CN103424471A - 一种基于磁致伸缩导波的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩导波的检测装置，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集器、连接该信号采集器的PC机以及给上述装置供电的电源。在管道外表面部分区域激励与检测导波信号，解决管道与周围物体间空间较小，导致无法安装环绕管道的传感器问题；通过使用编码信号作激励信号，并增大激励信号的时间宽度，将该编码信号的频率变化范围设置在1kHz~200kHz，经过对采样信号处理和分析，获得高脉冲压缩比的信号，获得极高的沿检测对象长度方向上邻缺陷分辨力，同时也获得较大导波检测距离。

Description

一种基于磁致伸缩导波的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩导波的检测装置及检测方法。

背景技术

磁致伸缩导波是一种依据于磁致伸缩效应在管道横截面上、钢丝绳中产生弹性波，并沿管道、斜拉索长度方向传播，当遇到由于缺陷导致横截面积发生变化或机械阻抗发生变化的位置即发生机械波反射，从而传播回检测传感器位置处，并依据逆磁致伸缩效应检测出回波信号的无损检测方法，其具有可单点激励、单点检测，无需移动传感器，并可一次实现地上单一架空管道、斜拉索等构件近百米范围的缺陷检测等优点。

基于磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应，在管道导波检测使用时，需要将传感器线圈环绕整个管道，这便需要管道外表面和周围物体有至少0.1~0.2m的空间。而当两个管道相邻很近导致与周围物体间距不足，或管道只有部分外表面可接触时，便无法在整个管道上缠绕线圈，只能在管道表面部分区域激励，产生机械波能量有限，从而导波能量有限，检测距离有限，且无法同时兼顾大的导波检测距离及高的管道轴向上相邻缺陷分辨力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁致伸缩导波的检测装置及检测方法，激励信号使用编码信号，以实现增大激励信号时间宽度，提高激励导波能量，增大有效检测距离的同时，可确保管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

本发明的技术方案是一种基于磁致伸缩导波的检测装置，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集器、连接该信号采集器的PC机以及给上述装置供电的电源；其中，所述信号发生器还连接所述信号采集器；所述激励传感器包括沿轴向设置在管道上的第一永磁体和绕在该第一永磁体的磁芯上的激励线圈；所述检测传感器包括沿轴向设置在管道上的第二永磁体和绕在该第二永磁体的磁芯上的检测线圈。检测传感器与激励传感器相距0.7m。由电源给各个装置供电，信号发生器产生编码信号，该编码信号进入功率放大器进行功率放大，经过功率放大的编码信号进入所述激励传感器。第一永磁体沿径向设置在管道表面，激励线圈绕在该第一永磁体的磁芯上，由于磁致伸缩效应，在管道中产生机械弹性波，沿着管道轴向传播，当遇到缺陷后，将有一部分机械波反射回到检测传感器。第二永磁体沿轴向设置在管道表面，检测线圈绕在该第二永磁体的磁芯上，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器中感应出电压信号，从而经信号调理器处理后，再被信号采集器信号采集，上传到一个PC机中进行信号处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。在管道外表面部分区域激励与检测导波信号，解决管道与周围物体间空间较小，导致无法安装环绕管道的传感器问题。所述激励信号使用编码信号，增大了激励信号时间宽度，提高了激励导波能量，在增大有效检测距离的同时，提高了管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

进一步地，所述信号采集器中有信号采集卡和连接该信号采集卡的数据存储器，所述信号采集卡连接所述信号发生器和所述信号调理器，所述数据存储器连接所述PC机。经过信号调理器调理后的回波信号，被信号采集卡采集，信号采集卡将采集到回波信号后发送到数据存储器中，所述数据存储器中的数据发送到PC机中，进行处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。

本发明还提供一种基于磁致伸缩导波的检测方法，包括如下步骤：

S1、信号发生器向功率放大器发出编码信号，该功率放大器将所述编码信号进行功率放大，然后发送到激励传感器，激励传感器产生弹性波；同时，该信号发生器向信号采集器中的信号采集卡发出触发脉冲；

S2、所述信号采集卡将采集到的回波信号存储到数据存储器中，然后PC机读取该数据存储器中的数据，并将读取的数据存储到PC机中；

S3、零相位低通滤波，即将PC机中的数据先正向低通滤波，然后将数据头尾倒置，再对信号进行低通滤波，得到滤波后的数据；

S4、匹配滤波，即将信号发生器发出的编码信号作为参考信号，然后将经过零相位低通滤波后的导波信号取其共轭，并作傅里叶变换，变换的结果与参考信号的傅里叶变换相乘，从而获得处理后的信号，该信号在沿检测对象长度方向上具有较高的相邻缺陷分辨力；以及

S5、获取匹配滤波后产生信号的包络线，求取包络线的极大值点，且因缺陷位于获取的直达波与首次端部回波间，从而便可确定缺陷的极大值点的时间位置，将缺陷极大值点的时间减去直达波的时间获得的差值，将此差值乘以机械波的传播波速，然后除以2，就获得缺陷与检测传感器之间的距离信息。

使用编码信号，增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，在增大有效检测距离的同时，提高了管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

进一步地，所述步骤S1中的编码信号单次发射脉冲持续的时间为100US～1MS。增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，不仅增大了有效检测距离，又提高了管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

进一步地，所述编码信号的频率为1KHZ~200KHZ，保证在具有导波能量集中，波形不发散的同时，具有较高的相邻缺陷分辨力。

进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、检测传感器检测到回波信号，并将该回波信号发送到信号调理器；以及

S22、信号调理器将调理后的信号发送到信号采集器中的采集卡。

经过信号调理器调理后的回波信号，被信号采集卡采集，信号采集卡将采集到回波信号后发送到数据存储器中，所述数据存储器中的数据发送到PC机中，进行处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。

进一步地，步骤S4中，匹配滤波的公式为：

$U\left(t\right)=\∫\mathrm{kSig}\left(f\right){\mathrm{Sig}}^{*}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf}(t-t_0)}\mathrm{df}$

式中，U(t)表示匹配滤波器的输出信号；Sig(f)表示发射的编码信号的傅里叶变换；k表示有理数；Sig^*(f)表示经过零相位低通滤波后的导波信号数据的傅里叶变换；t表示时间；t₀表示假设参考信号的时间长度为T,取t₀=T。

零相位低通滤波后的信号通过与参考信号匹配滤波，从而得到检测对象长度方向上的较高相邻缺陷分辨力的信号。

进一步地，编码信号为线性调频信号或步进频率信号。

进一步地，回波信号为电压信号。

进一步地，信号采集卡接收到触发脉冲后开始采集回波信号。便于得到整个管道上的回波信号，避免遗漏缺陷点，提高了检测的准确率。

有益效果：在管道外表面部分区域激励与检测导波信号，解决管道与周围物体间空间较小，导致无法安装环绕管道的传感器问题；通过增大编码信号的时间宽度，将该编码信号的频率范围设置在1KHZ~200KHZ，经过对采样信号处理和分析，获得高脉冲压缩比的信号，获得极高的沿检测对象长度方向上的相邻缺陷分辨力，同时也获得较大导波检测距离。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构框图；

图2是本发明另一种实施例中激励传感器的立体图；

图3是本发明另一种实施例中检测传感器的立体图；

图4是本发明另一种实施例的流程图；

图5是本发明另一种实施例的编码信号波形图；

图6是本发明另一种实施例的导波回波示意图；

图7是本发明另一种实施例中调理后的信号波形图；

图8是本发明另一种实施例中经过PC机信号处理后获得的波形图。

图中标记：1-信号发生器；2-功率放大器；3-激励传感器；4-检测传感器；5-信号调理器；6-信号采集器；7-PC机；8-电源；9-第一永磁体；10-第二永磁体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

实施例1，参见图1和图2，一种基于磁致伸缩导波的检测装置，包括：信号发生器1、连接该信号发生器1的功率放大器2、连接该功率放大器2的激励传感器3、检测传感器4、连接该检测传感器4的信号调理器5、连接该信号调理器5的信号采集器6、连接该信号采集器6的PC机7以及给上述装置供电的电源8；其中，所述信号发生器1还连接所述信号采集器6；所述激励传感器3包括沿轴向设置在管道上的第一永磁体9和绕在该第一永磁体9的磁芯上的激励线圈；所述检测传感器4包括沿轴向设置在管道上的第二永磁体10和绕在该第二永磁体10的磁芯上的检测线圈。检测传感器4与激励传感器3相距0.7m。由电源8给各个装置供电，信号发生器1产生编码信号，该编码信号进入功率放大器2进行功率放大，经过功率放大的编码信号进入所述激励传感器3。第二永磁体10沿轴向设置在管道表面，激励线圈绕在该第二永磁体10的磁芯上，由于磁致伸缩效应，在管道中产生机械弹性波，沿着管道轴向传播，当遇到缺陷后，将有一部分机械波反射回到检测传感器4。第二永磁体10沿径向设置在管道表面，检测线圈绕在该第二永磁体10的磁芯上，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器4中感应出电压信号，从而经信号调理器5处理后，再被信号采集器6信号采集，上传到一个PC机7中进行信号处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。在管道外表面部分区域激励与检测导波信号，解决管道与周围物体间空间较小，导致无法安装环绕管道的传感器问题。所述激励信号使用编码信号，增大了激励信号时间宽度，提高了激励导波能量，在增大有效检测距离的同时，提高了管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

优选地，所述信号采集器6中有信号采集卡和连接该信号采集卡的数据存储器，所述信号采集卡连接所述信号发生器1和所述信号调理器5，所述数据存储器连接所述PC机7。经过信号调理器5调理后的回波信号，被信号采集卡采集，信号采集卡将采集到回波信号后发送到数据存储器中，所述数据存储器中的数据发送到PC机7中，进行处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。

实施例2，参见图1至8，一种基于磁致伸缩导波的检测方法，包括如下步骤：

S1、信号发生器1向功率放大器2发出编码信号，电压峰峰值为2V,该功率放大器2将所述编码信号进行功率放大，电压的峰峰值为48V，电流的峰峰值为20A，然后发送到激励传感器3，激励传感器3产生弹性波；同时，该信号发生器1向信号采集器6中的信号采集卡发出触发脉冲；

S2、所述信号采集卡将采集到的回波信号存储到数据存储器中，然后PC机7读取该数据存储器中的数据，并将读取的数据存储到PC机7中；

S3、零相位低通滤波，即将PC机7中的数据先正向低通滤波，然后将数据头尾倒置，再对信号进行低通滤波，得到滤波后的数据；

S4、匹配滤波，即将信号发生器1发出的编码信号作为参考信号，然后将经过零相位低通滤波后的导波信号取其共轭，并作傅里叶变换，变换的结果与参考信号的傅里叶变换相乘，从而获得处理后的检测对象在长度方向上的较高相邻缺陷分辨力的信号；以及

S5、获取匹配滤波后产生信号的包络线，求取包络线的极大值点，且因缺陷位于获取的直达波与首次端部回波间，从而便可确定缺陷的极大值点的时间位置，将缺陷极大值点的时间减去直达波的时间获得的差值，将此差值乘以机械波的传播波速，然后除以2，就获得缺陷与检测传感器4之间的距离信息。

使用编码信号，增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，在增大有效检测距离的同时，提高了管道轴向上相邻缺陷的分辨力，并提高回波信噪比。

实施例3，与实施例2不同的是，步骤S1中的编码信号单次发射脉冲持续的时间为100US。增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，不仅增大了有效检测距离，又提高了管道径向上相邻缺陷的横向分辨力，并提高回波信噪比。

优选地，所述步骤S1中的编码信号单次发射脉冲持续的时间为600US。增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，不仅增大了有效检测距离，又提高了管道径向上相邻缺陷的横向分辨力，并提高回波信噪比。

优选地，所述步骤S1中的编码信号单次发射脉冲持续的时间为1MS。增大了激励信号的时间宽度，提高了激励导波能量，不仅增大了有效检测距离，又提高了管道轴向上相邻缺陷分辨力，并提高回波信噪比。

实施例4，与实施例2和3不同的是，所述编码信号的频率范围为1kHz~50kHz，保证在具有导波能量集中，波形不发散的同时，具有较高的相邻缺陷分辨力。

优选地，所述编码信号的频率范围为50kHz~100kHz，保证在具有导波能量集中，波形不发散的同时，具有较高的相邻缺陷分辨力。

优选地，所述编码信号的频率范围为100kHz~200kHz，保证在具有导波能量集中，波形不发散的同时，具有较高的相邻缺陷分辨力。

实施例5，参见图6至图8，与实施例2到4不同的是，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、检测传感器4检测到回波信号，并将该回波信号发送到信号调理器5；以及

S22、信号调理器5将调理后的信号发送到信号采集器6中的采集卡。

经过信号调理器5调理后的回波信号，被信号采集卡采集，信号采集卡将采集到回波信号后发送到数据存储器中，所述数据存储器中的数据发送到PC机7中，进行处理和分析，最终获得信号中回波位置，确定缺陷位置。

实施例6，参见图6至图8，匹配滤波的公式为：

$U\left(t\right)=\∫\mathrm{kSig}\left(f\right){\mathrm{Sig}}^{*}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf}(t-t_0)}\mathrm{df}$

式中，U(t)表示匹配滤波器的输出信号；Sig(f)表示发射的编码信号的傅里叶变换；k表示有理数；Sig^*(f)表示经过零相位低通滤波后的导波信号数据的傅里叶变换；t表示时间；t₀表示假设参考信号的时间长度为T,取t₀=T。

零相位低通滤波后的信号通过与参考信号匹配滤波，从而提高了,轴向上相邻缺陷分辨力信号。

下表进一步说明了说明匹配滤波器对脉冲宽度压缩的效果，即采用大时间宽度的编码信号提高了激励导波的能量，增大的有效检测距离的同时，同时，得到相邻缺陷间距的高分辨力。

原始信号带宽(kHz)	原始信号脉冲宽度(ms)	匹配滤波后脉冲宽度(us)
			150	1	6.7
100	1	10
			50	1	20
20	1	50
			10	1	100

编码信号为线性调频信号。

优选地，编码信号为步进频率信号。

优选地，回波信号为电压信号。

优选地，信号采集卡接收到触发脉冲后开始采集回波信号。便于得到整个管道上的回波信号，避免遗漏缺陷点，提高了检测的准确率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩导波的检测装置，其特征在于，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集器、连接该信号采集器的PC机以及给上述装置供电的电源；其中，所述信号发生器还连接所述信号采集器；所述激励传感器包括沿轴向置在管道上的第一永磁体和绕在该第一永磁体的磁芯上的激励线圈；所述检测传感器包括沿轴向置在管道上的第二永磁体和绕在该第二永磁体的磁芯上的检测线圈。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩导波的检测装置，其特征在于：所述信号采集器中有信号采集卡和连接该信号采集卡的数据存储器，所述信号采集卡连接所述信号发生器和所述信号调理器，所述数据存储器连接所述PC机。

3.一种基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、信号发生器向功率放大器发出编码信号，该功率放大器将所述编码信号进行功率放大，然后发送到激励传感器，激励传感器产生弹性波；同时，该信号发生器向信号采集器中的信号采集卡发出触发脉冲；

S2、所述信号采集卡将采集到的回波信号存储到数据存储器中，然后PC机读取该数据存储器中的数据，并将读取的数据存储到PC机中；

S3、零相位低通滤波，即将PC机中的数据先正向低通滤波，然后将数据头尾倒置，再对信号进行低通滤波，得到滤波后的数据；

S4、匹配滤波，即将信号发生器发出的编码信号作为参考信号，然后将经过零相位低通滤波后的导波信号取其共轭，并作傅里叶变换，变换的结果与参考信号的傅里叶变换相乘，从而获得处理后的信号，该信号在沿检测对象长度方向上具有较高的相邻缺陷分辨力；以及

S5、获取匹配滤波后产生信号的包络线，求取包络线的极大值点，且因缺陷位于获取的直达波与首次端部回波间，从而便可确定缺陷的极大值点的时间位置，将缺陷极大值点的时间减去直达波的时间获得的差值，将此差值乘以机械波的传播波速，然后除以2，就获得缺陷与检测传感器之间的距离信息。

4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：所述步骤S1中的编码信号单次发射脉冲持续的时间为100US～1MS。

5.根据权利要求4所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：所述编码信号的频率变化范围为1KHZ~200KHZ。

6.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：所述步骤S2包括如下步骤：

S21、检测传感器检测到回波信号，并将该回波信号发送到信号调理器；以及

S22、信号调理器将调理后的信号发送到信号采集器中的采集卡。

7.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，匹配滤波的公式为：

$U\left(t\right)=\∫\mathrm{kSig}\left(f\right){\mathrm{Sig}}^{*}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf}(t-t_0)}\mathrm{df}$

式中，U(t)表示匹配滤波器的输出信号；Sig(f)表示发射的编码信号的傅里叶变换；k表示有理数；Sig^*(f)表示经过零相位低通滤波后的导波信号数据的傅里叶变换；t表示时间；t₀表示假设参考信号的时间长度为T,取t₀=T。

8.根据权利要求5所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：编码信号为线性调频信号或步进频率信号。

9.根据权利要求8所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：检测到的回波信号为电压信号。

10.根据权利要求9所述的基于磁致伸缩导波的检测方法，其特征在于：信号采集卡接收到触发脉冲后开始采集回波信号。

Images