CN114813949A - 一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置及检测方法。该方法主要包括以下步骤：在管道上放置一排传感器组（压电片），与管道的轴向方向成一定角度。通过延时激励信号使多个传感器发出的激励信号形成波阵面，实现对特定方向进行扫描检测，通过在管道上倾斜放置一排传感器，获取不同相位的损伤信号，从信号中提取损伤信息，从而确定不同传感器到损伤处的距离，最后通过距离交集的密度分布确定损伤位置，从而完成管道损伤的定位。该方法可以对管道进行快速的损伤定位检测，解决特殊情况下传感器布置的问题，同时节省一定量的传感器。

Description

一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，属于检测检测技术领域。

背景技术

现如今的社会中，管道结构普遍使用在各种重要的资源运输途中。如天然气传输管道、自来水厂输水线路、核电站冷凝水管道、石油输送管道等。这些管道应用在人类生活的各个领域各个角落，为人类生产提供极大的便利，具有很高的重要性。这些资源传输管道如果出现损伤又无法及时排查出具体位置，将会给国民经济带来巨大的损失。以输送天然气管道为例，长距离输气管道会因为腐蚀、碰撞等原因导致泄露，不仅带来经济损失还伴随着安全隐患。因此，对管道进行快速的无损检测具有重要的意义。

在目前的无损检测方法中，超声波检测具有准确率高、效率快等优点因而被广泛使用。但是传统的无损检测方式往往需要围绕管道一圈布置传感器，不仅造成传感器的浪费，在某些特定环境下，比如在埋在地底的管道中，仅可露出部分位置布置传感器；以及管道一侧嵌入墙体，部分管道无法布置传感器等情况下，传统传感器布置方式难以实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置及检测方法，可较好的实现损伤的识别及定位，节省一定量的传感器，并在一定程度上降低传感器的布置难度。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置，包括在待检测的管道上以固定角度布置的倾斜于管道轴向方向的传感器组；

所述传感器组包括多个用于激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号的传感器。

进一步的，所述装置还包括与所述传感器组连接的上位机；所述上位机用于控制所述传感器组并接收传感器的回波信号；

所述传感器组的个数选择及间距遵循以下原则：

传感器之间的距离d满足

其中λ为超声导波信号的波长，传感器放置方向与管道轴向方向成θ角度，传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,传感器个数N满足N≥L/d。

第二方面，本发明提供了一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，包括以下步骤：

在待检测的管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

通过传感器组激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号；

将待检测的管道的回波信号与预存储的健康管道的回波信号比较，检查两者差值是否超过了损伤阈值，如果超过损伤阈值，则认定待检测的管道是损伤管道，否则认定为健康管道；

如果待检测管道是损伤管道，则利用损伤管道的回波信号确定损伤的位置。

进一步的，健康管道的回波信号和试验频率声波的确定方法包括：

在健康管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

通过上位机(信号激励端)扫频加载激励信号至传感器，获取不同频率的回波信号图，选择回波幅值最大的频率作为激励频率，得到激励频率的试验频率声波；

确定激励频率下的回波信号图健康管道的回波图像。

进一步的，所述激励信号为窄带信号；

扫频加载激励信号至传感器，获取不同频率的回波信号图，选择回波幅值最大的频率作为激励频率的方法包括：

根据超声导波在管道结构中的频散曲线图，在导波模态较少的40kHz至200kHz之间的频率范围内，扫频加载窄带信号；

获得所有频率的回波信号，通过对比不同信号的幅值、波包信息，挑选出回波信号最清晰的一组用作激励信号频率。

进一步的，在管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组的方法包括：

在管道上选择合适的位置等距离d放置N个压电传感器，用作激励传感器，放置方向与管道轴向方向成θ角度，放置长度和角度遵循以下规则：传感器之间的距离d满足

传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,N≥L/d；

所述传感器组包括并列排布的多个压点传感器；所述压电传感器既作激励传感器也作接收传感器；压电传感器激励信号后依次接收信号，形成一定角度的波阵面。

进一步的，通过传感器组激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号的方法包括：

对原始激励信号进行处理，将其相位依次向后延迟，每次延迟半个周期，然后激励传感器，即可形成一定角度的波阵面，从而得到不同位置传感器的损伤信号进行分析。

进一步的，所述损伤阈值的确定方法，包括：

分别在健康管道和损伤管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

多次通过传感器组激发试验频率声波，分别获取多组的健康管道的健康数据和损伤管道的损伤数据；所述健康数据即健康管道的回波信号，所述损伤数据即为损伤管道的回波信号；

分别求取健康数据和损伤数据的极大值点，将极大值点连成线，即为波形图的上半包络线；

分别求取健康数据和损伤数据的前三个最大的波包面积，所述波包面积为连续五个极大值点与坐标轴围成的面积；

将多组的损伤数据和健康数据的前三个最大波包面积和的差值和的平均值设置为损伤阈值；当波包面积差小于损伤阈值时可以判定此数据为健康数据，当波包面积差大于阈值时则为损伤数据。

进一步的，将待检测的管道的回波信号与预存储的健康管道的回波信号比较，检查两者差值是否超过了损伤阈值的方法包括：

求取待检测的管道的回波信号的极大值点，将极大值点连成线，即为波形图的上半包络线；

求取待检测的管道的回波信号的前三个最大的波包面积，所述波包面积为连续五个极大值点与坐标轴围成的面积；

将待检测的管道的回波信号的前三个最大的波包面积和与预存储的健康管道的回波信号的前三个最大的波包面积和对比，得到波包面积差；

当波包面积差小于阈值时可以判定此待检测的管道为健康管道，当波包面积差大于阈值时则认为是损伤管道。

进一步的，利用损伤管道的回波信号确定损伤的位置的方法包括：

分别提取传感器组中的各传感器的回波信号中损伤处的波包对应的时间范围，根据

分别计算出损伤处到各传感器的损伤距离，其中r为接收传感器到损伤点的距离，c为超声导波在管道中的传播速度，t为信号传播的时间；

建立坐标系，标注出各传感器的位置；

分别以各传感器的位置为圆心，各传感器到损伤处的损伤距离为半径画圆，交点的位置范围即为损伤的位置。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提出一种新型的传感器布置方法，可以有效地减少传感器的布置面积，节省传感器的数量，为损伤检测创造更适合的条件。本发明通过在管道上布置倾斜于管道轴向方向的传感器组进行研究。基于压电片在管道中的激励信号进行损伤分析，通过提取信号的幅值、波包面积等信息确定损伤信号，依据信号中损伤造成的差异出现的时间可以确定损伤距离，最后通过多个传感器进行精确定位。此方法可以较好的实现损伤的识别及定位，节省一定量的传感器，并在一定程度上降低传感器的布置难度。

本发明可以较好的识别出管道中管道中存在的损伤并进行定位，通过在管道上与管道轴向方向呈一定角度放置传感器可以在达到检测效果的同时节省一定量的传感器。为特殊情况下管道的检测提供了新的方法

附图说明

图1是本发明实施例中传感器布置具体位置的侧面展开图示意图；

图2是本发明实施例中传感器布置在管道上的示意图；

图3是本发明实施例中管道中导波信号的频散曲线图；

图4是本发明实施例中单个传感器距管道上损伤距离测算的示意图；

图5是本发明实施例中五波峰窄带信号的波形时域图；

图6是本发明实施例中传感器接收的健康与损伤波形时域对比图；

图7是本发明实施例中损伤位置确定方法示意图；

图8是本发明实施例中通过一次具体实验确定的损伤位置坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

本实施例提供一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置，包括在待检测的管道上以固定角度布置的倾斜于管道轴向方向的传感器组；

所述传感器组包括多个用于激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号的传感器。

所述装置还包括与所述传感器组连接的上位机；所述上位机用于控制所述传感器组并接收传感器的回波信号。

所述传感器组的个数选择及间距遵循以下原则：

传感器之间的距离d满足

其中λ为超声导波信号的波长，传感器放置方向与管道轴向方向成θ角度，传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,传感器个数N满足N≥L/d。

实施例二：

本实施例提供一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，包括如下步骤：

(1)在管道上选择合适的位置等距离d放置N个压电片传感器，用作激励传感器，放置方向与管道轴向方向成θ角度，放置长度和角度遵循以下规则：设传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,N≥L/d；

(2)在每一个激励传感器相邻位置的传感器同时用作接收信号传感器，传感器激励信号后依次接收信号，形成一定角度的波阵面；

(3)扫频加载激励信号，获取回波信号图，选择回波幅值最大的频率作为激励频率f，挑选出合适的频率范围；

(4)依次激励传感器，并依次延迟信号相位，形成波阵面进行全管道扫描获取健康的回波信号；

(5)在有损伤管道上重新激励传感器，同时激励传感器，并依次延迟相位，获取损伤信号回波，并根据健康管道的回波信号进行对比分析提取出损伤信号特征；

(6)通过损伤信号与健康信号的差异，确定损伤阈值，用以区分健康信号和损伤信号，并进行损伤识别；

(7)利用每个传感器的损伤信号特征确定出损伤点到每个接收传感器的距离，并通过这些距离的交集确定损伤的精确位置。

步骤(1)中，传感器的个数选择及间距遵循以下原则，其详细步骤为：

(21)为了使激励信号形成的波阵面传播整个管道平面进行损伤检测，同时抑制波束的旁瓣，超声导波激励传感器之间的距离应满足

其中λ为超声导波信号的波长，

(其中u为波速，f为频率)，传感器个数N应满足N≥L/d。

上述步骤(3)的详细步骤为：

(31)根据超声导波在管道结构中的频散曲线图，在40kHz至200kHz之间的频率范围内，扫频加载窄带信号；获得所有频率的回波信号，通过对比不同信号的幅值、波包等信息，挑选出回波信号最清晰的一组用作激励信号频率。

上述步骤(5)的详细步骤为：

对原始激励信号进行处理，将其相位依次向后延迟，每次延迟半个周期，然后激励传感器，即可形成一定角度的波阵面，从而得到不同位置传感器的损伤信号进行分析。

上述步骤(6)的详细步骤为：

(61)首先将求取数据的极大值点，将极大值点连成线(即为波形图的上半包络线)，然后求取前三个最大的波包面积，波包面积为连续五个极大值点与坐标轴围成的面积。

(62)以一组健康数据为参考，将健康数据和损伤数据进行对比(可采用柱状图进行对比，较为直观)，记录差异较大的波包出现的时间范围。通过多组实验，将损伤数据和健康数据的前三个最大波包面积总和的差值的平均值(或者平均值的30％-100％，视对灵敏度和效率的要求而定)设置为阈值；当待测数据与健康数据的波包面积差小于阈值时可以判定此数据为健康数据，当波包面积差大于阈值时则为损伤数据。

上述步骤(7)的详细步骤为：

(71)依据步骤(6)中确定的损伤数据，提取损伤数据中损伤处的波包对应的时间范围，根据

计算出损伤处到接收传感器的距离；总计N个接收传感器，可以得到N个距离范围。

(72)依据N个距离范围在坐标系中画圆，N组数据的距离范围互相相交，交点处即为损伤可能出现的位置，通过多组数据可以获得大量交点，交点的区域即为最终确定的损伤位置。

本发明可以较好的识别出管道中管道中存在的损伤并进行定位，通过在管道上与管道轴向方向呈一定角度放置传感器可以在达到检测效果的同时节省一定量的传感器。为特殊情况下管道的检测提供了新的方法。

具体的，本实施例的方法包括以下步骤：

(1)为了使激励信号形成的波阵面传播整个管道平面进行损伤检测，同时抑制波束的旁瓣，超声导波激励传感器之间的距离应满足

其中λ为超声导波信号的波长。如图1、2所示，在管道上选择合适的位置等距离放置数个压电片传感器，用作激励传感器，放置方向与管道轴向方向成θ角度，放置角度越小传感器组的长度越小，可根据现场的实际测量环境条件自行调节。放置长度和角度遵循以下规则：设传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则

L＝2πa*sinθ

设管道长5米。外径18cm，内径16cm。在管道中激励的信号频率为60khz。L模态的传播速度为5000m/s。由频率与波长的计算公式

(其中u为波速，f为频率)可得，λ＝0.083米。因此间距d应小于0.0415米。令θ为60°，则L＝2×3.14×0.09×0.5＝0.2826米，N>L/d＝6.8，因此，本实验拟采用不少于7个传感器形成传感器组进行损伤定位。

(2)根据管道频散曲线图3，在40kHz至200kHz频率范围内导波模态较少，扫频加载激励信号，根据回波信号，对比其结果，波包幅值大且频散现象不严重的信号为60kHz的五波峰窄带信号，将其作为激励信号，如图5。根据超声导波在管道中的频散曲线图，可得知不同模态在电缆中的传播速度，可以此计算并判断出回波信号中的不同模态。已知模态L在多芯电缆中的群速度约为5000m/s，在已知损伤与压电传感器的距离为0.5米时，根据公式

可计算出模态L的传播时间

出现在约0.2毫秒处的回波信号为模态L。通过此方式可以确定单个传感器到损伤的距离，如图4所示。

(3)在传感器组的控制中，可以通过延迟激励信号的相位，同时激励出超声导波信号形成波阵面进行损伤检测，波阵面如图2所示。本发明中将激励信号相位向后延迟一个周期。具体的计算时间的公式为：

由此可得延迟的时间为1.667×10^-5秒。

(4)如图6中的1、2、3波包所示，接收到的回波信号通过求取前三个最大的波包面积来判定该信号是健康信号还是损伤信号，将损伤数据和健康数据的波包面积差值分设置为阈值，当波包面积差小于阈值时可以判定此数据为健康数据，当波包面积差大于阈值时则为损伤数据。

(5)损伤定位方法如图7所示。每一个回波信号对应一个损伤距离，根据接收传感器的位置即可以确定管道中缺陷到该传感器的距离。以该传感器为圆心画圆，七组数据就对应着七组不同的圆。将这些距离的交集显示在坐标系中，如图8所示，交点的位置范围即为损伤的位置。通过多组信号可以较为准确的实现定位。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置，其特征在于，包括在待检测的管道上以固定角度布置的倾斜于管道轴向方向的传感器组；

所述传感器组包括多个用于激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号的传感器。

2.根据权利要求1所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描装置，其特征在于，所述装置还包括与所述传感器组连接的上位机；所述上位机用于控制所述传感器组并接收传感器的回波信号；

所述传感器组的个数选择及间距遵循以下原则：

传感器之间的距离d满足

其中λ为超声导波信号的波长，传感器放置方向与管道轴向方向成θ角度，传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,传感器个数N满足N≥L/d。

3.一种基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待检测的管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

通过传感器组激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号；

将待检测的管道的回波信号与预存储的健康管道的回波信号比较，检查两者差值是否超过了损伤阈值，如果超过损伤阈值，则认定待检测的管道是损伤管道，否则认定为健康管道；

如果待检测管道是损伤管道，则利用损伤管道的回波信号确定损伤的位置。

4.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，健康管道的回波信号和试验频率声波的确定方法包括：

在健康管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

通过上位机扫频加载激励信号至传感器，获取不同频率的回波信号图，选择回波幅值最大的频率作为激励频率，得到激励频率的试验频率声波；

确定激励频率下的回波信号图健康管道的回波图像。

5.根据权利要求4所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，所述激励信号为窄带信号；

扫频加载激励信号至传感器，获取不同频率的回波信号图，选择回波幅值最大的频率作为激励频率的方法包括：

根据超声导波在管道结构中的频散曲线图，在导波模态较少的40kHz至200kHz之间的频率范围内，扫频加载窄带信号；

获得所有频率的回波信号，通过对比不同信号的幅值、波包信息，挑选出回波信号最清晰的一组用作激励信号频率。

6.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，在管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组的方法包括：

在管道上选择合适的位置等距离d放置N个压电传感器，用作激励传感器，放置方向与管道轴向方向成θ角度，放置长度和角度遵循以下规则：传感器组放置长度为L，管道半径长为a，则L＝2πa*sinθ,N≥L/d；

所述传感器组包括并列排布的多个压点传感器；所述压电传感器既作激励传感器也作接收传感器；压电传感器激励信号后依次接收信号，形成一定角度的波阵面。

7.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，通过传感器组激发试验频率声波，获取待检测的管道的回波信号的方法包括：

对原始激励信号进行处理，将其相位依次向后延迟，每次延迟半个周期，然后激励传感器，即可形成一定角度的波阵面，从而得到不同位置传感器的损伤信号进行分析。

8.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，所述损伤阈值的确定方法，包括：

分别在健康管道和损伤管道上以固定角度布置倾斜于管道轴向方向的传感器组；

多次通过传感器组激发试验频率声波，分别获取多组的健康管道的健康数据和损伤管道的损伤数据；所述健康数据即健康管道的回波信号，所述损伤数据即为损伤管道的回波信号；

分别求取健康数据和损伤数据的极大值点，将极大值点连成线，即为波形图的上半包络线；

分别求取健康数据和损伤数据的前三个最大的波包面积，所述波包面积为连续五个极大值点与坐标轴围成的面积；

将多组的损伤数据和健康数据的前三个最大波包面积和的差值和的平均值设置为损伤阈值；当波包面积差小于损伤阈值时可以判定此数据为健康数据，当波包面积差大于阈值时则为损伤数据。

9.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，将待检测的管道的回波信号与预存储的健康管道的回波信号比较，检查两者差值是否超过了损伤阈值的方法包括：

求取待检测的管道的回波信号的极大值点，将极大值点连成线，即为波形图的上半包络线；

求取待检测的管道的回波信号的前三个最大的波包面积，所述波包面积为连续五个极大值点与坐标轴围成的面积；

将待检测的管道的回波信号的前三个最大的波包面积和与预存储的健康管道的回波信号的前三个最大的波包面积和对比，得到波包面积差；

当波包面积差小于阈值时可以判定此待检测的管道为健康管道，当波包面积差大于阈值时则认为是损伤管道。

10.根据权利要求3所述的基于有限传感器组的超声导波管道损伤扫描检测方法，其特征在于，利用损伤管道的回波信号确定损伤的位置的方法包括：

分别提取传感器组中的各传感器的回波信号中损伤处的波包对应的时间范围，根据

分别计算出损伤处到各传感器的损伤距离，其中r为接收传感器到损伤点的距离，c为超声导波在管道中的传播速度，t为信号传播的时间；

建立坐标系，标注出各传感器的位置；

分别以各传感器的位置为圆心，各传感器到损伤处的损伤距离为半径画圆，交点的位置范围即为损伤的位置。

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