及转换开关模块构成的信号激励通道A，各个通道的输出端即转换开关模块可以与纵向传感器阵列B中的某一个传感器单元相连，同时，转换开关模块还依次与示波器E、计算机F相连。上述装置中各传感器单元均匀分布于管道D同轴向位置的一截面上，由于缺陷C波源传播至各传感器的轴向距离是一致的，因此沿圆周分布的多个传感器获得的各不相同的时间反转信号必须在同一时间被激励出去，以达到能量聚焦的目的，这就对设备提出了较高要求：需有多个信号激励通道同步工作，且时间误差在10^-8的数量级上，目前尚无实现此功能的商业设备面世。此外，用于导波信号激励于接收的通道成本均非常高，多个通道同时采用无疑会制约时间反转导波检测方法在实际检测中的应用。

发明内容

本发明是针对现有技术对设备要求高，成本高的问题，提出了一种管道单通道导波时反检测装置及方法，利用传感器位置差异补偿时间反转激励信号时间差，仅用一个信号激励通道，通过传感器的切换，实现单通道的时间反转导波检测，实现简便，成本低。

本发明的技术方案为：一种管道单通道导波时反检测装置，包括有时间反转导波传感器阵列、纵向导波传感器阵列、示波器、计算机、单通道激励/接收装置，还包括有传感器单元切换模块，时间反转导波传感器阵列由N个轴向位置可调节的纵向导波传感器单元构成，导波单通道激励/接收装置包括有任意函数发生器、功率放大模块、转换开关模块，任意函数发生器通过功率放大模块与转换开关模块相连，计算机与任意函数发生器的输入端相连；转换开关模块的传感器输入/输出端经由传感器单元切换模块与时间反转导波传感器阵列及纵向导波传感器阵列中的各传感器单元一一对应连接，同时转换开关模块的输出则与示波器相连后连接至计算机。 

所述功率放大模块将任意函数发生器模块所产生的波形进行信号放大，转换开关模块经功率放大模块放大的70V以上的高电压导波激励信号通过同轴电缆传至纵向传感器阵列中的单个传感器单元，并将该单元所接收到的弱电压反射信号送给示波器进行显示和保存。

所述时间反转传感器阵列及纵向传感器阵列中的传感器，既可由压电换能器构成，也可以是电磁导波探头或单晶探头。

所述时间反转传感器阵列及纵向传感器阵列中的各传感器单元沿管道圆周均匀布置于管道外壁，通过耦合剂如凡士林等与管道接触，纵向导波传感器阵列中各传感器单元轴向位置相同。

一种管道单通道导波时反检测方法，包括管道单通道导波时反检测装置，具体方法包括如下步骤：

1）确定被检测管道的外径、壁厚、密度，计算与被检测管道相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线，并根据群速度频散曲线选一激励频率用于检测；

2）根据被检测管道的长度                                                

、传感器单元个数N及检测频率下L(0,2) 模态群速度值

确定时间反转矩形窗的窗宽τ，以及相邻两时间反转传感器单元间的轴向距离

，一般满足：

，根据相邻两时间反转传感器单元间的轴向距离

依次调节各时间反转传感器单元的轴向位置；

3）利用单通道激励/接收装置在纵向导波传感器阵列上激励L(0,2)模态导波用于缺陷检测，具体步骤为：

将所选激励频率输入任意函数发生器生成中心频率为所选检测频率的5～20周期单音频信号，该信号被送至功率放大模块放大后，再由转换开关模块传输至与之相连的传感器单元切换模块，使该信号能同时在纵向导波传感器阵列的N个传感器单元上被激发，在管道中激励出纵向轴对称导波模态L(0,2)；

4）通过时间反转传感器阵列接收信号，并送至计算机进行处理，对应的两个接收信号中首达波包与管道端面反射回波波包之间的时间间隔为，将距离缺陷最远的时间反转传感器设定为基准传感器1，且将该传感器的接收信号设定为基准信号，对各时间反转传感器

获取的接收信号，同样采取窗宽为τ的矩形窗进行信号截取，对应于各传感器的接收信号，截取的时间起点距离各信号的首达波包峰值所在位置的时间

（i=1,2,3…N）满足

（i=2,3…N），对各接收信号进行信号截取后获得的波形

在时间窗τ内进行时间反转，获得N个时间反转激励信号，两组信号满足：

，当

时，将各时间反转激励信号按照传感器顺序由1到N依次相连即获得总的激励信号；

5）计算机将获得的总激励信号送至导波单通道激励/接收装置中，由传感器单元切换模块按照时间间隔τ切换与之相连的纵向导波传感器单元，使得总的激励信号被N等分后，依次在传感器1到N上重新激励，远离缺陷的节点上信号先激励，靠近缺陷的节点上信号后激励；

6）通过纵向导波传感器阵列接收时间反转检测信号，送至计算机后进行相应的叠加得到时间反转导波检测信号用于分析，通过该检测波形读取其中的L(0,2)激励波包、缺陷回波波包及管道端面回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的激励频率下L(0,2)模态波速，即可得到缺陷距离纵向导波传感器阵列的轴向距离，即对缺陷轴向定位。

本发明的有益效果在于：本发明管道单通道导波时反检测装置及方法，既提高了小缺陷的检出能力，也降低了检测成本，同时使检测更具有灵活性，推进了时间反转导波检测方法在实际检测中的应用。

附图说明

图1为现有检测装置原理图；

图2为本发明管道单通道导波时反检测装置原理图；

图3为本发明时间反转传感器阵列中各传感器单元分布示意图；

图4为本发明空心圆柱体群速度频散曲线图；

图5为本发明连续激励信号示意图。

具体实施方式

由于时间反转波的时间－空间聚焦特性的本质是各模态的导波从缺陷波源被激励传播到接收传感器的时间等于对应时间反转波中该模态成分被反转激励后传播至缺陷处所需要的时间。因此，如图3所示，若将N个传感器在管道轴向错位分布，则各传感器至缺陷之间的距离也相应地形成差异。如果每个传感器激励时间反转信号的时间起点不同，而由此形成的时间差恰好用于弥补因各传感器轴向间距造成的导波传播时间差，则由各传感器分别激励的时间反转信号仍可在同一时间汇聚于缺陷位置，形成检测能量的聚焦。

管道单通道导波时反检测装置原理图如图2所示。本装置主要包括有时间反转导波传感器阵列4、纵向导波传感器阵列10、示波器5、计算机6、单通道激励/接收装置7、传感器单元切换模块8，时间反转导波传感器阵列由N个轴向位置可调节的纵向导波传感器单元9构成。导波单通道激励/接收装置7包括有任意函数发生器1、功率放大模块2、转换开关模块3，任意函数发生器1通过功率放大模块2与转换开关模块3相连。计算机6与任意函数发生器1的输入端相连；转换开关模块3的传感器输入/输出端经由传感器单元切换模块8与时间反转导波传感器阵列4及纵向导波传感器阵列10中的各传感器单元一一对应连接，同时转换开关模块3的输出则与示波器5相连后连接至计算机6 

各模块的功能如下：

导波单通道激励/接收装置7可为时间反转导波传感器阵列4及纵向导波传感器阵列10中的每个传感器单元同时或错时输出相同的，或各自不同的激励信号。其中任意函数发生器模块1可根据输入的管道12参数和选择的激励频率自动生成具有一定中心频率及周期的激励信号，也可输出来自计算机6的预设激励信号，由高性能单片机和高速数/模转换芯片组成，也可由DSP芯片构成。功率放大模块2将任意函数发生器模块1所产生的波形进行信号放大，由前置放大器和集成功率放大器构成。转换开关模块3的功能则是在检测过程中，将经功率放大模块2放大的70V以上的高电压导波激励信号通过同轴电缆传至纵向传感器阵列4中的某个传感器单元，并将该单元所接收到的弱电压反射信号送给示波器5进行显示和保存。

由N个轴向位置可调节的纵向导波传感器单元9构成的时间反转传感器阵列4及纵向传感器阵列10，是使管道12中产生导波的元件，既可由压电换能器构成，也可以是电磁导波探头或单晶探头。检测时，各传感器单元沿管道圆周均匀布置于管道外壁，通过耦合剂如凡士林等与管道接触，且时间反转传感器阵列4中各单元轴向位置依据计算结果进行布置与调节，纵向导波传感器阵列10中各单元轴向位置相同，它们均在发送时作为发送元件，在接收时作为接收元件使用。

示波器5与计算机6是信号接收、显示和处理模块。示波器5将接收到的信号进行显示、保存，并传输给计算机6；计算机6一方面依据时间反转的算法生成反转激励信号，并传输给函数发生器1，另一方面可对检测到的时域波形进行分析，根据缺陷11反射回波的有无判断缺陷11是否存在，并依据缺陷11反射回波的时间进一步确定缺陷11的位置。

本发明提出的超声导波时间反转检测方法，按以下步骤进行的：

1）确定被检测管道12的外径、壁厚、密度，计算与被检测管道12相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线，并根据群速度频散曲线选一激励频率用于检测。

2）根据被检测管道12的长度

、传感器单元个数N及检测频率下L(0,2) 模态群速度值确定时间反转矩形窗的窗宽τ，以及相邻两时间反转传感器单元间的轴向距离

。为避免时间反转传感器阵列所占据的总的轴向长度与被检测管道的长度之比过大的问题，一般满足：

。根据相邻两时间反转传感器单元间的轴向距离

依次调节各时间反转传感器单元的轴向位置。

3）利用单通道激励/接收装置7在纵向导波传感器阵列10上激励L(0,2)模态导波用于缺陷检测。具体步骤为：

将所选激励频率输入任意函数发生器1生成中心频率为所选检测频率的5～20周期单音频信号。该信号被送至功率放大模块2放大后，再由转换开关模块3传输至与之相连的传感器单元切换模块8，使该信号能同时在纵向导波传感器阵列10的N个传感器单元上被激发，在管道中激励出纵向轴对称导波模态L(0,2)。

4）通过时间反转传感器阵列接收信号，并送至计算机6进行处理。由于相邻两个时间反转传感器轴向间距为d，使得对应的两个接收信号中首达波包与管道端面反射回波波包之间的时间间隔为

。如图3，将距离缺陷最远的时间反转传感器1设定为基准传感器，且将该传感器的接收信号设定为基准信号。根据基准信号中缺陷反射回波及转换模态波包出现的位置和持续的时间，依据时间起点应略前于该信号中缺陷回波及转换模态波包出现的位置的原则确定信号截取的时间起点，用时间反转窗对信号中的缺陷反射回波及模态转换波包信息进行截取。信号截取的时间起点距离首达波包的时间间隔记为

。对其余各时间反转传感器

获取的接收信号，同样采取窗宽为τ的矩形窗进行信号截取，对应于各传感器的接收信号，截取的时间起点距离各信号的首达波包峰值所在位置的时间（i=1,2,3…N）满足

（i=2,3…N）。对各接收信号进行信号截取后获得的波形

在时间窗τ内进行时间反转，获得N个时间反转激励信号

。两组信号满足：

。当

时，将各时间反转激励信号按照传感器顺序由1到N依次相连即获得总的激励信号如图5所示。

5）计算机6将获得的总激励信号送至导波单通道激励/接收装置7中，由传感器单元切换模块8按照时间间隔τ切换与之相连的纵向导波传感器单元，使得总的激励信号被N等分后，依次在传感器1到N上重新激励，远离缺陷的节点上信号先激励，靠近缺陷的节点上信号后激励。

6）通过纵向导波传感器阵列9接收时间反转检测信号，送至计算机后进行相应的叠加得到时间反转导波检测信号用于分析。通过该检测波形读取其中的L(0,2)激励波包、缺陷回波波包及管道端面回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的激励频率下L(0,2)模态波速，即可得到缺陷距离纵向导波传感器阵列4的轴向距离，实现缺陷的轴向定位。

实验例1选择外径70 mm，壁厚3.5 mm，长8000 mm，带通透型20 mm×2 mm，与管道母线成45°夹角斜裂纹缺陷的薄壁管道模型，缺陷距离激励端5800mm。管道密度为7932kg/m³，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。

根据管道参数，计算群速度频散曲线，如图4所示空心圆柱体群速度频散曲线图。确定时间反转传感器的个数16。选取140kHz为激励频率，选择离缺陷较远的管道端部16个节点上同时加载5个周期加汉宁窗的正弦轴向位移载荷，模拟导波单通道激励/接收装置7，以及与之相连的纵向导波传感器阵列9中沿圆周均匀分布的各纵向导波传感器单元，实现L(0,2)模态的激励。

在距离激励处3mm的圆周开始周向间隔均匀地选择16个节点模拟时间反转传感器阵列的16个单元。由于管道长8000mm，140kHz下L(0,2)模态传播速度为5.413m/ms，选择窗宽

，根据

，则所选择的相邻两节点间的轴向距离

为325mm。在此16个节点上提取轴向位移时程曲线模拟获取的检测信号，则对应的两个接收信号中首达波包与管道端面反射回波波包之间的时间间隔为

。

如图3，将模拟距离缺陷最远的时间反转传感器单元的节点1设定为基准传感器，对应该传感器的接收信号设定为基准信号。根据基准信号中缺陷反射回波及转换模态波包出现的位置和持续的时间，设置信号截取的时间起点距离首达波包的时间间隔为

，该时间起点略前于该信号中缺陷回波及转换模态波包出现的位置。对应于其他节点的接收信号，截取的时间起点距离各信号的首达波包峰值所在位置的时间

（i=1,2,3…N）满足

（i=2,3…N）。

对获取的16个接收信号中的缺陷反射回波及模态转换波包信息，采取窗宽为τ的矩形窗进行信号截取。信号截取后获得的波形在时间窗τ内进行时间反转，获得16个时间反转激励信号

。两组信号满足：

。当

时，将各时间反转激励信号按照传感器顺序由1到16依次相连即获得总的激励信号。

为了模拟由一组信号发生装置激励一个总的激励信号，并按照时间间隔τ进行传感器的切换，以实现一组时间反转激励信号在各传感器依次激励，最终达到检测能量在缺陷位置聚焦的目的，这个可被均匀切分为48段、各段时间长度为τ的总激励信号，在数值模拟中将由程序来控制它的激励过程：依次在与时间反转导波传感器1到16对应的节点上重新激励时间反转激励信号，各信号持续的长度为

，上一信号激励完即激励下一信号，远离缺陷的节点上信号先激励，靠近缺陷的节点上信号后激励。

最后在管道端部沿圆周均匀分布的16个节点上再次提取时间反转检测轴向位移时程曲线，进行相应的叠加后得到模拟的时间反转导波检测信号用于分析。分析结果表明：缺陷回波反射率达到0.163。而针对本文分析的管道模型，模拟L(0,2)模态导波对管道进行直接导波缺陷检测，激励频率在140kHz时获得的缺陷回波反射率只有0.017。

实施例2的管道模型及参数与实施例1相同，仅将激励频率改为250kHz。由于窗宽仍保持为

，基准信号的信号截取时间起点相应地变为。分析结果表明：缺陷回波反射率达到0.176。而针对本文分析的管道模型，模拟L(0,2)模态导波对管道进行直接导波缺陷检测，激励频率在250kHz时获得的缺陷回波反射率只有0.021。

从实施例1和实施例2可以看出，单通道的时间反转方法能提高导波对管道中缺陷的检测能力，对小缺陷有明显优于传统导波检测方法的检测效果。

Claims (2)

1.一种管道单通道导波时反检测装置，包括有时间反转导波传感器阵列（4）、纵向导波传感器阵列（10）、示波器（5）、计算机（6）、导波单通道激励/接收装置（7），其特征在于：还包括有传感器单元切换模块（8），时间反转导波传感器阵列由N个轴向错位分布的纵向导波传感器单元（9）构成，导波单通道激励/接收装置（7）包括有任意函数发生器（1）、功率放大模块（2）、转换开关模块（3），任意函数发生器（1）通过功率放大模块（2）与转换开关模块（3）相连，计算机（6）与任意函数发生器（1）的输入端相连；转换开关模块（3）的传感器输入/输出端经由传感器单元切换模块（8）与时间反转导波传感器阵列（4）及纵向导波传感器阵列（10）中的各传感器单元一一对应连接，同时转换开关模块（3）的输出则与示波器（5）相连后连接至计算机（6）；所述时间反转导波传感器阵列（4）及纵向导波传感器阵列（10）中的各传感器单元沿管道圆周均匀布置于管道外壁，通过耦合剂与管道接触，纵向导波传感器阵列（10）中各传感器单元轴向位置相同。

2.根据权利要求1所述管道单通道导波时反检测装置，其特征在于，所述时间反转导波传感器阵列（4）及纵向导波传感器阵列（10）中的传感器，其是由压电换能器构成，或是电磁导波探头，或是单晶探头。

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