CN113804134B - 基于高频散超声导波的锚固件径向最大腐蚀深度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法及系统，其中，方法包括：获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号；对时域信号进行短时傅里叶变换，生成时间‑频率关系；根据时间‑频率关系和部件的长度，确定群速度频散曲线；基于群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率；根据第一截止频率、预先标定的目标模式的第二截止频率和半径，计算部件的径向最大腐蚀深度。根据本公开的技术方案能够实现锚栓等圆柱状结构中径向最大腐蚀深度的定量检测，提高腐蚀深度检测精度，且无需拆卸锚栓，实现在役检测，操作简便，节约成本。

Description

基于高频散超声导波的锚固件径向最大腐蚀深度检测方法及 系统

技术领域

本公开涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法及系统。

背景技术

在风电设备中，针对连接桨叶与转轴的螺栓和针对水泥基中固定整个风电塔筒的锚栓这两类连接件的损伤检测具有重要意义。一方面，螺栓和锚栓均承受疲劳载荷，易萌生微裂纹，并由其在持续服役过程中逐渐扩展致使连接件完全断裂失效；另一方面，螺栓、锚栓等零件在长时极端服役环境下，易受多种侵蚀而逐渐出现腐蚀缺陷，进而损害风电机组整体的使用寿命。损伤缺陷的萌生与扩展对连接件的服役可靠性产生极大影响，一旦单个连接件失效，阵列受力平衡被打破带来载荷不均匀分配，导致阵列中所有连接件加速失效、服役寿命断崖式降低。而海上风电设备，因其工作环境湿度高、盐分高，腐蚀情形屡见不鲜，且锚固件深埋的水泥基与海水直接接触，腐蚀程度更加严重。因此，开展针对锚固件的腐蚀损伤检测对保障风电机组的安全可靠服役与剩余使用寿命预测至关重要。

相关技术中，针对风电机组中的锚固件检测，如采用磁粉检测、射线检测、超声体波检测等，均需将零件完全拆卸，暴露于整台设备之外，才能对其展开全局排查，检测难度高、检测成本高，且难以用于已在安装工位上服役的锚固件。

此外，风电工业中通过采用大于强度设计要求直径的锚栓以提高安全系数，然而，对于一台发电机组，锚栓使用量可以达到几十根，国内外大规模分布海上、陆上风电机组中长期间服役的锚栓数量庞大，锚固件直径补偿将显著增加制造成本。并且对于长时间服役过程，锚栓腐蚀不可避免，有必要对锚栓腐蚀程度进行主动监测，根据监测结果主动替换锚栓，以提升锚栓服役和更换的经济性。

相关技术中，通过超声体波进行检测的方法：锚栓安装在工位时，超声体波仅能对锚栓长度进行表征，而无法对结构厚度实现全覆盖检测，因此必须对锚栓端面逐点扫描才能获得锚栓的全范围信息。而腐蚀是一种长时间逐渐累积的损伤形式，呈现轴向尺寸渐变的特征，边界通常不发生明显反射，因此难以通过传统超声体波进行腐蚀检测。

相关技术中，通过超声相控阵进行检测的方法：相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术。然而，使用超声相控阵进行检测时，扫描区域过长会使扫描聚焦远端的检查范围受到声束转角的影响增大，难以通过调整声束转角实现远端连续精准测量；且利用反射波检测时，由于波传播距离长，缺陷引起的反射时间变化相较于整个检测过程过小，对毫米级的腐蚀检测灵敏度不够，因此难以实现长锚栓腐蚀缺陷的定量检测与评价。

因此，针对相关技术中存在的成本高、检测准确度低、无法实现在役检测等问题，亟需发展一种能够实现锚栓腐蚀缺陷定量在役检测的方案。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法及系统。

第一方面，本公开实施例提供了一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法，包括：

获取在所述部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号；

对所述时域信号进行短时傅里叶变换，生成所述时域信号的时间频率关系；

根据所述时间频率关系和所述部件的长度，确定所述频散超声导波的群速度频散曲线；

基于所述群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率；

根据所述第一截止频率、预先标定的所述目标模式的第二截止频率和半径，计算所述部件的径向最大腐蚀深度。

在本公开的一个实施例中，所述频散超声导波包括：T(0,2)模式的超声导波。

在本公开的一个实施例中，所述获取在所述部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，包括：获取所述频散超声导波的多个检测信号，其中，所述多个检测信号是基于所述部件端面的周向上的多个换能器采集得到的，对于所述多个换能器中的任一个第一换能器，存在一个第二换能器使第一换能器与第二换能器之间的连线经过端面圆心；将所述多个检测信号叠加，生成所述时域信号。

在本公开的一个实施例中，通过如下公式计算所述径向最大腐蚀深度：

K＝r₀-r

其中，K为所述径向最大腐蚀深度，r₀为预先标定的半径，f₀为所述第二截止频率，f为所述第一截止频率。

第二方面，本公开实施例提供了一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测系统，包括：

激励单元，圆柱状结构部件，接收单元，处理单元；其中，所述激励单元和所述接收单元设置在所述部件的端面上，所述处理单元与所述接收单元连接；

其中，所述激励单元用于生成频散超声导波的激励信号并将所述激励信号转换为振动信号，以在所述部件中形成沿轴向传播的频散超声导波；

所述接收单元用于接收所述振动信号以形成检测信号，并将所述检测信号发送至所述处理单元；

所述处理单元用于执行以下步骤：

获取所述频散超声导波的时域信号，对所述时域信号进行短时傅里叶变换，生成所述时域信号的时间频率关系；

根据所述时间频率关系和所述部件的长度，确定所述频散超声导波的群速度频散曲线；

基于所述群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率；

根据所述第一截止频率、预先标定的所述目标模式的第二截止频率和半径，计算所述部件的径向最大腐蚀深度。

在本公开的一个实施例中，所述激励单元包括：由多个梯形压电陶瓷并联组成的压电片组合，其中，所述多个梯形压电陶瓷在所述部件的端面沿周向分布，且所述梯形压电陶瓷的长边远离端面中心、短边靠近端面中心。

在本公开的一个实施例中，所述压电陶瓷与所述部件的端面通过胶黏剂粘连固结，或者，所述压电陶瓷封装制备形成超声换能器，所述超声换能器通过耦合剂与所述部件的端面耦合。

在本公开的一个实施例中，所述激励单元和所述接收单元设置在所述部件的同一端面上，或者，所述激励单元和所述接收单元分别设置在所述部件的不同端面上。

在本公开的一个实施例中，所述部件包括锚栓，预先将所述激励单元和所述接收单元分别设置在所述锚栓的不同端面上，并将所述激励单元、所述接收单元和所述处理单元进行集成以形成检测设备；

所述激励单元，具体用于按照设定的检测时间生成频散超声导波的激励信号并将所述激励信号转换为振动信号，以在所述锚栓中形成沿轴向传播的频散超声导波；

所述处理单元，还用于确定各检测时间下所述锚栓的径向最大腐蚀深度，根据所述各检测时间下所述锚栓的径向最大腐蚀深度生成所述锚栓的全时间径向腐蚀深度情况。

在本公开的一个实施例中，所述处理单元还用于：

根据所述锚栓的径向腐蚀深度情况计算所述锚栓的强度；

判断所述锚栓的强度是否满足所述检测设备中预先存储的报警条件，并在满足所述报警条件的情况下进行报警。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：通过获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，基于短时傅里叶变换得到群速度频散曲线，进而确定第一截止频率，根据第一截止频率计算径向最大腐蚀深度，实现了锚栓等圆柱状结构中径向最大腐蚀深度的定量检测，提高腐蚀深度检测精度，且无需拆卸锚栓，实现在役检测，操作简便，节约成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所提供的一种用于圆柱状结构部件的腐蚀深度检测方法的流程示意图；

图2为本公开实施例提供的圆柱结构中沿轴向传播的导波的相速度频散曲线示意图；

图3为本公开实施例提供的圆柱结构中沿轴向传播的导波的群速度频散曲线示意图；

图4为本公开实施例提供的直径48mm圆柱结构中沿轴向传播的 T(0,n)模式超声导波的相速度频散曲线；

图5为本公开实施例提供的直径48mm圆柱结构中沿轴向传播的 T(0,n)模式超声导波的群速度频散曲线；

图6为本公开实施例所提供的一种用于圆柱状结构部件的腐蚀深度检测系统的示意图；

图7为本公开实施例所提供的一种在端面设置d₁₅型压电片组合的示意图；

图8为本公开实施例所提供的另一种在端面设置d₂₄型环形压电片的示意图；

图9示出了扭转模式超声导波在同一锚栓中不同时刻的传播的过程；

图10示出了锚栓无腐蚀时响应信号的振幅随时间的变化而变化关系；

图11示出了锚栓的径向最大腐蚀深度为1mm时响应信号的振幅随时间的变化而变化关系；

图12示出了锚栓的径向最大腐蚀深度为2mm时响应信号的振幅随时间的变化而变化关系；

图13示出了锚栓的径向最大腐蚀深度为4mm时响应信号的振幅随时间的变化而变化关系；

图14为T(0,1)模式超声导波和T(0,2)模式超声导波的频率关于时间的曲线示意图；

图15为设计直径为48mm的锚栓径向最大腐蚀深度关于截止频率的曲线示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本公开实施例所提供的一种用于圆柱状结构部件的腐蚀深度检测方法的流程示意图。本公开实施例提供的方法可以由用于圆柱状结构部件的腐蚀深度检测装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件实现，并可集成在任意具有计算能力的电子设备上，例如智能手机、平板电脑等用户终端。

如图1所示，本公开实施例提供的用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法可包括：

步骤101，获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号。

本公开实施例的方法，可以用于锚栓等圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度定量检测。其中，该方法可以广泛适用于轴向长度长、且沿轴向长度横截面积不变的圆柱状结构，圆柱状结构部件包括但不限于螺栓、锚栓、锚杆、钢筋等。

本公开实施例中，以锚栓为例进行说明，锚栓可视为截面直径不变、两端包含螺纹的圆柱状结构，长度为2～3米。在实际应用中，锚栓深埋在混凝土中，只有一个端面裸露，可利用该裸露端面进行检测，使超声导波在锚栓内沿轴向传播并与腐蚀区域发生交互作用。

其中，对于沿着圆柱状结构轴向传播的导波，根据质点振动方向分为纵波(L)、扭转波(T)以及弯曲波(F)，用T(m,n)表示一个扭转波模式组，则m代表模式的周向阶数，n代表模式组的阶数。其中，频散是指超声波速随频率变化而改变的现象，可通过相速度和群速度的变化衡量。频散超声导波是指具有强频散特性的超声导波，频散超声导波可包括：T(0,n)模式的超声导波、L(0,n)模式的超声导波，n为大于1 的整数。在圆柱状结构内轴向传播的导波的相速度和群速度关于频厚积的频散曲线可分别参照图2和3所示，图2中纵坐标表示相速度 (m/ms)，横坐标表示频厚积(MHz-mm)，图3中纵坐标表示群速度(m/ms)，横坐标表示频厚积(MHz-mm)。

相速度为导波某一恒定相位在空间中的传播速度；群速度是指一族频率相近的波的波包传播速度。群速度、相速度的变化与结构的频率厚度乘积(简称频厚积)相关，而在锚栓中，群速度、相速度与锚栓的频率半径乘积相关。频散关系可通过频散曲线描述，由于腐蚀导致半径减小，因此可利用频散超声导波频散曲线定量描述锚栓腐蚀缺陷。高阶模式的导波存在截止频率，在截止频率处，相速度趋于无穷大，群速度趋于0。截止频率值可以基于频散曲线确定，本公开实施例中将截止频率用于径向最大腐蚀深度测量。

本公开实施例中，以T(0,2)模式的超声导波为例进行说明。扭转模式的T(0,2)模式在截止频率附近频散极强，同时在截止频率附近激励时，激励出的其他模式少，因此在信号分析处理时能够减少干扰。扭转模式导波在直径48mm锚栓中传播时相速度频散曲线和群速度频散曲线可分别参照图4和5所示，图4中纵坐标表示相速度(m/ms)，横坐标表示频率(MHz)，图5中纵坐标表示群速度(m/ms)，横坐标表示频率 (MHz)。以图4为例，图4中左侧虚线对应的横坐标频率值示出了该场景下T(0,2)模式的截止频率，右侧虚线对应的横坐标频率值示出了该场景下T(0,3)模式的截止频率，此外，虽然图中其他部分未示出，此处不应作为限制。

本实施例中，通过激发出T(0,2)模式的超声导波，使T(0,2)模式的超声导波在锚栓中轴向传播，进而采用反射法或透射法进行检测，得到T(0,2)模式的超声导波的检测信号，以获取信号中所包含的结构信息。

进一步地，在实际应用中，在锚栓中激发轴对称的T(0,2)模式超声导波时，会伴随产生非对称的F模式。为了信号分析结果的准确性，在信号分析时需要去除F模式的干扰，因此，在本公开的一个实施例中，可以在部件端面的周向上设置多个换能器。其中，对于多个换能器中的任一个第一换能器，存在一个第二换能器使第一换能器与第二换能器之间的连线经过端面圆心，即每一个换能器转过180°的位置存在另一个换能器。基于多个换能器采集得到多个检测信号，则获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，包括：获取频散超声导波的多个检测信号，将所有采集得到的周向粒子位移矢量进行正交分解，获得沿圆周的切向分量及法向分量(即沿半径方向分量)。将所获切向位移进行相加，获得消除F模式的T模式导波信号。

步骤102，对时域信号进行短时傅里叶变换，生成时域信号的时间频率关系。

步骤103，根据时间频率关系和部件的长度，确定频散超声导波的群速度频散曲线。

步骤104，基于群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率。

本实施例中采用短时傅里叶变换。通过短时傅里叶变换可以根据一个时域信号获得信号的时间-频率关系，进而，根据预先确定的锚栓长度，通过时间计算得到群速度与频率的关系，得到群速度频散曲线。

进一步地，由于截止频率处的群速度最小，因此截止频率处的成分传播时间最长，基于群速度频散曲线确定第一截止频率可以有多种。例如，目标模式为T(0,2)模式，可以T(0,2)模式频散曲线上的点进行拟合得到渐近线，根据渐近线确定第一截止频率，再例如，可以确定T(0,2) 模式最慢成分(即传播时间最长的频率)，作为第一截止频率。前述两种方式在本实施例中均满足求解精度。

步骤105，根据第一截止频率、预先标定的目标模式的第二截止频率和半径，计算部件的径向最大腐蚀深度。

由于T(0,2)模式是频散模式，随着频率厚度积减小，一些低频成分与半径的乘积低于截止频率半径积，导致这些低频成分不能传播通过腐蚀区域。可见，截止频率反映了通过径向最大腐蚀深度的频率最低成分，能通过腐蚀区域的最低频率取决于锚栓径向腐蚀深度最大处的半径，通过腐蚀区域的T(0,2)模式最低频率随着径向最大腐蚀深度的增加而升高。

其中，标定过程可基于与待测锚栓具有相同材料属性、且未被腐蚀的圆柱状结构来测试确定：预先标定的半径为该圆柱状结构的半径，第二截止频率为基于该圆柱状结构标定的截止频率，对于不同模式的频散超声导波，可分别进行标定得到不同的第二截止频率，以T(0,2) 模式为例，可以在对锚栓进行检测前，基于该圆柱状结构得到T(0,2) 模式超声导波的第二截止频率。标定得到第二截止频率的具体实现方式可参照第一截止频率，此处不再赘述。

本实施例中，通过如下公式计算径向最大腐蚀深度：

K＝r₀-r

其中，K为径向最大腐蚀深度，r₀为预先标定的半径，f₀为第二截止频率，f为第一截止频率。

根据本公开实施例的技术方案，通过获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，基于短时傅里叶变换得到群速度频散曲线，进而确定第一截止频率，根据第一截止频率计算径向最大腐蚀深度，可以实现如下技术效果：(1)实现了锚栓等圆柱状结构中径向最大腐蚀深度的定量检测，为在役远端检测难题提供了解决思路；(2)无需拆卸锚栓，实现在役检测，同时也避免了对混凝土基础的破坏与重建，节约成本；(3)操作简便，可以对锚栓长期多次检测，及时获取锚栓的腐蚀损伤程度，从而提升发电机组安全性，降低使用粗锚栓补偿腐蚀带来的经济成本增加，提升经济性；(4)相较于超声体波减少操作的复杂程度，提升了可信度，且不依赖损伤角度，无需调整检测角度，相比超声相控阵检测操作难度小，且检测范围比超声相控阵检测更大。

下面对腐蚀深度检测系统进行说明。

图6为本公开实施例所提供的一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测系统的示意图，如图6所示，该系统包括：激励单元，圆柱状结构部件，接收单元，处理单元。其中，激励单元和接收单元设置在部件的端面上，处理单元与接收单元连接。

本实施例中，激励单元用于生成频散超声导波的激励信号并将激励信号转换为振动信号，以在部件中形成沿轴向传播的频散超声导波。其中，圆柱状结构部件包括但不限于螺栓、锚栓、锚杆、钢筋等。频散超声导波是指具有强频散特性的超声导波，频散超声导波可包括： T(0,n)模式的超声导波、L(0,n)模式的超声导波，n为大于1的整数。激励单元可包括换能器，换能器在激励时将电信号转换为振动信号。接收单元用于接收振动信号以形成检测信号，并将检测信号发送至处理单元。接收单元可包括换能器，换能器在接收时将振动信号转换为电信号。

处理单元用于执行以下步骤：获取频散超声导波的时域信号，对时域信号进行短时傅里叶变换，生成时域信号的时间-频率关系；根据时间-频率关系和部件的长度，确定频散超声导波的群速度频散曲线；基于群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率；根据第一截止频率、预先标定的目标模式的第二截止频率和半径，计算部件的径向最大腐蚀深度。

本公开实施例所提供的处理单元可执行本公开实施例所提供的任意用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。本公开实施例中未详尽描述的内容可以参考本公开任意方法实施例中的描述。

本实施例中，为了能够激励出T(0,2)模式，在端面施加的激励应适配T(0,2)模式的振动模态以及波结构。

作为一种示例，激励单元包括：由多个d₁₅型梯形压电陶瓷并联组成的压电片组合，其中，多个d₁₅型梯形压电陶瓷在部件的端面沿周向分布，每个梯形压电陶瓷转过180°的位置存在另一个梯形压电陶瓷，且梯形压电陶瓷的长边远离端面中心、短边靠近端面中心。压电片组合的示意图可参照图7所示。

可选地，多个梯形压电陶瓷在部件的端面均布一周，相邻压电陶瓷的夹角为θ，压电陶瓷的数量N可通过公式

确定。

多个压电陶瓷并联连接成一个与锚栓端面同圆心的环形。利用每个压电陶瓷在电场作用下产生剪切振动，使多个压电陶瓷同时产生适配T(0,2)模式的振动信号，从而更有效地激发出T(0,2)模式导波。由此，通过在锚栓端面布置压电陶瓷组合，使多个压电陶瓷并联，利用其振动方向不同，使组合同时产生吻合扭转模态的振动信号，更好地激发出扭转导波，且采用梯形的压电陶瓷能够提高端面覆盖面积，提高激发效果。需要说明的是，上述对压电陶瓷的解释说明仅为一种示例，还可以采用d₁₅型矩形等其他形状的压电陶瓷，此处不作具体限制。

作为另一种示例，激励单元包括：d₂₄型面内剪切压电陶瓷。d₂₄型压电陶瓷的示意图可参照图8所示。由此，通过压电换能器产生适配 T(0,2)模式周向剪切振型的振动，有效激发出扭转模式导波。压电陶瓷通过导电胶与锚栓固结粘接，锚栓表面作为负极，压电陶瓷外露表面作为正极。

可选地，压电陶瓷封装制备形成超声换能器，超声换能器通过耦合剂与部件的端面耦合，以实现激励单元可拆卸移动。

可选地，激励单元和接收单元设置在部件的同一端面上，或者，激励单元和接收单元分别设置在部件的不同端面上。

其中，激励单元和接收单元设置在部件的同一端面上时，可采用反射法进行检测，反射法同端激发同端接收，利用信号在锚栓底面的反射，获得信号中的信息。

激励单元和接收单元分别设置在部件的不同端面上时，可采用透射法进行检测，透射法一端激发另一端接收，通过提前布置，在锚栓底面接收信号，获得信号中的信息。在实际应用中，可在安装阶段将压电陶瓷预先粘接在锚栓的两个端面，将锚栓一端固连的接收单元随锚栓一同埋入混凝土中，将另一端压电陶瓷的电接口预留在混凝土之外，实现预先安装并在长期监视结构状态的结构健康监测。

在本公开的一个实施例中，部件包括锚栓，预先将激励单元和接收单元分别设置在锚栓的不同端面上，并将激励单元、接收单元和处理单元进行集成以形成检测设备。

其中，激励单元，具体用于按照设定的检测时间生成频散超声导波的激励信号并将激励信号转换为振动信号，以在锚栓中形成沿轴向传播的频散超声导波。处理单元，还用于确定各检测时间下锚栓的径向最大腐蚀深度，根据各检测时间下锚栓的径向最大腐蚀深度生成锚栓的全时间径向腐蚀深度情况。本实施例中，通过将上述单元进行集成，可以形成操作简便的检测设备，通过将上述单元进行预先布置，并使检测设备自动完成信号激发、传输、分析等过程，实现具有自检测、自诊断的能力的腐蚀检测设备，以对锚栓腐蚀的时间全过程进行监测。

进一步地，可以预先在集成的检测设备中存储强度计算规则、失效判定规则等，以实现能够在腐蚀后零件不满足强度要求前进行报警，指导锚栓等零件的更换，维修工作，安全且效率高，节省了人力。则处理单元还用于：根据锚栓的径向腐蚀深度情况计算锚栓的强度，进而，判断锚栓的强度是否满足检测设备中预先存储的报警条件，例如报警条件为强度低于预设值，并在满足报警条件的情况下进行报警。

在本公开的一个实施例中，将激励单元和接收单元进行集成以形成检测设备，以实现自主发射信号、采集信号的能力。其中，激励单元，具体用于按照设定的检测时间生成频散超声导波的激励信号并将激励信号转换为振动信号，以在部件中形成沿轴向传播的频散超声导波，其中，激励信号的频率和带宽是根据所述部件的直径确定的。接收单元，具体用于在接收到振动信号时形成检测信号，并将检测信号传输至处理单元。

在本公开的一个实施例中，在部件端面的周向上设置呈中心对称分布的多个换能器，即对于多个换能器中的任一个第一换能器，存在一个第二换能器使第一换能器与第二换能器之间的连线经过端面圆心。基于多个换能器采集得到多个检测信号，进而，可将多个检测信号叠加以生成时域信号，能够消除F模式，从而保证了腐蚀深度定量检测结果的准确性。

本实施例中，根据所激发模式的截止频率确定激励信号的中心频率和周期。举例而言，采用T(0,2)模式的超声导波进行检测时，设置激励信号的中心频率，以使中心频率与T(0,2)模式截止频率之间差值在预设范围内，并且调整激励信号周期以使全带宽不覆盖T(0,3)等更高阶的模式。

根据本公开实施例的技术方案，通过获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，基于短时傅里叶变换得到群速度频散曲线，进而确定第一截止频率，根据第一截止频率计算径向最大腐蚀深度，实现了锚栓等圆柱状结构中径向最大腐蚀深度的定量检测，提高腐蚀深度检测精度，能够对任意腐蚀情形的径向最大腐蚀深度进行判定，且无需拆卸锚栓，实现在役检测，操作简便，节约成本。并且，通过在端面施加适配T(0,2)模式的模态以及波结构的激励，以强化激励 T(0,2)模式。

下面进一步对具体检测步骤进行举例说明，以下将以长度1800mm 直径48mm的锚栓进行检测为例。

操作步骤：选取合适样本进行校准。通过校准在检测前确定标准值，减小测量误差，通过校准能够确定研究方法的误差并且调整测量的精确度。本公开实施例的方法，通过校准获得圆柱结构T(0,2)模式截止频率半径乘积。将该截止频率半径积作为标准值，以用于计算、衡量锚栓的腐蚀深度。

校准要求：校准对象为半径r₀的圆柱结构，半径在长度方向不变，材料与待测锚栓相同。

材料参数校准：通过在该材料内的体纵波、体横波波速，获得弹性参数。

在具有标称尺寸与材料的圆柱状结构内，进行T模式导波的频散曲线标定，获得第二截止频率f₀。根据待测锚栓直径选择激励单元，并布置检测系统。在锚栓露出端端面布置激励单元，产生扭转模式超声导波。信号发生器产生猝发音信号经过功率放大器输出到压电换能器。将电信号转化为振动信号输入锚栓结构。激励信号可选择中心频率100kHz的5周期toneburst信号。图9示出了扭转模式超声导波在同一锚栓中不同时刻传播的过程。如图所示，信号在锚栓中以导波的形式传播，这里的导波不仅包括T(0,n)模式的频散超声导波，也包括 T(0,1)模式的非频散超声导波。

压电换能器接收响应信号，并将响应信号发送至处理单元，记录信号的时间和振幅信息。参照图10-13所示，图中方框部分对应T(0,n) 模式的频散超声导波。图10示出了锚栓无腐蚀时响应信号的振幅随时间的变化关系，图11示出了设计直径为48mm锚栓的径向最大腐蚀深度为1mm时响应信号的振幅随时间的变化关系，图12示出了锚栓的径向最大腐蚀深度为2mm时响应信号的振幅随时间的变化关系，图13 示出了锚栓的径向最大腐蚀深度为4mm时响应信号的振幅随时间的变化关系，图中纵轴表示监测超声导波信号幅值，横轴表示时间(单位ms)。需要说明的是，图11-13所示各径向最大腐蚀深度下的振幅随时间的变化关系仅为一种示例，该腐蚀情况下的腐蚀深度全圆周均布，例如图 11所示的振幅随时间的变化关系是根据沿圆周各向半径均腐蚀1mm (此时腐蚀段直径为46mm)的腐蚀情况得到的，根据实际腐蚀情况的不同，相应径向最大腐蚀深度下的振幅等随时间的变化关系也会有所改变，此处不作具体限制。

进而，通过信号叠加消除干扰的F模式信号。对叠加后的信号进行变换处理，具体将时域信号进行短时傅里叶变换，得到频率关于时间变化曲线。如图14所示，图14是T(0,1)模式和T(0,2)模式的导波的频率关于时间的曲线，图中纵轴表示频率(单位kHz)，横轴表示时间(单位ms)。通过短时傅里叶变换的时频关系确定T(0,2)模式频散曲线，进而确定T(0,2)模式的截止频率。作为另一种示例，采用二维傅里叶变换，二维傅里叶变换是在每一个空间点对每一个时间点的波形作傅里叶变换，可以获得相速度频散曲线，根据相速度频散曲线确定截止频率，采用二维傅里叶变换的方式需要在空间中沿着波传播方向获取一定数量的时域信号，因此可布置传感器阵列。进一步，利用校准值得到的截止频率半径积，确定被测锚栓半径，经过数据处理后获得第一截止频率为f，将被测锚栓半径与锚栓标称半径进行比较，获得的半径减小值即为径向最大腐蚀深度。

例如：设置校准锚栓直径48mm，获得截止频率为110kHz，则对实际使用后的设计直径48mm的锚栓进行检测，获得截止频率115kHz，半径23mm，则径向最大腐蚀深度为1mm。通过截止频率对工业中使用的直径48mm的锚栓检测径向最大腐蚀深度随截止频率变化如图15所示，图中，纵轴表示径向最大腐蚀深度(单位mm)，横轴表示截止频率(单位kHz)，实点表示超声测量获得的截止频率，实线是对有限数量结果通过最小二乘法进行拟合得到的曲线。如下表所示，对工业中使用的直径48mm的锚栓进行超声检测与使用测量工具测得的真实径向最大腐蚀深度相比，超声方法所获结果的准确度良好。该方法适用于对径向最大腐蚀深度的检测并长期监测腐蚀的发展。

超声测量最大腐蚀深度/mm	几何测量最大腐蚀深度/mm	相对误差
			0.53	0.50	6％
1.08	1.00	8％
			2.18	2.00	9％
2.96	3.00	-1％
			4.15	4.00	4％

本公开的检测对象聚焦于相对较长的锚栓等结构。由于轴向传播距离较长，使扭转导波中截止频率的邻域中群速度低的成分在空间上被分开，同时使更多截止频率的邻域中群速度低的成分传播到接收端，使接受到的信号在分辨截止频率时更加准确。

本公开实施例还提出一种用于圆柱状结构部件的腐蚀深度检测装置，该用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测装置包括：获取模块，变换模块，第一确定模块，第二确定模块，检测模块。

其中，获取模块，用于获取在部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号。

变换模块，用于对时域信号进行短时傅里叶变换，生成时域信号的时间频率关系。

第一确定模块，用于根据时间频率关系和部件的长度，确定频散超声导波的群速度频散曲线。

第二确定模块，用于基于群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率。

检测模块，用于根据第一截止频率、预先标定的目标模式的第二截止频率和半径，计算部件的径向最大腐蚀深度。

本公开实施例所提供的用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测装置可执行本公开实施例所提供的任意用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。本公开装置实施例中未详尽描述的内容可以参考本公开任意方法实施例中的描述。

本公开实施例提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；处理器，用于从存储器中读取可执行指令，并执行指令以实现前述实施例的方法。

本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述实施例的方法。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测方法，其特征在于，包括：

获取在所述部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，其中，所述频散超声导波为高阶模式的超声导波，所述获取在所述部件中轴向传播的频散超声导波的时域信号，包括：获取所述频散超声导波的多个检测信号，其中，所述多个检测信号是基于所述部件端面的周向上的多个换能器采集得到的，对于所述多个换能器中的任一个作为第一换能器，存在一个第二换能器使第一换能器与第二换能器之间的连线经过端面圆心，将所述多个检测信号叠加，生成所述时域信号；

对所述时域信号进行短时傅里叶变换，生成所述时域信号的时间频率关系；

根据所述时间频率关系和所述部件的长度，确定所述频散超声导波的群速度频散曲线；

基于所述群速度频散曲线确定目标模式的第一截止频率；

根据所述第一截止频率、预先标定的所述目标模式的第二截止频率和半径，计算所述部件的径向最大腐蚀深度，其中，通过如下公式计算所述径向最大腐蚀深度：

K＝r₀-r

其中，K为所述径向最大腐蚀深度，r₀为预先标定的半径，f₀为所述第二截止频率，f为所述第一截止频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频散超声导波为T(0,2)模式的超声导波。

3.一种用于圆柱状结构部件的径向最大腐蚀深度检测系统，其特征在于，包括：

激励单元，圆柱状结构部件，接收单元，处理单元；其中，所述激励单元和所述接收单元设置在所述部件的端面上，所述处理单元与所述接收单元连接；

其中，所述激励单元用于生成频散超声导波的激励信号并将所述激励信号转换为振动信号，以在所述部件中形成沿轴向传播的频散超声导波；

所述接收单元用于接收所述振动信号以形成检测信号，并将所述检测信号传输至所述处理单元；

所述处理单元用于执行如权利要求1所述的方法。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激励单元包括：由多个梯形压电陶瓷并联组成的压电片组合，其中，所述多个梯形压电陶瓷在所述部件的端面沿周向分布，且所述梯形压电陶瓷的长边远离端面中心、短边靠近端面中心。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压电陶瓷与所述部件的端面通过胶黏剂粘连固结，或者，所述压电陶瓷封装制备形成超声换能器，所述超声换能器通过耦合剂与所述部件的端面耦合。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激励单元和所述接收单元设置在所述部件的同一端面上，或者，所述激励单元和所述接收单元分别设置在所述部件的不同端面上。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述部件包括锚栓，预先将所述激励单元和所述接收单元分别设置在所述锚栓的不同端面上，并将所述激励单元、所述接收单元和所述处理单元进行集成以形成检测设备；

所述激励单元，具体用于按照设定的检测时间生成频散超声导波的激励信号并将所述激励信号转换为振动信号，以在所述锚栓中形成沿轴向传播的频散超声导波；

所述处理单元，还用于确定各检测时间下所述锚栓的径向最大腐蚀深度，根据所述各检测时间下所述锚栓的径向最大腐蚀深度生成所述锚栓的全时间径向腐蚀深度情况。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理单元还用于：

根据所述锚栓的径向腐蚀深度情况计算所述锚栓的强度；

判断所述锚栓的强度是否满足所述检测设备中预先存储的报警条件，并在满足所述报警条件的情况下进行报警。

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