CN113155971A - 一种导波双点传感管道结构损伤检测方法 - Google Patents

一种导波双点传感管道结构损伤检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，包括以下步骤：在管道的周向方向上，在检测区域总选定一个激励点，并以此为基准对称设置双传感点，用于感知管道导波相应信号；在激励点加载窄带激励信号，激发出导波响应信号，采集双传感点的响应信号；对双传感点获得的响应信号提取波包信号，选取主要波包，获得其到达时刻；对比两组响应信号的差异度值，并找出超过阈值的波包及其到达时刻；将超过阈值的波包设定为损伤反射波包，并根据损伤反射波包的到达时刻得出损伤位置。本发明无需考虑多径效应带来的结构响应信号复杂性问题，消除了对基准信号的依赖，降低了时变条件引起的监测误差，检测过程简单，具有一定的实用意义。

Description

一种导波双点传感管道结构损伤检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测方法，尤其涉及一种导波双点传感管道结构损伤检测方法。
背景技术
管道结构广泛应用于石油化工、电厂等工业领域，在工业生产过程中承担了重要的功能。然而许多管道结构长期服役于恶劣工作条件和载荷下，容易发生腐蚀、裂纹等损伤，严重的导致重大安全事故，因此对管道结构进行损伤监测或定期检测意义重大。超声导波传播/监测距离远、对小损伤敏感，因此导波结构损伤监检测方法一直是结构健康监测和无损检测研究和应用的热点之一。对于服役期内的管道结构损伤监测问题，导波管道缺陷监测技术是被认为最具应用前景的技术之一。然而，由于导波在管道结构中传播存在多模、频散效应，以及多径传播特性，使得响应信号十分的复杂，加上复杂工况、电磁干扰等带来的影响，使得信号分析、处理、特征提取存在很多的困难，最终影响了其应用的步伐。相控阵等先进信号处理技术，在监测设备方面有较高的要求，需要引入阵列晶元，成本高，一般场合难以使用；基于分布式传感阵列和基准信号的损伤监测方法中，由于损伤引起的结构响应变化一般很微弱，因此环境噪声等带来的干扰会造成很多的误判，可靠性问题还需要进一步解决。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种无需考虑多径效应带来的结构响应信号复杂性问题，不依赖基准信号，减少监测误差、检测过程简单的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法。
技术方案：本发明所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，包括以下步骤：
步骤一：在管道的周向方向上，在检测区域总选定一个点A作为导波信号的激励点，并以A点为基准，对称设置P1、P2点作为双传感点，用于感知管道导波相应信号；
步骤二：在激励点A加载窄带激励信号，在管道中激发出导波响应信号，同时采集双传感点P1、P2的管道结构响应信号，分别为S1、S2；
步骤三：利用希尔伯特变换方法分别对双传感点获得的管道结构响应信号S1、S2提取波包信号
Figure RE-GDA0003116353410000011
根据能量大小选取主要波包，并分别获得主要波包信号的到达时刻B1和B2，其中B1＝[t1 1,t1 2,t1 3,……]，B2＝[t2 1,t2 2,t2 3,……]；
步骤四：以步骤三中提取的主要波包作为对比单元，并在一定时间段内对比两组响应信号f1(t)和f2(t)的差异度值Dif，并找出两组响应信号首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包及其到达时刻t1 i,t2 j，i,j＝1,2,3,……；
步骤五：将步骤四中提取的首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包设定为损伤反射波包，并根据损伤反射波包的到达时刻t1 i和t2 j得出损伤位置。
步骤二中所述的激励信号经功率放大器输出放大；步骤二中所述的在管道中激发出的导波响应信号通过超声探头进行加载；步骤二中所述的采集双传感点P1、P2的管道结构响应信号利用超声探头采集；步骤三中所述的主要波包为最大幅度10％以上幅度的波包；步骤四中所述的差异度值的计算公式为：
Figure RE-GDA0003116353410000021
步骤五中所述的损伤位置获取方法为：以激励点A为参考原点，损伤位置设为未知数(x,y)，已知信号激励初始时刻t0及导波波速v，设双传感点P1、P2的坐标参数为(x1, y1)、(x2,y2)、波包到达时刻t1 i,和t2 j，代入下面的计算公式：
Figure RE-GDA0003116353410000022
从而得出损伤位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：无需事先收集管道结构健康状态下的响应信号作为基准，且不用考虑多径效应带来的结构响应信号复杂性问题，消除了对基准信号的依赖，降低了时变条件引起的监测误差，检测过程简单，具有一定的实用意义。
附图说明
图1为本发明的实验试件及双传感点、激励点布局示意图；
图2为本发明的窄带激励信号的波形时域图；
图3为本发明的双点对称传感获取得到的两组结构响应信号(S1、S2)时域波形；
图4为本发明的双点对称传感获取得到的两组结构响应信号包络时域波形(S1、S2)；
图5为本发明的双点对称传感获取得到的两组响应信号的信号S1相对于S2的波包差异性计算结果；
图6为本发明的双点对称传感获取得到的两组响应信号的信号S2相对于S1的波包差异性计算结果。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本发明的技术方案作进一步说明。
如图所示的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在管道的周向方向上，在检测区域总选定一个点A作为导波信号的激励点，并以A点为基准，对称设置P1、P2点作为双传感点，用于感知管道导波相应信号；
实施例：采用一直径为150mm、壁厚2mm、长度2000mm的钢质管道结构为对象，选定距离管道一端600mm处周向上任意一点，设定为激励点A，按照四等分间距，在 A点两侧，分别设定双传感点P1、P2，组成损伤检测激励与传感组合，示意图如图1 所示；
步骤二：选择合适的中心频率，在激励点A加载窄带激励信号，在管道中激发出导波响应信号，同时采集双传感点P1、P2的管道结构响应信号，分别为S1、S2；
采用如图2所示的余弦调制五周期正弦信号为激励信号，选定激励信号中心频率为 125kHz，激励信号经功率放大器输出放大后在激励点，通过超声探头加载在管道中激发出导波响应信号，同时采用超声探头在双传感点P1、P2采集结构响应信号，信号通过电荷放大器放大、滤波，最终获得管道结构响应信号S1、S2，如图3所示。
步骤三：利用希尔伯特变换方法分别对双传感点获得的管道结构响应信号S1、S2提取波包信号
Figure RE-GDA0003116353410000031
根据能量大小选取主要波包，并分别获得主要波包信号的到达时刻B1和B2，其中B1＝[t1 1,t1 2,t1 3,……]，B2＝[t2 1,t2 2,t2 3,……]；
如图4所示，首先通过希尔伯特变换方法对管道导波响应信号S1、S2进行波包提取。希尔伯特变换求取信号包括方法为：对于任意信号f(t)，其信号包络
Figure RE-GDA0003116353410000032
为：
Figure RE-GDA0003116353410000033
得到管道导波响应信号S1、S2包络
Figure RE-GDA0003116353410000034
然后对波包信号采用导数过零点方法定位得到各自信号的波包峰值所在的时刻。对于任意信号的波包
Figure RE-GDA0003116353410000035
导数过零点方法可表示为：
Figure RE-GDA0003116353410000041
由于多模效应和多径传播存在多个波包，因此结构响应信号S1、S2包含多个波包，按照能量大小为依据，选取最大幅度10％以上幅度的波包，获得各响应信号主要波包的到达时刻B1、B2，其中B1＝[t1 1,t1 2,t1 3,……]，B2＝[t2 1,t2 2,t2 3,……]。
步骤四：以步骤三中提取的主要波包作为对比单元，并在一定时间段内对比两组响应信号f1(t)和f2(t)的差异度值Dif，并找出两组响应信号首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包及其到达时刻t1 i,t2 j，i,j＝1,2,3,……，计算公式为：
Figure RE-GDA0003116353410000042
计算出的S1传感响应信号的波包相对于S2传感响应信号波包的差异度计算结果如图5所示，各波包对应的差异度各有不同，设定0.7为阈值，提取第一个差异度值超过阈值的波包。从图5所示的计算结果，得到的首个主要波包相差异度值出现在约0.1ms 处。
以结构响应信号S1为参考，以激励信号脉宽为波包时间窗长，计算结构响应信号S2各波包与相同时刻点结构响应信号S1信号的差异性，得到的差异度计算结果如图6 所示。由于S2传感响应信号复杂度要略高于S1传感响应信号，其波包数要多于后者。首个出现的差异度值超过阈值的波包，出现在约0.09ms处，与实际观察到的波形情况相符。
步骤五：将步骤四中提取的首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包设定为损伤反射波包，并根据损伤反射波包的到达时刻t1 i和t2 j得出损伤位置。
由于激励点一致，认定的损伤散射波包均来自损伤反射，因此损伤为该波包的二次波源，激励信号发出时间和损伤波包到达时间已知的情况下，激励信号延激励器-损伤-传感器的传播路径的传播时间即可确定，以激励点A为参考原点，损伤位置设为未知数 (x,y)，已知信号激励初始时刻t0及导波波速v，设双传感点P1、P2的坐标参数为(x1,y1)、 (x2,y2)、波包到达时刻t1 i,和t2 j，代入下面的计算公式：
Figure RE-GDA0003116353410000043
从而得出损伤位置。
带入参数，计算得到缺陷的所在位置为(-38mm,205mm)，与实际损伤位置(-59mm，200mm)间的误差为(-21mm,-5mm)，基本上满足定位需求，实现了快速检测，且不需要任何先验知识作为支撑。

Claims (7)

1.一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在管道的周向方向上，在检测区域总选定一个点A作为导波信号的激励点，并以A点为基准，对称设置P1、P2点作为双传感点，用于感知管道导波相应信号；
步骤二：在激励点A加载窄带激励信号，在管道中激发出导波响应信号，同时采集双传感点P1、P2的管道结构响应信号，分别为S1、S2；
步骤三：利用希尔伯特变换方法分别对双传感点获得的管道结构响应信号S1、S2提取波包信号
Figure FDA0002986364870000011
根据能量大小选取主要波包，并分别获得主要波包信号的到达时刻B1和B2，其中B1＝[t1 1,t1 2,t1 3,……]，B2＝[t2 1,t2 2,t2 3,……]；
步骤四：以步骤三中提取的主要波包作为对比单元，并在一定时间段内对比两组响应信号f1(t)和f2(t)的差异度值Dif，并找出两组响应信号首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包及其到达时刻t1 i,t2 j，i,j＝1,2,3,……；
步骤五：将步骤四中提取的首个与对方信号波包差异度超过阈值的波包设定为损伤反射波包，并根据损伤反射波包的到达时刻t1 i和t2 j得出损伤位置。
2.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤二中所述的激励信号经功率放大器输出放大。
3.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤二中所述的在管道中激发出的导波响应信号通过超声探头进行加载。
4.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤二中所述的采集双传感点P1、P2的管道结构响应信号利用超声探头采集。
5.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤三中所述的主要波包为最大幅度10％以上幅度的波包。
6.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤四中所述的差异度值的计算公式为：
Figure FDA0002986364870000012
7.根据权利要求1所述的一种导波双点传感管道结构损伤检测方法，其特征在于，步骤五中所述的损伤位置获取方法为：以激励点A为参考原点，损伤位置设为未知数(x,y)，已知信号激励初始时刻t0及导波波速v，设双传感点P1、P2的坐标参数为(x1,y1)、(x2,y2)、波包到达时刻t1 i,和t2 j，代入下面的计算公式：
Figure FDA0002986364870000021
从而得出损伤位置。
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