CN102242871B

CN102242871B - 深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法

Info

Publication number: CN102242871B
Application number: CN 201110188905
Authority: CN
Inventors: 岳亚霖; 韦朋余; 张炜; 李盛华; 陈颖
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN102242871A

Abstract

本发明涉及一种深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于在深海运载器液压管道上间隔一定距离设置一个声发射传感器并分别连接声发射采集系统，以顺次排列的3个声发射传感器为一组传感器阵列，3个声发射传感器分别同时采集深海运载器液压管道泄漏声发射信号，然后根据传感器阵列检测到的声发射信号的特征参数-有效值电压，计算出管道泄漏点与传感器阵列中的第一声发射传感器之间的距离。本发明的测量方法简便，传感器布置简单方便，定位计算所需参数单一，只需测量有效值电压值（RMS）就可以实现对声发射源定位，具有较高的定位精度，满足深海运载器液压管道泄漏点的定位需求。

Description

深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法

技术领域

本发明涉及一种压力管道泄漏点定位检测方法，尤其是涉及一种深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，主要用于深海运载器内部液压管系的泄漏监测，可以及时准确地对泄漏点进行检测和预报，及早提出管道维修策略，从而提高深海运载器生命力。

背景技术

在深海运载器液压管道泄漏声发射检测中，关键的技术问题是泄漏点的定位及定位精度。不同于突发型信号的时差定位，泄漏声发射信号是连续型信号，当前常用的定位方法有以下几种：幅度测量区域定位法、衰减测量定位法、互相关定位法、基于小波包理论定位法、能量累计定位法等。其中幅度测量区域定位法只适用于被测物体具有合适衰减程度的情况，衰减太大时，这一方法并不适用，且定位精度较低，只能定位声源区域^[1]。衰减测量定位法需要测量被检对象的衰减曲线，而不同材料的衰减特性不同，导致每次检测前都需要进行衰减曲线测量，测量工序复杂且定位精度不高^[2]。互相关定位法需要计算比较两组信号的关系，计算量大，且相关定位对门槛的选取很敏感，不同的门槛可能得出不同的结果，特别是在干扰较严重的时候，容易产生较大的误差^[3]。基于小波包理论定位法需要波形分析，计算复杂，不适宜工业实际应用^[4]。能量累计定位法是以能量累计值作为定位参数，受设置门槛的影响，且它是对一段时间内的信号能量进行统计分析，对信号采集环境要求较高，不适合应用深海运载器^[5]。以上几种方法从见诸文献的描述来看，都是针对低压管道，很少提及应用在3MPa以上的液压管道，且定位精度不高，不能有效及时地评估管道的使用状态，因此不适用于深海运载器液压管道泄漏声发射检测中^[6]。

参考文献：

[1] 沈功田等.连续声发射信号的源定位技术[J].无损检测,2002,24(4):164-167.

[2] 汪文有等.工业管道声发射信号衰减测试及定位分析[J].管道技术与设备,2010,(1):27-30.

[3] 谭兴强.管道泄漏声发射检测系统的研究[D]. 重庆大学硕士学位论文. 2006: 36-39.

[4] 王潜龙等.基于声发射与小波包理论的压力管道泄漏检测[J].西安交通大学学报,2003,37(5):515-518.

[5] 龚斌等.能量累计值在压力容器声发射检测中的应用[J].仪器仪表学报. 2008,29(4): 609-612.

[6] 张虹.管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究[D].天津大学硕士学位论文. 2007: 27-49.

发明内容

本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一种深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，满足深海运载器液压管道泄漏点定位需求，提高对液压管道泄漏点的定位精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，在深海运载器液压管道上间隔一定距离设置一个声发射传感器并分别连接声发射采集系统，以顺次排列的3个声发射传感器为一组传感器阵列，3个声发射传感器以第一声发射传感器、第二声发射传感器、第三声发射传感器的顺序排列，3个声发射传感器分别同时采集深海运载器液压管道泄漏声发射信号，然后根据传感器阵列检测到的声发射信号的特征参数-有效值电压，计算出管道泄漏点与传感器阵列中的第一声发射传感器之间的距离。

进一步的：

所述管道泄漏点与所述第一声发射传感器之间距离的计算公式为：

其中：x₂为第二声发射传感器与第一声发射传感器之间的距离；

x₃为第三声发射传感器与第一声发射传感器之间的距离；

V_rms1为第一声发射传感器接收到信号的有效值电压；

V_rms2为第二声发射传感器接收到信号的有效值电压；

V_rms3为第三声发射传感器接收到信号的有效值电压。

所述声发射采集系统至少拥有三个可以同时采集的通道。

所述声发射采集系统各通道灵敏度设置相同且各声发射传感器频率响应相同。

所述声发射传感器为压电换能器。

相邻的2个所述声发射传感器之间的间距相等并小于1.5米。

本发明的定位原理如下：

液压管道泄漏点的声发射信号初始声压为P₀ (t)，声发射传感器到泄漏点的距离为x，由于弹性波的传播遵从指数衰减规律，则传感器接收到的信号声压为：

P_x(t)=P₀(t)e^-ax （1）

式中：Px—至泄漏点距离为x处的声压；

a—介质衰减系数，单位为NP/mm，与传播介质和波的频率有关；

e—自然对数的底（e=2.718…）。

对连接压电换能器的声发射采集系统来说，传感器接受的信号声压应与信号处理器的输出电压之间成线性关系，即：

（2）

式中：k-检测系统所确定的压电转换系数，当声发射采集系统各通道灵敏度设置相同且各传感器频率响应相同时则各通道的k值相等。

对连续型信号，采样时间T内声发射信号的有效值电压（RMS）为：

（3）

则：

（4）

如图1所示，以第一声发射传感器1、第二声发射传感器2、第三声发射传感器3为一组，以液压管道5的起点为原点，第一声发射传感器1、第二声发射传感器2、第三声发射传感器3离原点7的距离分别为x₁、x₂、x₃，当液压管道泄漏点6位于第二声发射传感器2、第三声发射传感器3之间，泄漏点6离原点7的距离为x，则3个传感器在每个采样时间内接收到信号的有效值电压分别为V_rms1、V_rms2、V_rms3，则：

（5）

（6）

（7）

（8）

联立式（6）、（7）、（8）可得：

（9）

则：

（10）

（11）

式（10）和（11）相比得：

（12）

（13）

以第一声发射传感器1为原点，x₁等于零，则公式可简化：

（14）

当以第一声发射传感器1为原点，并且声发射传感器之间的间距相等，x₁等于零，x₃=2x₂，则公式还可简化为：

（15）

式（13）、（14）、（15）即为本发明提出的基于弹性波衰减特性的定位法计算公式，适用于具有三个通道以上的连接压电换能器的声发射采集系统，且需将各通道灵敏度设置一致并保证采用的各传感器频率响应相同。

本发明的技术效果在于：

1）本发明的测量方法简便，不仅传感器布置简单方便，而且检测过程不受声发射检测门槛影响、不测量传播介质衰减特性、不测量声速、不需波形分析、无须对能量进行统计分析。

2）本发明提出的定位计算公式，其定位所需参数单一，只需测量有效值电压值（RMS）就可以实现对声发射源定位，具有较高的定位精度，满足深海运载器液压管道泄漏点的定位需求。

附图说明

图1为本发明的声发射传感器布置的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，在深海运载器液压管道5上间隔一定距离设置一个声发射传感器并分别连接声发射采集系统，图1为本发明的声发射传感器布置的局部示意图，图中在深海运载器液压管道5上等距离设置第一声发射传感器1、第二声发射传感器2、第三声发射传感器3及第四声发射传感器4共四个声发射传感器，以顺次排列的第一声发射传感器1、第二声发射传感器2、第三声发射传感器3为一组传感器阵列，分别同时采集管道泄漏点6的泄漏声发射信号，提取传感器阵列检测到的声发射信号的特征参数-有效值电压（RMS），从而计算出管道泄漏点6与第一声发射传感器1的距离x₀，x₀的计算公式为：

在本实施例中，各个声发射传感器为压电换能器，相邻的2个声发射传感器之间的间距相等并小于1.5米。

以顺次排列的第二声发射传感器2、第三声发射传感器3及第四声发射传感器4为一组，同样以上述的检测方法及公式精确定位管道泄漏点6。

本发明在深海运载器液压管道5上以每三个声发射传感器为一组传感器阵列同时进行检测，当三个中有一个声发射传感器未检测到的泄漏声发射信号，则这一组声发射传感器之间的管路没有泄漏点，进入下一组声发射传感器的检测，如此循环对整个深海运载器液压管道5进行泄漏点的定位检测。

声发射传感器的安装设置按照如下步骤进行：

第一步，按照检测方案，在深海运载器液压管道设定的位置布置声发射传感器，在声发射传感器的布放位置进行打磨，以清除油漆等涂层，打磨面积不小于50×50mm²，表面粗糙度Ra≤6.3μm；在声发射传感器探测面和被测件表面之间使用黄油耦合，并确保耦合充分；声发射传感器布放好后，使用固定装置压紧固定防止检测过程中声发射传感器移动。

第二步，按照声发射传感器、声发射采集系统接口的顺序正确连线，如果有异常报警声音产生，则说明声发射传感器接线有误，应及时检查、更正。

第三步，通过采集软件进行硬件参数设置，设定采样率为1MSPS，采样长度为1k，据实测背景噪声设置波形和参数门槛值，模拟滤波范围1kHz～3MHz。

第四步，标定各个声发射传感器通道的灵敏度，各传感器通道的灵敏度与所有传感器通道的平均灵敏度相差不能超过4dB；采用φ0.5 mm，硬度为2H的铅笔芯折断信号作为模拟源；铅芯伸长量约为2.5mm，与表面夹角为30°左右。

第五步，检测开始前，应进行背景噪声的测量，检测背景噪声的时间不少于10min。如果背景噪声大于所设定的门槛时，应设法消除背景噪声的干扰或中止检查，同时应注意机械振动、电磁干扰等因素对检测结果的影响，对可能出现的噪声源应设法予以排除。

第六步，正式检测前应在0～0.4P_max范围内反复试压3～5次，以消除残余应力的影响。充液时产生的噪声太大可能会导致采集到的声发射信号无效，所以对深海运载器液压管道进行声发射检测是在保压过程中进行。

第七步，深海运载器液压管道进行正式声发射检测，最初在管道无泄漏段进行10分钟的背景噪声监测，将采集到的背景信号作为判断深海运载器疏水管道有无泄漏的基准信号；在确定低水平的背景噪声可接受之后开始加压，当管道内部压力达到试验压力时停止加压，开始进行声发射监测。一般应进行两个加压循环过程。

第八步，采集完毕，对传感器的灵敏度再次标定，看传感器的灵敏度是否还符合要求。

第九步，打开采集软件，提取对应压力下的RMS信号参数，由RMS定位程序计算声发射源位置。

本发明内容主要有基于弹性波衰减特性的RMS定位法，用与之配套的RMS定位程序（按现有技术设计），试验测得其定位误差率在2%～8%之间，能够满足深海运载器液压管道泄漏的定位需求，同时本发明适用于工作压力高于1.0MPa的液压管道及压力容器泄漏声发射实时监测。

Claims

1.一种深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于：在深海运载器液压管道上间隔一定距离设置一个声发射传感器并分别连接声发射采集系统，以顺次排列的3个声发射传感器为一组传感器阵列，3个声发射传感器以第一声发射传感器、第二声发射传感器、第三声发射传感器的顺序排列，3个声发射传感器分别同时采集深海运载器液压管道泄漏声发射信号，然后根据传感器阵列检测到的声发射信号的特征参数-有效值电压，计算出管道泄漏点与传感器阵列中的第一声发射传感器之间的距离，所述管道泄漏点与所述第一声发射传感器之间距离的计算公式为：

x₃为第三声发射传感器与第一声发射传感器之间的距离；

V_rms1为第一声发射传感器接收到信号的有效值电压；

V_rms2为第二声发射传感器接收到信号的有效值电压；

V_rms3为第三声发射传感器接收到信号的有效值电压。

2.按照权利要求1所述的深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于：所述声发射采集系统至少拥有三个可以同时采集的通道。

3.按照权利要求1所述的深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于：所述声发射采集系统各通道灵敏度设置相同且各声发射传感器频率响应相同。

4.按照权利要求1所述的深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于：所述声发射传感器为压电换能器。

5.按照权利要求1所述的深海运载器液压管道泄漏声发射源定位方法，其特征在于：相邻的2个所述声发射传感器之间的间距相等并小于1.5米。