CN105403621A - 一种主动监测金属管材结构损伤的方法 - Google Patents

Abstract

一种主动监测金属管材结构损伤的方法，本发明包括步骤：1)发射换能器激励信号：在被测管材上布置一定数量换能器阵列，由信号发生器产生脉冲信号，并且同时加载到发射换能器阵列，作为激励信号；2)反时序信号处理：由接收换能器接收步骤1)在介质中超声信号，对接收到的信号依次进行反时序并进行归一化处理；3)获自聚焦兰姆波信号：将步骤2)中反时序后信号再次加载到相应发射换能器阵列，作为发射信号再次发射，在接收换能器处接收到自聚焦兰姆波信号，经过反时序后使信噪比增强；4)缺陷损伤识别：对步骤3)中聚焦信号进行时频分析，找出缺陷损伤与信号变化关系。本发明用于金属管材结构损伤主动监测识别。

Description

一种主动监测金属管材结构损伤的方法

技术领域

本发明涉及的是金属管材损伤无损检测领域，具体是一种自聚焦非线性兰姆波和信号反时序的金属管材结构损伤主动监测的方法。

背景技术

金属管材结构在航空、航天、汽车、石油化工业中作为气体和液体的输送管路和结构件，得到了广泛的应用。这与人们的生产、生活息息相关，一旦出现损伤而未及时得到监测，将造成巨大经济损失，给社会和生态环境带来十分严重的影响。因此，建立一种金属管材结构损伤的监测方法，为金属管材的安全使用提供必要的技术支撑十分必要。

主动结构损伤监测指通过驱动器对结构施加主动激励信号，通过传感器接收结构的响应信号，并对响应信号进行结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。主动结构损伤监测技术可在任何需要的时刻对结构进行在线监测，无需时刻监测，有效节省能源。超声导波具有良好的穿透性并能与缺陷或损伤发生相互作用。它具有沿传播路径衰减小，传输距离远，引起质点振动能遍及构件内部和表面的特点，在管道、平面等大型构件的监测中表现出更大的优势。因此，它必然是固体管道结构的一种有效检测手段。而兰姆波在管形结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这些以及损伤周围区域都会引起在结构中传播的兰姆波信号的散射和能量吸收。基于此种现象，兰姆波被用来对结构中损伤或缺陷进行监测。然而，兰姆波在管材传播过程存在模式转换及频散现象，现有超声检测方法主要基于线性声学，虽然简化了分析过程但同时限定了超声检测的准确度和灵敏性，而且传统信号分析方法仅从时域信号中，对信号中波包的到达时间兰姆波幅度变化、波形畸变程度信息来对损伤缺陷尤其是微小损伤缺陷有无进行判定和确定难度很大，而且兰姆波检测信号属典型的非平稳信号，由于兰姆波的频散特性使得单纯地从时域或频域都不可能详尽地揭示信号所包含的信息，这大大限制了兰姆波在管材领域监测损伤缺陷的应用。

此外，当声波信号在金属管材中传播时，会受到介质不均匀性、时空异变性以及多途径效应影响，产生严重的畸变，这大大降低了声信号处理的性能。对信号进行反时序处理，能实现了脉冲声波的自适应聚焦和相干目标信号的时间匹配滤波。声波反时序法是一种不需要介质和换能器阵列性质及结构的先验知识，就可以实现声波自适应修正多途径引起的畸变，从而实现聚焦的检测方法。产生聚焦增益，提高信号的信噪比，这一特性使反时序法在超声聚焦和检测中得到了很大的发展和应用。此外，反时序法对缺陷定位分析将提供准确信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用信号反时序的自聚焦非线性兰姆波主动监测金属管材损伤的方法，目的在于克服现有超声波无损检测对金属管材结构中微小损伤识别能力不高，综合利用自聚焦非线性兰姆波和反时序原理，实现金属管材中损伤的精准识别。

一种主动监测金属管材结构损伤的测试系统包括：可编程任意波形发射器、换能器阵列、数字信号示波器和计算机。所述的换能器阵列中包括发射换能器和接收换能器均为同型号同材质的可逆压电晶体，也就是换能器中任何一个换能器均可以作为发射换能器又可以作为接收换能器使用，换能器阵列谐振频率均为1.5MHz；所述的可编程任意波形发射器所产生的波形信号是通过计算机MATLAB程序编写的正弦猝发波其中心频率为275kHz；所述的数字信号示波器为泰克DPO70404C，可以对接收到的波形信号实时显示并存储，与计算机的连接方式是以太网。所述的数字示波器的采样速率不小于2.5GS/s。

本发明的技术方案是提供一种利用自聚焦非线性兰姆波和反时序原理的主动监测金属管材损伤的方法，步骤包括：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测金属管材上布置一定数量换能器阵列第一发射换能器、第二发射换能器、第三发射换能器和接收换能5，由任意波形信号发射发出的正弦脉冲波，中心频率为275kHz，并且同时分别加载到第一发射换能器、第二发射换能器、第三发射换能器，作为激励信号；

步骤二、信号反时序处理：

由接收换能器接收步骤一在金属管材介质中超声信号，接收换能器将信号同步传输到数字信号示波器中，接收到的第一次波形信号在数字信号示波器进行显示存储后传输到计算机，利用计算机编写的程序并对信号进行反时序、归一化处理；

步骤三：获得金属管材中的聚焦信号：

将步骤二中的反时序、归一化处理后的信号由计算机下载到可编程任意波形发射器中再次同时加载到第一发射换能器、第二发射换能器、第三发射换能器，作为发射信号再次发射，在接收换能器处接收到自聚焦兰姆波信号，经过反时序处理后信号使信噪比得到增强；

步骤四：损伤识别

对步骤三中的聚焦信号进行时频联合分析，除了声源激励频率275kHz外，还出现了新的频率成分即三次谐波810kHz，而且时间是聚焦峰值出现的时间。主要是因为金属管材中裂纹的存在，使兰姆波聚焦信号发生频率转换，由此可准确判断出损伤的存在。

本发明的有益效果：

1.主动结构监测金属管材结构健康状态，利用发射换能器对金属管材结构施加主动激励信号，并对响应信号进行结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的，主动结构监测法可在任何需要的时刻对结构进行在线监测，无需时刻监测，有效节省能源。

2.信号反时序法把原来在介质中由于声波传播的多途径效应而展宽的声脉冲信号变成会聚声波，而且它不需要事先了解被测介质结构性质、传感器阵列在被测介质结构中布局等的先验知识，就可以自动矫正被测目标和传感换能器之间不均匀性而产生的相位畸变、时延的差异，提高有用信号和噪声信号即信噪比。

3.兰姆波信号分析是一个需要同时观测时域与频域信息的过程。既要通过时域观察不同散射源引起的到达信号的位置、区分不同模式的波包成分，又要从频域进行观察确定信号的频率成分和频谱峰值的变化，判定不同频率信号的到达时刻、确定兰姆波传播的频散特性。因此，本发明采用时频联合分析方法，即把信号展开到二维时频空间上观察，可以同时观察信号在不同频率处的时间历程，能更精确、更全面地反映出分析信号的特征。信号的时频谱图表示的是信号在时频空间上的能量密度分布情况，因而，当被测结构中存在缺陷时，信号在时频空间上的能量密度或多或少会发生变化，主要表现为时频谱峰值的变化和时频谱成分的改变。这样通过这两个特征参数不仅可以确定金属管材中是否存在缺陷损伤。

附图说明：

附图1是主动监测金属管材结构损伤的自聚焦非线性兰姆波系统图；

附图2是聚焦波形信号的时频联合分析图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法测试系统包括：可编程任意波形发射器、换能器阵列、数字信号示波器和计算机。所述的换能器阵列中包括发射换能器和接收换能器均为同型号同材质的可逆压电晶体，也就是换能器中任何一个换能器均可以作为发射换能器又可以作为接收换能器使用，换能器阵列谐振频率均为1.5MHz；所述的可编程任意波形发射器所产生的波形信号是通过计算机MATLAB程序编写的正弦猝发波其中心频率为275kHz；所述的数字信号示波器为泰克DPO70404C，可以对接收到的波形信号实时显示并存储，与计算机的连接方式是以太网。所述的数字信号示波器的采样速率不小于2.5GS/s。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法的区别在于，所述的可编程任意波形发射器所产生的波形信号是通过计算机MATLAB程序编写的正弦猝发波其中心频率为275kHz。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法的区别在于，数字信号示波器为泰克DPO70404C，数字信号示波器的采样速率不小于2.5GS/s。

下面结合附图1举例，实验中选择的金属管材为石油裂化无缝钢管，牌号为45，试样外圆平均直径为60.3mm、内圆平均直径为54.6mm、平均壁厚为3.5mm，长度为800mm，管材长度1/3处含有通透微裂纹。

实施例1：

自聚非线性焦兰姆波金属管材损伤主动监测方法，测试系统包括：可编程任意波形发射器1，换能器阵列包括第一发射换能器2、第二发射换能器3、第三发射换能器4和接收换能器5，数字信号示波器6、计算机7。步骤包括：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测金属管材上布置一定数量换能器阵列第一发射换能器2、第二发射换能器3、第三发射换能器4和接收换能器5，由任意波形信号发射1发出的正弦脉冲波，中心频率为275kHz，并且同时分别加载到第一发射换能器2、第二发射换能器3、第三发射换能器4，作为激励信号；

步骤二、信号反时序处理：

由接收换能器5接收步骤一在金属管材介质中超声信号，接收换能器5将信号同步传输到数字信号示波器6中，接收到的第一次波形信号在数字信号示波器6进行显示存储后传输到计算机7，利用计算机编写的程序并对信号进行反时序、归一化处理；

步骤三：获得金属管材中的聚焦信号：

将步骤二中的反时序、归一化处理后的信号由计算机7下载到可编程任意波形发射器1中再次同时加载到第一发射换能器2、第二发射换能器3、第三发射换能器4，作为发射信号再次发射，在接收换能器5处接收到自聚焦兰姆波信号，经过反时序处理后信号使信噪比得到增强；

步骤四：损伤识别

对步骤三中的聚焦信号进行时频联合分析，如图2所示。从图2中，可以看出，除了声源激励频率275kHz外，还出现了新的频率成分即三次谐波810kHz，而且时间是聚焦峰值出现的时间。主要是因为金属管材中裂纹的存在，使兰姆波聚焦信号发生频率转换，由此可准确判断出损伤的存在。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

本发明的基本原理是：

本发明方法综合利用非线性兰姆波对管材结构及平面结构中缺陷或损伤的敏感性和反时序处理的自聚焦特性，使得兰姆波与缺陷或损伤相关的特征信号经反时序后得到增强，提高了信噪比，实现对金属管材结构缺陷或损伤的精准识别。

结合以下数学公式进一步说明本发明：

当介质中没有损伤时，声波在介质中传播可用一维情况下的应力与应变的关系来描述，由广义胡克定律可知

σ=R₀ε(1-Kε-δε²…)(1)

式中：R₀为线性弹性模量；K为二阶非线性弹性系数；为三阶非线性弹性系数。

然而当被测金属管材结构中出现损伤时，介质结构中将会产生滞回现象，式(1)将不再成立，此时R弹性模量可表示为：

(2)

式中：K为二阶非线性系数；d为三阶非线性系数，表示为滞回介质中应力与应变的关系，其中d为非线性参数，反映了金属结构介质中的滞回效应；为应变率，Δε为平均应变幅度，如果，则，如果，。

在经典非线性系统中，非线性声学影响会使中心频率分布产生变化，也就是说当应变幅度为Δε、频率为ω的超声波传播一段距离后，产生频率为2ω和3ω的高频成分，相对应的应变幅分别为(Δε)²和(Δε)³。然而具有滞回效应的材料如金属钢管材、平面结构等，三次谐波幅值与(Δε)²成正比，且不会出现二次谐波。由此可见滞回效应表现为二阶效应。

Claims (5)

1.本发明的技术方案是提供一种主动监测金属管材结构损伤的方法，其特征在于，测试系统包括：可编程任意波形发射器（1），换能器阵列包括第一发射换能器（2）、第二发射换能器（3）、第三发射换能器（4）和接收换能器（5），数字信号示波器（6）、计算机（7）；所述的发射换能器阵列中第一发射换能器（2）、第二发射换能器（3）、第三发射换能器（4）和接收换能器（5）均为同型号同材质的可逆压电晶体，也就是换能器中任何换能器均可以作为发射换能器，又可以作为接收换能器，换能器阵列谐振频率均为1.5MHz；所述的任意波形发射器所产生的波形信号是通过计算机MATLAB程序编写的正弦猝发波其中心频率为275kHz；所述的数字信号示波器为泰克DPO70404C，可以对接收到的波形信号实时显示并存储，与计算机的连接方式以太网。

2.根据权利要求1所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法，其特征在于，所述的可编程任意波形发射器所产生的波形信号是通过计算机MATLAB程序编写的正弦猝发波其中心频率为275kHz。

3.根据权利要求1所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法，其特征在于，数字信号示波器为泰克DPO70404C，数字信号示波器的采样速率不小于2.5GS/s。

4.根据权利要求1所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测金属管材上布置一定数量换能器阵列第一发射换能器（2）、第二发射换能器（3）、第三发射换能器（4）和接收换能器（5），由任意波形信号发射（1）发出的正弦波，中心频率为275kHz，并且同时分别加载到第一发射换能器（2）、第二发射换能器（3）、第三发射换能器（4），作为激励信号；

步骤二、信号反时序处理：

由接收换能器（5）接收步骤一在金属管材介质中超声信号，接收换能器（5）将信号同步传输到数字示波器（6）中，接收到的第一次波形信号在数字信号示波器（6）进行显示存储后传输到计算机（7），并对信号进行反时序、归一化处理；

步骤三：获得金属管材中的聚焦信号：

将步骤二中的反时序、归一化处理后的信号再次加载到发射换能器（2）、发射换能器（3）、发射换能器（4）后，作为发射信号再次发射，在接收换能器（5）处接收到自聚焦兰姆波信号，经过反时序处理后信号使信噪比得到增强；

步骤四：损伤识别

对步骤三中的聚焦信号进行时频联合分析，除了声源激励频率275kHz外，还出现了新的频率成分即三次谐波810kHz，而且时间是聚焦峰值出现的时间；主要是因为金属管材中裂纹的存在，使兰姆波聚焦信号发生频率转换，由此可准确判断出损伤的存在。

5.根据权利要求2所述的一种主动监测金属管材结构损伤的方法，其特征在于，所述自聚焦非线性兰姆波损伤缺陷特征参数为三次谐波。