CN102393445A - 基于压电陶瓷传感器和导波分析的管道结构损伤监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于压电陶瓷传感器和导波分析的管道结构损伤监测方法，属于结构的损伤监测领域。首先建立一套监测系统，由任意波形函数发生器、数字示波器、焊有屏蔽导线的压电陶瓷传感器，信号放大器和计算机等构成。在管道指定部位圆周上均有布置若干个压电陶瓷片用作驱动器，每个压电陶瓷片并联在一起，布置的数量视管道的半径而定；在指定部位的附近布置若干个压电陶瓷片用作传感器，数量不限；将信号发生设备与驱动器相连，传感器与数字示波器相连；最后由数字示波器采集的数据传至计算机分析系统。本发明可以实现对管道结构的快速监测、能精确快速地找到损伤位置，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道结构损伤状况的监测方法，确切地说是指基于压电陶瓷技术和导波分析的管道结构损伤监测方法。
背景技术
现今社会管道结构多被应用于输送易燃、易爆的石油、天然气等方面。由于受到环境侵蚀或人为破坏，很容易产生损伤，发生泄漏，威胁到人们的生命与财产安全。
对管道结构进行损伤监测的方法很多，如超声检测方法等，但它们的检测范围有限，而管道结构距离长，范围大的特点使得这些方法不可能快速且高效地对整个管道进行损伤监测。另外，超声检测设备的价格也比较昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种基于压电陶瓷传感器和导波分析的管道结构损伤监测方法，该方法可对管道结构进行高灵敏度、快速的主动监测。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，基于压电陶瓷传感器和导波分析的管道结构损伤监测方法，其特点是，包括基于压电陶瓷传感器的监测系统的建立及对管道结构损伤的监测和评价方法。建立系统所需的主要设备有：任意波形函数发生器、数字示波器、焊有屏蔽导线的压电陶瓷传感器传感器、信号放大器和计算机系统。
所述的基于压电陶瓷传感器测量的监测系统的建立步骤为：
在管道结构指定部位的圆周上均匀布置若干个作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，每个压电陶瓷片并联在一起，作为监测信号驱动器使用，定义为A，布置的数量视管道的半径而定；在靠近A的位置再布置若干个压电陶瓷片，作为监测信号传感器使用，定义为B，数量不限；将信号发生设备与驱动器相连，传感器与数字示波器相连；最后将数字示波器采集的数据传至计算机分析系统。
所述的管道结构损伤监测方法为：
首先对接收到的电压信号进行快速傅立叶（FFT）变换，以获取信号的频域特征。可根据离散傅里叶变换（DFT）公式即
得到FFT的表达式。首先将接收到的信号序列x(n)分为两组
x(2r)=x 1 (r)，x(2r+1)=x 2 (r) r=0,1…N/2-1 （2）
于是根据公式（1）有
根据所得到的频域特征，利用Butterworth滤波器对信号进行滤波，去除干扰信号。
最后根据去噪后的信号确定管道中缺陷的位置，此时需要知道两个物理量：导波在管道中传播的时间t和传播的速度c g 。导波在管道中传播的时间可通过采集信号中入射波和反射波的时间间隔确定，而传播速度由式（4）确定
式中，E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度，ν为材料的泊松比。
确定导波在管道中传播的时间和传播的速度后，由式（5）计算出缺陷到传感器的距离x，即确定出缺陷的位置。
所述的任意波形函数发生器与驱动器之间设有可将激励信号放大的信号放大器。
所述传感器为单面连线的压电陶瓷片，与屏蔽导线焊接后用502胶均匀粘贴在管道的圆周上。
所述的任意波形函数发生器产生的信号为高频的正弦调制信号，频率可选范围是50kHz-150kHz。
本发明的优点是:基于压电陶瓷的监测方法为管道结构损伤状况的实时监测提供了新的方法。压电陶瓷具有压电效应，由于应力或应变的影响，能在晶体内产生电极化现象；但在压电晶体上施加电场时，则会产生应力或应变。利用压电陶瓷的压电效应可将其制作成为传感器和驱动器实现对管道结构损伤的监测。与现有技术相比，本发明可以实现对管道结构的快速监测、能精确快速地找到损伤位置，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步阐述：
图1为压电陶瓷正压电效应原理示意图。
图2为压电陶瓷逆压电效应原理示意图。
图3为本发明所使用压电陶瓷片及导线示意图。
图4为本发明所选用的激励脉冲信号。
图5为本发明对管道结构进行损伤监测的原理示意图。
图6为本发明对管道结构进行损伤监测有损伤的信号图。
图7为没有损伤的信号图。
图中1为压电陶瓷片，2为屏蔽导线，3为屏蔽接头，4为极化轴，5为电极，6为外加力，A为驱动器，B为传感器，V为外加电压。
具体实施方式
本发明监测系统的建立具体分为以下几步：
第一步：压电陶瓷传感器的布置。将压电陶瓷片与屏蔽导线的一端焊接，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头焊接。然后将压电陶瓷片用耦合剂均匀的布置在管道的指定部位，用以激励超声波，在指定部位的附近再贴附压电陶瓷片，用以作为信号接收传感器。
第二步：信号的激发。首先将任意波形函数发生器的输出端接头与信号放大器的输入端连接，然后将信号放大器的输出端接头与驱动器A接头相连接，当施加给驱动器A一个激励电压后，将在管道中产生一束检测应力波。
第三步：信号的采集。驱动器A产生的应力波在管中传播，遇到损伤裂纹后反射并由传感器B接收，使得压电陶瓷产生电压信号，显示在数字示波器上，并存储后传给计算机分析。
本发明所述监测方法的技术原理：当压电材料受到外力作用时，在其表面会产生电荷，这种现象称为正压电效应；相反，当在压电材料上施加电场时，其会发生形变，这种现象称为逆压电效应。任意波形函数发生器用以激励布置在指定部位的驱动器A，驱动器A受到激励后产生沿管道方向传播的应力波，即导波。导波沿管道方向传播的过程中遇到裂纹等缺陷时，将有一部分被反射回来，另一部分透射过缺陷继续向前传播，粘贴在管道指定部位附近的传感器B将受到反射波的作用，由逆压电效应产生电荷。通过分析压电陶瓷传感器B所采集的信号来判断管道的损伤状况。管道缺陷位置的管壁不连续，构成了一个反射面，因此可以从信号中判断出哪一个波包信号是有缺陷反射所造成的，从而准确确定损伤位置。
实例：
如图5所示，在一个76mm×4 mm×1830 mm的钢管端部，均匀布置16个如图3焊接好的12mm×6 mm×1 mm的长方形压电陶瓷片，在距离端部40mm位置布置一个同样规格的压电陶瓷片。在粘贴压电陶瓷片时，选择502胶水作为与管壁的耦合剂。距离粘贴传感器一端1000mm位置，做一个人工缝，模拟管道缺陷，然后按照图5将监测系统的线路连接好。
本实例中监测方法的具体操作步骤为：
a. 将编制好的如图4所示的脉冲信号， 存储在任意波形发生器中，频率选择范围为50kHz-150kHz，本实例中选择的频率为90kHz，然后通过信号放大器激励驱动器A。
b. 利用数字示波器采集传感器B的信号。
c. 对采集到的信号做FFT变换和滤波，根据信号确定导波传播时间，根据
得到导波传播速度，最后根据
得到缺陷的位置。
Claims (3)
1.一种基于压电陶瓷传感器和导波分析的管道结构损伤监测方法，其特征在于，包括基于压电陶瓷传感器的监测系统的建立和对管道结构损伤的监测和评价方法,建立系统所需的主要设备有：任意波形函数发生器、数字示波器、焊有屏蔽导线的压电陶瓷传感器，信号放大器和计算机系统,其中计算机系统连接数字示波器，数字示波器连接连接传感器，任意波形函数发生器连接信号放大器，信号放大器连接驱动器，驱动器在管道圆周上均匀布置；在靠近驱动器的位置再布置若干个压电陶瓷片，作为监测信号传感器，
所述的基于压电陶瓷传感器测量的监测系统的建立步骤为：
在管道指定部位的圆周上均匀布置若干个作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，每个压电陶瓷片并联在一起，作为驱动器使用，定义为A，布置的数量视管道的半径而定；在靠近A的位置再布置若干个压电陶瓷片，作为传感器使用，定义为B，数量不限；将信号发生设备与驱动器相连，传感器与数字示波器相连；最后将数字示波器采集的数据传至计算机分析系统,
所述的管道结构损伤监测方法为：
首先对接收到的电压信号进行快速傅立叶（FFT）变换，以获取信号的频域特征，
可根据离散傅里叶变换（DFT）公式
得到FFT的表达式；
首先将接收到的信号序列x(n)分为两组
x(2r)=x 1 (r)，x(2r+1)=x 2 (r) r=0,1…,N/2-1 （2）
于是根据公式（1）有
根据所得到的频域特征，利用Butterworth滤波器对信号进行滤波，去除干扰信号，
最后根据去噪后的信号确定管道中缺陷的位置，此时需要知道两个物理量：导波在管道中传播的时间t和传播的速度c g ；
导波在管道中传播的时间可通过采集信号中入射波和反射波的时间间隔确定，而传播速度由式（4）确定
式中，E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度，ν为材料的泊松比，
确定导波在管道中传播的时间和传播的速度后，由式（5）计算出缺陷到传感器的距离x，即确定出缺陷的位置；
（5）
根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述的任意波形函数发生器与驱动器之间设有可将激励信号放大的信号放大器。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述传感器为单面连线的压电陶瓷片，与屏蔽导线焊接后用502胶均匀粘贴在管道的圆周上。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述的任意波形函数发生器产生的信号为高频的正弦调制信号，频率可选范围是50kHz-150kHz。
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