CN102226783B - 一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置及方法，属于管道无损检测领域。该装置包括计算机、函数发生器一和函数发生器二、功率放大器一、功率放大器二、激振器、加速度传感器、电荷放大器、厚度伸缩型压电陶瓷片阵列一和厚度伸缩型压电陶瓷片阵列二、抗混叠滤波器、数据采集卡。该方法通过扫频激励获得管道一阶弯曲振动固有频率，并以此频率作为振动声调制检测中低频振动的频率。向管道同时激励低频弯曲振动及高频超声波，通过接收信号频谱图中是否出现高频超声波频率于低频弯曲振动频率相减或者相加的频率成分来判断管道内是否存在闭合裂纹。本发明解决了传统方法检测闭合裂纹较为困难的问题，可用于工业管道中闭合裂纹的检测。

Description

一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置及方法，属于管道无损检测领域。

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，由于使用环境恶劣等原因导致导致管道内出现损伤。这些损伤如不及时发现，很容易发生生产事故，给国家和人民造成重大损失。

裂纹是管道主要的缺陷形式之一，经常出现在管道焊接部位附近和弯角处。对于裂纹的检测，目前传统的超声无损检测方法是基于线性超声原理的反射和衰减现象，对于开口裂纹传统的超声无损检测方法可以很好的进行裂纹检测。但是对于闭合裂纹，超声波通过此种裂纹时并不会产生明显的反射和衰减，导致传统超声检测方法对闭合裂纹很难进行有效检测。

大量的理论分析和试验研究表明，当向一个试件中同时激励频率为f₀的连续低频正弦振动和频率为f₁的连续高频正弦超声波时，如果试件中没有裂纹则这两列机械波不会发生振动声调制现象，以各自独立的频率输出；而如果试件中存在裂纹，由于低频振动会使得管道中的裂纹出现张开和闭合的现象，从而使得这两列机械波会发生调制现象，使得高频超声波被低频振动波互相调制，使接收信号中除了f₀和f₁的频率成分外，出现f₁±nf₀(n＝1，2，3…)的频率成分(如图1所示)。

H F Hu等人对铝板中闭合裂纹振动声调制检测方法进行了研究，提出在闭合裂纹处发生的振动声调制现象主要包括幅值调制和频率调制两种，利用幅值调制信号对裂纹尺寸表征更为准确。所以如果要对裂纹尺寸进行表征，需要将幅值调制信号从原始接收信号中分离出来进行分析[H F Hu，W J Staszewski，N Q Hu，R B Jenal and G J Qin.Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis.Smart Materials And Structures.2010，19：1-10]。焦敬品等在2009年34卷第3期《声学学报》中发表了一篇关于振动声调制与超声导波相结合的接触缺陷检测研究的文章。利用振动声调制技术与超声导波技术相结合的方法，使用特定频率高频超声脉冲信号在铝板中产生对铝板中的接触类缺陷的检测及定位方法做了研究。

学者Dmitri Donskoy研究表明，目前常用的利用信号幅频谱中旁瓣与主瓣之比MI表征裂纹不是很合适，在实际检测中由于误差的存在，很难对裂纹尺寸进行准确表征[Dmitri，Alexander Ekimov，Emile Luzzato，Jean-Louis Lottiaux，Stanislav Stoupin andAndrei Zagrai.N-SCAN：New Vibro-Modulation System for Detection and Monitoring of Cracks and OtherContact-Type Defects.Smart Structures and Meterials.2003，5057：400-409]。

学者H F Hu提出利用频率调制损伤系数(DI1)和幅值调制损伤系数(DI2)来表征裂纹尺寸，并通过试验证明DI2会随着裂纹尺寸的增加而线性增加，所以检测中使用DI2表征裂纹尺寸会使得检测结果较为准确[H F Hu，W J Staszewski，N Q Hu，R B Jenal and G J Qin.Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis.Smart Materials And Structures.2010，19：1-10]DI1和DI2的表达式如下所示：

${\mathrm{DI}}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_f}{f_1}---\left(1\right)$

${\mathrm{DI}}_2=\frac{{\mathrm{\σ}}_a}{{\mathrm{\μ}}_a}---\left(2\right)$

其中σ_f和σ_a分别表示瞬时频率和瞬时幅值的标准差，μ_a表示瞬时幅值的平均值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管道闭合裂纹检测及损伤程度评价方法。该方法主要包括管道低频弯曲振动固有频率获取环节、振动声调制裂纹检测环节、振动声调制幅值调制信号剥离环节和管道损伤程度评价环节组成。

本发明提出的基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测及损伤评价方法，其基本原理在于：

管道中存在闭合裂纹时低频弯曲振动会引起闭合裂纹的周期性张开和闭合，裂纹的这种张开和闭合会使得低频振动信号与高频超声信号发生调制，通过检测中低频振动信号和高频超声信号是否发生调制现象来表征管道中裂纹的存在与否。

管道在受到与其固有振动频率相同的的信号激励时，管道的振动最为剧烈，使得管道内部裂纹的张开和闭合程度也越剧烈，同样管道裂纹处的振动声调制现象也就越明显，所以在利用振动声调制技术对管道内闭合裂纹进行检测时应选取待测管道的固有频率作为低频振动激励信号的频率。管道低频弯曲振动固有频率的获取是通过以幅值不变、频率均匀变化的扫频信号作为激励信号，通过对管道的响应信号作快速傅里叶变换既可求得管道的各阶低频弯曲振动固有频率，为振动声调制裂纹检测中的低频振动激励信号的频率的选择提供依据。

在振动声调制裂纹检测环节，选取合适的高频超声与低频振动信号通过传感器对管道进行激励，对接收传感器得到的信号进行快速傅里叶变换既可对管道内部存在闭合裂纹与否。

本发明提出在管道闭合裂纹振动声调制检测中，首先通过希尔伯特黄变换中的经验模式将数据采集卡12传送给计算机的接收信号分解为若干个固有模态信号，使用希尔伯特黄变换对信号进行分解有标准的流程，分解完成会停止，对于不同的信号得到不同的固有模态信号个数。从得到的固有模态信号选取信号峰峰值最大的一个固有模态信号为新调制信号，然后对新的调制信号进行希尔伯特变换求出其瞬时幅值信号及瞬时频率信号，由瞬时幅值信号来计算DI2的值，通过DI2值的大小来对管道的损伤程度进行表征。

希尔伯特黄变换中的经验模式的名称由学者Huang提出的，是希尔伯特黄变换中公知的名称。

本发明所采用的装置参见图2，包括计算机1、函数发生器一2和函数发生器二3、功率放大器一4、功率放大器二5、激振器6、加速度传感器7、电荷放大器8、厚度伸缩型压电陶瓷片阵列一9和厚度伸缩型压电陶瓷片阵列二10、抗混叠滤波器11、数据采集卡12。数据采集卡12与计算机1连接。由函数发生器一2和函数发生器二3分别产生连续正弦信号。加速度传感器7粘在待测管道上，加速度传感器7的输出端口与电荷放大器8的输入端口相连，电荷放大器8的输出端口与数据采集卡12的CH1通道相连。函数发生器一2的输出端口与功率放大器5的输入端口相连，功率放大器5的输出端口与激振器6的输入端口相连，激振器6的输出连接到待测管道上。函数发生器二3的输出端口与功率放大器4的输入端口相连，功率放大器4的输出端口与压电陶瓷片阵列一9相连；压电陶瓷片阵列二10与抗混叠滤波器11的输入端口相连，抗混跌滤波器11的输出端口与数据采集卡12的CH2通道相连。数据采集卡12与计算机1相连。

本发明提出的基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测方法是通过以下步骤实现的：

1)利用夹具将待测管道的一端固定，管道的另一端与激振器6固连；将加速度传感器7固定在管道长度方向的中间位置；

2)由函数发生器二3产生1s时间内幅值100mV，频率1Hz到500Hz均匀变化的正弦扫频信号，作为管道固有振动频率获取环节的激励信号；加速度传感器7获取的加速度的信号通过电荷放大器8放大后，由数据采集卡12将放大后的信号传送给计算机；

3)由计算机对数据采集卡12传送过来的加速度信号进行快速傅里叶变换得到横轴表示频率、纵轴表示幅值的幅频谱图，从幅频谱图中找出幅值极大值点，这些极大值点所对应的横坐标值就是待测管道的各阶弯曲振动固有频率值，选取上述频率值最小的一阶弯曲振动模态所对应的频率f₁为后续振动声调制检测中的低频振动频率。

4)将压电陶瓷片阵列一9用环氧树脂贴在近可能靠近夹具以内的外管壁上作为激励高频超声波的传感器。

5)将压电陶瓷片阵列二10贴在管道的另一端的外管壁上作为接收传感器。

6)由函数发生器一2产生频率为压电陶瓷片中心频率f₂，幅值100mV的连续正弦波作为高频超声波激励信号；f₂为压电陶瓷片的固属性，由压电陶瓷片生产厂家告知。

7)由函数发生器二3产生与一阶弯曲振动模态所对应的频率相同的连续正弦波信号作为低频振动的激励信号。

8)压电陶瓷片阵列10接收到的管道中传播的超声波信号经抗混叠滤波器11滤波后，由数据采集卡12传送给计算机1。

9)由计算机1对数据采集卡12传送过来的信号进行快速傅里叶变换后得到信号的幅频谱，判定幅频谱中除了频率值为f₁和f₂的频率成分外，是否有频率值为f₂±nf₁(n＝1，2，3…)的附加频率成分：如果没有上述的附加频率成分出现，则可判定待测管道中不存在闭合裂纹；如果有上述的附加频率成分出现，则可判定待测管道中存在闭合裂纹。

10)利用希尔伯特黄变换中的经验模式分解将步骤8)中计算机1得到的接收信号分解为若干个固有模态信号和一个残余信号，选取峰峰值最大的一个固有模态信号作为新的调制信号，然后利用希尔伯特变换求出新调制信号的瞬时幅值信号。由式(3)和(4)可求出此瞬时幅值信号的幅值标准差σ_a和幅值平均值μ_a，并带入上述的(2)式中求出DI2的值，求出的DI2的值越大则表明管道损伤越剧烈。

${\mathrm{DI}}_2=\frac{{\mathrm{\σ}}_a}{{\mathrm{\μ}}_a}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_a=\sqrt{\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{(a_i-{\mathrm{\μ}}_a)}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\μ}}_a=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{a}_i---\left(4\right)$

式(3)和(4)中N表示新调制信号的总点数，a_i表示新调制信号中各点所对应的幅值，可以从新调制信号中直接获得；DI₂表示幅值调制损伤系数，σ_f和σ_a分别表示瞬时频率和瞬时幅值的标准差，μ_a表示瞬时幅值的平均值。

本发明可以取得如下有益效果：可以对管道中尺寸较小的裂纹与闭合裂纹进行有效检测，同时可对管道的损伤程度进行评判

附图说明

图1振动声调制现象示意图；

图2检测装置系统图；

图3管道低频弯曲振动固有频率获取激励信号；

图4管道低频弯曲振动固有频率获取接收信号频谱图；

图5无裂纹管道振动声调制检测接收信号频谱图；

图6有裂纹管道振动声调制检测接收信号频谱图；

图中，1、计算机，2、函数发生器，3、函数发生器一，4、功率放大器一，5、功率放大器二，6、激振器，7、加速度传感器，8、电荷放大器，9、压电陶瓷片阵列一，10、压电陶瓷片阵列二，11、抗混叠滤波器，12、数据采集卡。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

本实施例实施过程包括以下步骤：

1.按照图2所示的检测装置系统图安装实验系统，系统包括计算机1、函数发生器一2和函数发生器二3、功率放大器一4、功率放大器二5、激振器6、加速度传感器7、电荷放大器8、厚度伸缩型压电陶瓷片阵列一9和厚度伸缩型压电陶瓷片阵列二10、抗混叠滤波器11、数据采集卡12。数据采集卡12与计算机1连接。由函数发生器一2和函数发生器二3分别产生连续正弦信号。加速度传感器7粘在待测管道上，加速度传感器7的输出端口与电荷放大器8的输入端口相连，电荷放大器8的输出端口与数据采集卡12的CH1通道相连。函数发生器一2的输出端口与功率放大器5的输入端口相连，功率放大器5的输出端口与激振器6的输入端口相连，激振器6的输出连接到待测管道上。函数发生器二3的输出端口与功率放大器4的输入端口相连，功率放大器4的输出端口与压电陶瓷片阵列一9相连；压电陶瓷片阵列二10与抗混叠滤波器11的输入端口相连，抗混跌滤波器11的输出端口与数据采集卡12的CH2通道相连。数据采集卡12与计算机1相连。

2.低频扫频实验：由函数发生器2产生幅值100mV，1s时间内频率1-500Hz均匀变化的正弦扫频信号(如图3所示)作为管道弯曲振动固有频率获取环节的激励信号。加速度传感器接收到管道的振动信号，经过电荷放大器放大后，由数据采集卡CH1通道采集，并对采集到的信号做快速傅里叶变换，从得到的频谱图(如图4所示)可以看出管道弯曲振动的一阶固有振动频率为50Hz。

3.将由长宽厚分别为22mm、5mm和0.5mm厚的压电陶瓷片阵列9用环氧树脂贴在管道被夹持端靠近夹具内侧的外管壁上作为激励传感器，将压电陶瓷片阵列10用环氧树脂贴在管道另外一端的外管壁上作为接收传感器。

4.由函数发生器2产生幅值100mV，频率50Hz的连续正弦信号，经功率放大器4放大后作为管道振动声调制检测中的低频振动激励信号；由函数发生器3产生幅值100mV，频率50kHz的连续正弦信号，经功率放大器5放大后作为管道振动声调制检测中的高频超声波激励信号。

5.压电陶瓷片阵列10接收到的信号经抗混叠滤波器滤波后，由数据采集卡CH2通道采集进行采集，对采集到信号做进行快速傅里叶变换，从结果中可以看出当管道内没有闭合裂纹时，其幅频谱图中只有50kHz一个频率分量(如图5所示)；而管道内有裂纹时，其幅频谱中除了有50kHz的频率分量以外还存在49.95kHz，50.05kHz等满足f₁±nf₀(n＝1，2，3…)的频率成分(如图6所示)。所以采用振动声调制技术检测管道闭合裂纹是可行的。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (2)

1.一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置，包括计算机（1）、函数发生器一（2）和函数发生器二（3）、功率放大器一（4）、功率放大器二（5）、激振器（6）、加速度传感器（7）、电荷放大器（8）、厚度伸缩型压电陶瓷片阵列一（9）和厚度伸缩型压电陶瓷片阵列二（10）、抗混叠滤波器（11）、数据采集卡（12）；其特征在于：数据采集卡（12）与计算机（1）连接；由函数发生器一（2）和函数发生器二（3）分别产生连续正弦信号；加速度传感器（7）粘在待测管道上，加速度传感器（7）的输出端口与电荷放大器（8）的输入端口相连，电荷放大器（8）的输出端口与数据采集卡（12）的CH1通道相连；函数发生器一（2）的输出端口与功率放大器二（5）的输入端口相连，功率放大器二（5）的输出端口与激振器（6）的输入端口相连，激振器（6）的输出连接到待测管道上；函数发生器二（3）的输出端口与功率放大器一（4）的输入端口相连，功率放大器一（4）的输出端口与压电陶瓷片阵列一（9）相连；压电陶瓷片阵列二（10）与抗混叠滤波器（11）的输入端口相连，抗混叠滤波器（11）的输出端口与数据采集卡（12）的CH2通道相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动声调制技术的管道闭合裂纹检测装置，其特征在于：其检测方法包括如下步骤：

1)利用夹具将待测管道的一端固定，管道的另一端与激振器（6）固连；将加速度传感器（7）固定在管道长度方向的中间位置；

2)由函数发生器二（3）产生1s时间内幅值100mV，频率1Hz到500Hz均匀变化的正弦扫频信号，作为管道固有振动频率获取环节的激励信号；加速度传感器（7）获取的加速度的信号通过电荷放大器（8）放大后，由数据采集卡（12）将放大后的信号传送给计算机；

3)由计算机对数据采集卡（12）传送过来的加速度信号进行快速傅里叶变换得到横轴表示频率、纵轴表示幅值的幅频谱图，从幅频谱图中找出幅值极大值点，这些极大值点所对应的横坐标值就是待测管道的各阶弯曲振动固有频率值，选取上述频率值最小的一阶弯曲振动模态所对应的频率f₁为后续振动声调制检测中的低频振动频率；

4)将压电陶瓷片阵列一（9）环周向均匀贴在靠近夹具内侧的管道外壁上作为激励高频超声波的传感器；

5)将压电陶瓷片阵列二（10）环状均匀贴在管道的另一端的外管壁上作为接收传感器；

6)由函数发生器一（2）产生频率为压电陶瓷片中心频率f₂，幅值100mV的连续正弦波作为高频超声波激励信号；

7)由函数发生器二（3）产生与一阶弯曲振动模态所对应的频率相同的连续正弦波信号作为低频振动的激励信号；

8)压电陶瓷片阵列二（10）接收到的管道中传播的超声波信号经抗混叠滤波器（11）滤波后，由数据采集卡（12）传送给计算机（1）；

9)由计算机（1）对数据采集卡（12）传送过来的信号进行快速傅里叶变换后得到信号的幅频谱，判定幅频谱中除了频率值为f₁和f₂的频率成分外，是否有频率值为f₂±nf₁的附加频率成分,其中n=1,2,3…：如果没有上述的附加频率成分出现，则可判定待测管道中不存在闭合裂纹；如果有上述的附加频率成分出现，则可判定待测管道中存在闭合裂纹；

10)利用希尔伯特黄变换中的经验模式分解将步骤（8）中计算机（1）得到的接收信号分解为若干个固有模态信号和一个残余信号，选取峰峰值最大的一个固有模态信号作为新的调制信号，然后利用希尔伯特黄变换求出新调制信号的瞬时幅值信号；由式（3）和（4）可求出此瞬时幅值信号的幅值标准差σ_a和幅值平均值μ_a，并带入下述的（2）式中求出DI₂的值，求出的DI₂的值越大则表明管道损伤越剧烈；

${\mathrm{DI}}_2=\frac{{\mathrm{\σ}}_a}{{\mathrm{\μ}}_a}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_a=\sqrt{\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{(a_i-{\mathrm{\μ}}_a)}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\μ}}_a=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{a}_i---\left(4\right)$

式（3）和（4）中N表示新调制信号的总点数，a_i表示新调制信号中各点所对应的幅值，从新调制信号中直接获得；DI₂表示幅值调制损伤系数，σ_a表示瞬时幅值的标准差，μ_a表示瞬时幅值的平均值。

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