CN116482219A - 层状管道损伤位置分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种层状管道损伤位置分析方法，该方法包括：获取待检测层状管道上作动器工作时反馈的传感信号，对传感信号进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数；确定待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表；根据传感信号、以及基于目标损伤位置关系表得到的实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定待检测层状管道上产生损伤的区域位置。也即，通过小波包分解方法对底层传感信号的低频和高频信号多层分解，提高传感信号的时域分辨率，从而根据分解后的信号得到的实际损伤指数更为准确，并且结合目标损伤位置关系表能够快速且高效的识别出待检测层状管道上损伤所处的位置，提高了位置识别的准确性。

Description

层状管道损伤位置分析方法
技术领域
本发明涉及土木建筑中管道损伤检测技术领域，尤其涉及一种层状管道损伤位置分析方法。
背景技术
管道运输在国民经济、国防工业、日常生活等方面都发挥着重要作用，石油、天然气、热网、自来水管道等已经成为国家经济和国民生活密不可分的重要基础设施，保障其可靠运行，重要性不言而喻。然而，管道结构在长期的服役过程中，环境侵蚀、材料老化、荷载效应、人为或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致损伤累计和抗力衰减，导致其抵抗自然灾害、正常载荷以及环境作用能力的下降，引发管道泄漏事故并造成灾难性后果。因此，可靠的管道结构损伤识别方法成为亟待解决的问题。
以往多数对单层管道结构进行信号处理和结构损伤识别研究，但目前工程应用的管道结构大多为层状管道结构，其保温层和防腐层对于超声导波在钢管传播性质影响巨大，使得超声导波在钢管传播时在不同材料的界面位置发生透射和漫反射，也是超声导波能量泄露的通道，直接导致接收的传感信号波包复杂、幅值降低，无法准确分析信号内容，因此本发明的应用对象为层状管道结构损伤位置的分析方法。
在对发生损伤的管道进行管道修补或覆土开挖时，需要确定损伤所在位置，以实现针对性的修补，而关于管道结构损伤位置的分析，以往多采用脉冲回波法，提取传感信号观察反射回波出现的时间，根据传播速度、时间和距离的关系，计算损伤位置。但是，这种方法出现的弊端在于，如果多个损伤之间距离较近、或者损伤反射回波与端部反射回波重叠，即传感信号的波包重叠、混乱，直接导致无法判断是否存在损伤，更不能准确判断损伤位置。尤其对于层状直管结构，由于结构多层材料的几何、物理性质复杂、各项异性等原因导致的超声导波在传播过程中因模态转换、层间反射等导致的接收到的传感信号混乱、波包复杂的情况。在层状直管结构各项异性条件下且损伤位置的不确定的影响，准确进行损伤位置分析是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种层状管道损伤位置分析方法，用以解决现有技术中层状管道的损伤位置相对轴向距离较小无法识别，导致损伤位置检测识别准确性低的缺陷，实现通过小波包分解方法对底层传感信号的低频和高频信号多层分解，提高传感信号的时域分辨率，从而根据分解后的信号得到的损伤指数确定多个损伤间的损伤相对轴向距离，从而确定管损伤所在的位置，提高了层状管道损伤位置检测识别的准确性。
本发明提供一种层状管道损伤位置分析方法，所述方法包括：
获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；
确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；
根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
获取所述待检测层状管道的管道信息，所述管道信息包括管道材料和管道结构；
通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述初始损伤位置关系表由至少一组初始损伤相对轴向距离与损伤位于所述初始损伤相对轴向距离时的损伤指数数组得到的损伤指数关系组成。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
基于脉冲回波法对所述传感信号进行处理，确定出所述待检测层状管道的第一损伤实际位置；
通过所述管道信息与所述第一损伤实际位置更新所述初始损伤位置关系表中的初始损伤相对轴向距离，得到目标损伤相对轴向距离；
计算出当损伤位于所述目标损伤相对轴向距离时损伤指数关系中损伤指数的数值，基于多个所述目标损伤相对轴向距离与更新后的损伤指数关系形成所述待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表之前，所述方法还包括：
根据预设的管道信息与多损伤位置模拟出层状管道模型，所述多损伤位置包括第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置；
获取层状管道模型上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过非贯穿损伤时反馈的第一模拟传感信号；
对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，所述初始损伤相对轴向距离与所述层状管道模型的管道信息、第一损伤模拟位置有关；
对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系；
基于多个所述初始损伤相对轴向距离与多个所述损伤指数关系的映射关系，构建初始损伤位置关系表。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，包括：
获取压电超声导波在所述层状管道模型中的传播机理与所述模拟传感信号时域图；
基于传播机理与所述模拟传感信号时域图对第一模拟传感信号进行波包分析，确定波包开始发生分离时的第一位置点以及波包完全发生分离时的第二位置点；
基于所述第一位置点与所述第二位置点将所述层状管道模型进行区域划分，得到多个初始损伤相对轴向距离。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系，包括：
获取所述层状管道模型预设的模型工况，所述模型工况包括不同的第一损伤模拟位置、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置对应的多个损伤轴向距离数据组成的工况；
对多个模型工况进行遍历，对遍历到的模型工况执行以下步骤：
在当前的所述模型工况下，获取所述待检测层状管道上作动器工作时反馈的第二模拟传感信号；
对所述第二模拟传感信号进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到模拟损伤指数；
基于多组所述模型工况与所述模拟损伤指数的数据，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述损伤指数关系中包括第一损伤模拟位置对应的单损伤指数、第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为90°时的双损伤指数、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为0°的双损伤指数。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置，包括：
将实际损伤指数与所述损伤指数关系中损伤指数的数值进行比对，得到与所述实际损伤指数符合的目标损伤指数关系；
确定所述目标损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离；
根据确定后的目标损伤相对轴向距离、以及基于所述传感信号处理得到的第一损伤实际位置，确定出所述待检测层状管道上其它损伤产生的区域位置。
根据本发明提供的一种层状管道损伤位置分析方法，所述获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到损伤指数，包括：
获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号；
对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行EEMD分解处理，并对分解后的传感信号进行重构，得到重构后的传感信号；
对所述重构后的传感信号进行小波包分解，得到分解后各节点的子集时域图；
基于所述子集时域图进行能量计算，得到实际损伤指数。
本发明提供的层状管道损伤位置分析方法，通过获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个目标损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。也即，首先在PZT片组成的作动器施加压电超声导波在层状直管结构传播，在PZT片组成的传感器获得振动响应。然后，将提取的时间序列添加正态分布的白噪声后，经过EEMD分解、小波包分析方法对底层传感信号的低频和高频信号多层分解，提高传感信号的时域分辨率，并计算结构的实际损伤指数。随后，结合待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，快速且高效的识别出管道上损伤所在的区域范围。本发明所述模型克服了层状管道的由于距离较近的多个损伤引起的传感信号的波包重叠导致的难以进行准确的损伤定位问题，提高了多个损伤的相对轴向距离定位的精度与准确性，尤其是能够在产生贯穿损伤之前精确识别出损伤位置，提高了损伤位置识别的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中层状管道的结构示意图；
图3是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中小波包分解树示意图；
图4是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中Hanning窗调制的5周期单音频正弦叠加信号时域图；
图5是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中相同周向位置时管道结构双缺陷平面布置图；
图6是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中不同周向位置时管道结构双缺陷平面布置图；
图7是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中导波在管道结构中的传播机理图；
图8是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中工况14的模拟传感信号时域图；
图9是本发明提供的层状管道损伤位置分析方法中工况15传播机理图；
图10是本发明提供的层状管道损伤位置分析设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图10描述本发明的层状管道损伤位置分析方法，参照图1，所述层状管道损伤位置分析方法包括：
步骤S100，获取待检测层状管道上由PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；
步骤S200，确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；
步骤S300，根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
本实施例旨在：通过小波包分解方法对底层传感信号的低频和高频信号多层分解，提高传感信号的时域分辨率，从而根据分解后的信号得到的实际损伤指数更为准确。并且通过实际损伤指数与目标损伤位置关系表能够快速且高效的识别出待检测层状管道上损伤所处的位置，有利于损伤位置分析方法的应用，提高了层状管道损伤位置识别的准确性。
在本实施例中，针对的具体应用场景是：
管道运输在国民经济、国防工业、日常生活等方面都发挥着重要作用，石油、天然气、热网、自来水管道等已经成为国家经济和国民生活密不可分的重要基础设施，保障其可靠运行，重要性不言而喻。然而，管道结构在长期的服役过程中，环境侵蚀、材料老化、荷载效应、人为或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致损伤累计和抗力衰减，导致其抵抗自然灾害、正常载荷以及环境作用能力的下降，引发管道泄漏事故并造成灾难性后果。因此，可靠的管道结构损伤识别方法成为亟待解决的问题。
以往多数对单层管道结构进行信号处理和结构损伤识别研究，但目前工程应用的管道结构大多为层状管道结构，其保温层和防腐层对于超声导波在钢管传播性质影响巨大，使得超声导波在钢管传播时在不同材料的界面位置发生透射和漫反射，也是超声导波能量泄露的通道，直接导致接收的传感信号波包复杂、幅值降低，无法准确分析信号内容，因此本发明的应用对象为层状管道结构损伤位置的分析方法。
在对发生损伤的管道进行管道修补或覆土开挖时，需要确定损伤所在位置，以实现针对性的修补，而关于管道结构损伤位置的分析，以往多采用脉冲回波法，提取传感信号观察反射回波出现的时间，根据传播速度、时间和距离的关系，计算损伤位置。但是，这种方法出现的弊端在于，如果多个损伤之间距离较近、或者损伤反射回波与端部反射回波重叠，即传感信号的波包重叠、混乱，直接导致无法判断是否存在损伤，更不能准确判断损伤位置。尤其对于层状直管结构，由于结构多层材料的几何、物理性质复杂、各项异性等原因导致的超声导波在传播过程中因模态转换、层间反射等导致的接收到的传感信号混乱、波包复杂的情况。在层状直管结构各项异性条件下且损伤位置的不确定的影响，准确进行损伤位置分析是目前亟待解决的问题。
作为一种示例，层状管道损伤位置分析方法可以应用于层状管道损伤位置分析系统，所述层状管道损伤位置分析系统应用于层状管道损伤位置分析设备中。
作为一种示例，待检测管道是指用于测定损伤程度的管道，该管道发生损伤可以是非贯穿损伤，还可以是贯穿损伤。可以理解，在损伤初期的微小的非贯穿损伤，具有较强的预见性，在损伤程度即将到达泄漏的临界值时，及时进行更换，防止层状管道结构产生贯穿损伤。同时，对于产生贯穿损伤，即管道泄漏突发事故的快速处理，提高泄漏事故现场应急处置效率，起到应急处置排头兵的作用，做好应急技术支撑工作。
需要说明的是，待检测的管道可以是单层管道，还可以是层状管道，由于现有的损伤识别方法仅适用于材料和结构形式较简单的单层管道结构和钢框架结构，而对于材料和结构形式较复杂的层状管道结构的损伤程度识别研究不足。因此，本发明的管道损伤位置分析方法可适用于层状管道，提高对材料和结构形式较复杂的层状管道结构的损伤程度识别的准确性。以下以层状管道为例进行描述，其他单层结构的管道具体实施方式基本相同，在此不再赘述。
作为一种示例，当待检测层状管道为多层结构时，其结构可以是由结构层与外包层，外包层根据待检测管道的实际应用需求设定，在此不做具体限定。例如，若外包层包括保温层以及防腐层时，待检测层状管道的结构由结构层、保温层以及防腐层组成，参照图2，图2为层状管道的结构示意图，其中，1为结构层，具体为钢管；2为保温层，由聚氨酯硬质泡沫塑料制得；3为防腐层，由高密度聚乙烯制得。需要说明的是，多层结构的管道还可以是其他层组成，根据实际应用上的管道确定，其具体实施方式基本相同，在此不做具体限定。
具体步骤如下：
步骤S100，获取待检测层状管道上由PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；
作为一种示例，在管道损伤程度识别过程中，需要接收传感信号，该传感信号是对待检测层状管道施加一定周期的单音频信号，激励出导波，该导波是经过损伤处反馈回来的信号，因此，通过传感信号能够识别出损伤发生的位置。
作为一种示例，待检测层状管道上安装有作动器和传感器，其中，作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节，作动器又名激振器，用于进行动力学试验，是动力学试验的出力装置。在本发明中，作动器可以激励出用于检测损伤的导波。传感器是用于接收导波从损伤处反馈回的信号的装置。
通常情况下，将作动器安装在靠近待检测层状管道端部的位置，传感器安装于作动器远离待检测层状管道端部的一侧。并且，作动器和传感器均由压电元件组成，可以理解，压电元件是一种具备压电效应的材料，既能激励导波，又能接收导波，被广泛应用于结构健康检测中的元件，如PZT压电陶瓷，以下以PZT组成的作动器和传感器进行描述。
需要说明的是，待检测层状管道结构是中心对称的，只有一条对称轴，因此，可以以管道左侧为端部，也可以定义为右侧为端部。以下以待检测层状管道的左侧为端部进行描述，即压电元件组成的作动器、传感器所在的一端为端部，在实际应用中，根据实际需求可选择另一端为端部，在此不再赘述。
作为一种示例，待检测层状管道上安装作动器和传感器，以及获取待检测层状管道上作动器工作时反馈的传感信号的具体过程如下：
步骤1：将16个压电元件组成的作动器装配耦合在距离待检测层状管道端部30mm处，将4个压电元件组成的传感器装配耦合在同向的距离待检测层状管道端部600mm处。其中，压电元件均周向均匀装配，且压电元件使用粘结剂耦合在待检测层状管道中钢管的外壁上。
步骤2：对待检测层状管道结构进行网格划分，其中对压电元件而言，以12mm为网格长度来划分单元；对钢管(结构层)、聚氨酯硬质泡沫塑料(保温层)、高密度聚乙烯(防腐层)而言，以5mm为网格长度来划分单元。
步骤3：对压电元件组成的作动器施加经过处理的主瓣信号高、旁瓣信号低的具有一定周期的单音频信号，激励出传播速度快、频散小的导波。
步骤4：在压电元件组成的传感器处提取传感信号，并将其导入时间序列中。该传感信号的采样频率为1E6，采样时长为0.0015s，采样点数为1500个。
在本实施例中，安装后作动器、传感器之后，对作动器施加一定周期的单音频信号，激励出压电超声导波，导波经过待检测层状管道中损伤处返回，传感器接收反馈的传感信号。对该传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，以对传感信号中的低频信号以及高频信号进行多层分解，新的二级近似分量和细节分量由上一级近似分量和细节分量分解得到，从而实现在较短的时间窗内检测较窄的频带和对信号的完全分解，提高了高频段频率分辨率和低频段时间分辨率，进而提高传感信号的时域分辨率。基于分解后的信号进行能量计算，计算出待检测层状管道的损伤处的实际损伤指数，以便后续通过实际损伤指数进行损伤位置的分析。
其中，相较于采用小波分解只能对低频信号分解，导致丢失高频信号信息，从而检测结果不够精确，鲁棒性低相比，小波包分解后的信号具有精细识别特点，提高了损伤识别的精度，并且方法简单，适合用于层状直管结构的损伤程度识别。
作为一种示例，所述获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，包括：
步骤S110，获取所述待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号；
步骤S120，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行EEMD分解处理，并对分解后的传感信号进行重构，得到重构后的传感信号；
步骤S130，对所述重构后的传感信号进行小波包分解，得到分解后各节点的子集时域图；
步骤S140，基于所述子集时域图进行能量计算，得到实际损伤指数。
作为一种示例，在压电元件组成的传感器处获取待检测层状管道上作动器工作时反馈的传感信号，该传感信号是对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的信号，将接收到的传感信号导入时间序列中。
对传感信号进行EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition的缩写，集合经验模态分解)进行分解处理，并对分解后的传感信号进行重构，得到重构后的传感信号。具体的过程如下：
在原始的传感信号基础上添加符合标准正态分布的白噪声，其具体表达式如式(1)所示：
其中，x(t)为初始传感信号；ni(t)为第i次添加的白噪声；xi(t)为第i次产生的包含附加白噪声的新传感信号；M为几何平均运算次数。
需要说明的是，M值是根据加入的白噪声的幅值范围，结合学者提出的统计规律确定的。该统计规律的公式为(式子中的ε为加入白噪幅值标准差与原始信号幅值标准差的比值；e为设定期望分解误差的值，取1％)。
对添加白噪声的新传感信号进行EMD分解(empirical mode decomposition，经验模态分解)，其具体表达式如(2)所示，得到IMF和余项。
其中，xi(t)为第i次产生的包含附加噪声的新传感信号；ci，j(t)为第i次形成的新传感信号分解后的第j个IMF，ri，j(t)为分解后的余项，J为分解得到的IMF的总个数。
基于阙值对IMF进行筛选及集合平均运算，得到EEMD分解的IMF(表达式如3所示)：
其中，Fj(t)为EEMD分解后第j个IMF信号集；ci，j(t)为EMD分解的第j个IMF的信号集；M为集合平均运算次数。
为将幅值变化较小但真实的IMF保留，基于所有分解得到的本征模式分量与初始信号，得到与二者有关的相关系数rj，其函数表达式如(4)所示：
其中，rj为第j个IMF与初始传感信号y(t)的相关系数，y(t)与xi(t)均为第i次产生的包含附加白噪声的新传感信号；t为初始信号的采样点，其取值范围为t＝1，2，…，N。
基于相关系数得到本发明所需的阙值TH，其计算公式如(5)所示：
当rj＞TH时，保留第j个IMF；反之则去除第j个IMF。对本发明而言，取阙值TH＝0.2(即阙值为0.2倍的各IMF标准差)。去噪后的传感信号为IMF的叠加，但该IMF为经过rj与TH筛选后的。
对筛选后的IMF信号集进行信号重构处理，其计算公式如(6)所示：
其中，Y(t)为重构后的信号；Fj(t)为筛选后剩余的EEMD的IMF信号集；N为筛选后剩余的IMF的总个数。
本发明研究的对象为超声导波，以db5作为母小波，将EEMD分解重构后的传感信号进行5层小波包分解。参照图3，经过5层分解后，可得到32个节点及各节点对应的子集时域图。该子集时域图中的横坐标表示时间，纵坐标表示能量，通过子集时域图反映。
基于32个节点中一个节点的子集时域图，进行损伤指数的计算，具体过程如下：
首先，基于小波包分解后得到的节点子集时频域信号，进行节点子集能量的计算，其计算公式如(7)所示：
其中，m为该频带的信号采样总数；Xi，k为第i个子集中的第b个采样数对应的频域信号；Ei为结构第i个子集信号的能量。
然后，将得到的无损及损伤状态下的子集能量代入损伤指数值I的计算公式，从而得到相应状态下的实际损伤指数值I，其计算公式如(8)所示：
其中，k为结构状态，当k＝1时，结构为健康状态；E1,i为结构健康状态下第i个子集信号的能量；Ek,i为管道结构损伤状态下的小波包能量。
步骤S200，确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成。
作为一种示例，目标损伤位置关系表是指由损伤相对轴向与损伤指数关系组成的数据表，其中，损伤相对轴向距离是指在层状管道上多个损伤之间在轴向上的相对距离，损伤指数关系是指某一损伤位于该损伤相对轴向距离内任意位置时，传感器获取的经过该非贯穿损伤反馈的传感信号在经过处理后得到损伤指数数组所满足的大小关系。通过对实际检测获取的传感信号进行处理得到的实际损伤指数，以及结合目标损伤位置关系表能够快速且准确的确定出多个损伤之间的相对轴向距离，由此，便能够确定层状管道上发生损伤的区域位置，便于对管道进行覆土开挖与修补。
需要说明的是，由于管道上的多个损伤相对轴向距离较小时波包无法识别，因此，需要针对待检测的层状管道进行波包分析，划分出难以进行损伤识别的区域段，即为损伤相对轴向距离。可以理解，损伤相对轴向距离与待检测层状管道的长度有关，当多个损伤(如两个损伤)之间的损伤相对轴向距离达到一定距离时，经过这两个损伤反馈的反射回波会先发生波包重叠，后两个波包开始分离，再到波包完全分离，在此过程中难以进行损伤识别。因此，根据压电超声导波在待检测层状管道传播时的传播机理对管道进行损伤区段划分，由于经过不同区段位置内损伤得到的传感信息所计算出的损伤数值会随着区段位置的不同而不同，且具有一定规律。因此，基于划分后的损伤区段确定损伤指数关系，基于多个损伤相对轴向距离与多个损伤指数关系的映射关系，构建目标损伤位置关系表。
作为一种示例，若待检测管道中第一损伤位置与传感器的距离为x1，第一损伤和第二损伤的波包开始发生分离时的位置与传感器的距离为m1*λ，则第一损伤与第二损伤之间损伤相对轴向距离为m1*λ-x1，当第一损伤和第二损伤的波包完全发生分离时的位置与传感器的距离为m2*λ，则第一损伤与第二损伤之间损伤相对轴向距离为m2*λ-x1，其中，λ是指压电超声导波在待检测层状管道中传播的波长，与待检测层状管道的管道信息有关，属于定值；m1与m2属于待检测管道的管长与波长之间的关系系数，在待检测管道已知的情况下属于定值。因此，在ABAQUS中模拟出多个损伤的间距在损伤相对轴向距离为0≤l＜(m1*λ-x1)时的传感信号，对这些传感信号进行小波包分解处理，得到不同位置的损伤对应的损伤指数，对这些损伤指数进行整合，能够得出一定规律，如I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°。同样的，多个损伤的间距在损伤相对轴向距离为(m1*λ-x1)≤l≤(m2*λ-x1)的具体实施过程基本相同，在此不再赘述。
需要说明的是，所述损伤指数关系中包括第一损伤模拟位置对应的单损伤指数I单损伤、第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为90°时的双损伤指数I双损伤90°、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为0°的双损伤指数I双损伤0°。
本发明的激励信号是有一定周期的单音频信号，经Hanning窗调制的5周期单音频正弦叠加信号，其表达式为：
式中，n为单音频的数目，fc为信号的中心频率，t为时间，其时域信号图如图4所示，图4为Hanning窗调制的5周期单音频正弦叠加信号时域图。
从上述表达式和图4可以看出，激励信号在(0，90°)的区间是单调递增的，没有驻点和拐点；对于层状管道结构来说，(0，360°)区间内有若干区间，因此选择第二损伤旋转90°是从激励信号和管道结构的最小公倍数的角度考虑的，能够最大程度节约计算成本，且能够保证在层状管道结构(0，90°)范围内的损伤指数值是单调变化的。因此，相对周向位置在(0，90°)之间的损伤得到的损伤指数依旧符合上述I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°的损伤指数关系。
例如，目标损伤位置关系表如下表1所示。
表1：
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作为一种示例，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
步骤S210，获取所述待检测层状管道的管道信息，所述管道信息包括管道材料和管道结构；
步骤S220，通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述初始损伤位置关系表由至少一组初始损伤相对轴向距离与损伤位于所述初始损伤相对轴向距离时的损伤指数数组得到的损伤指数关系组成。
作为一种示例，管道信息包括管道材料、管道结构，同一管道信息对应的管道中导波的波长相同。
预设的初始损伤位置关系表中的周向间距范围是由x1与λ表示的，因此，获取待检测层状管道的管道信息，根据管道信息能够确定λ的数值，则更新周向间距范围中的λ的具体数值，如表1中λ替换为具体数值，得到的目标损伤相对轴向距离是一个与x1有关的不等式，从而形成针对待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
由于目标损伤相对轴向距离是一个与x1有关的不等式，且损伤指数关系的数值与目标损伤相对轴向距离有关，因此，需要确定x1的数值，从而得到待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
作为一种示例，所述通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
步骤S221，基于脉冲回波法对所述传感信号进行处理，确定出所述待检测层状管道的第一损伤实际位置；
步骤S222，通过所述管道信息与所述第一损伤实际位置更新所述初始损伤位置关系表中的初始损伤相对轴向距离，得到目标损伤相对轴向距离；
步骤S223，计算出当损伤位于所述目标损伤相对轴向距离时损伤指数关系中损伤指数的数值，基于多个所述目标损伤相对轴向距离与更新后的损伤指数关系形成所述待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
具体的，基于常规的脉冲回波法对压电元件组成的传感器接收的传感信号进行处理，得到待检测层状管道中损伤处的位置信息，即第一损伤实际位置x1。
通过在ABAQUS中模拟该第一损伤实际位置x1的工况，获取压电超声导波经过该位置损伤时反馈的传感信号，对该传感信号进行小波包分解处理，得到I单损伤。
在ABAQUS中模拟该第一损伤实际位置x1与可能的第二损伤位置属于表1中损伤相对轴向距离为0≤l＜m1*λ-x1范围时的工况，得到两个损伤的相对周向位置为90°时的双损伤指数I双损伤90°，同样得到两个损伤的相对周向位置为0°的双损伤指数I双损伤0°。因此，得到I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°中损伤指数的具体数值，该损伤指数关系为实例化的关系。需要说明的是，由于损伤相对轴向距离为区域位置，因此，计算出的I双损伤90°与I双损伤0°为区间值，其依旧符合上述损伤指数关系。
在ABAQUS中模拟该第一损伤实际位置x1与可能的第二损伤位置属于表1中损伤相对轴向距离为m1*λ-x1≤l≤m2*λ-x1范围时的工况，得到I’双损伤90°<0.3<I’双损伤0°<I单损伤中损伤指数的具体数值的过程基本相同，在此不再赘述。
由此，基于多个损伤相对轴向距离与数值化后的损伤指数关系的映射关系，创建出待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
步骤S300，根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
将根据传感信号处理后得到实际损伤指数带入目标损伤位置关系表中，确定出待检测层状管道上至少一个损伤之间的轴向间距，即为目标损伤相对轴向距离，通过传感信号能够得到至少一个损伤中第一个损伤的位置，因此，在第一个损伤位置确定以及目标损伤相对轴向距离确定的情况下，能够识别出待检测层状管道上出现损伤的区域以及该区域在管道上的位置，便于人员对损伤位置进行覆土开挖和修补，提高了管道维修的效率与准确度。
作为一种示例，所述根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置，包括：
步骤S310，将实际损伤指数与所述损伤指数关系中损伤指数的数值进行比对，得到与所述实际损伤指数符合的目标损伤指数关系；
步骤S320，确定所述目标损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离；
步骤S330，根据确定后的目标损伤相对轴向距离、以及基于所述传感信号处理得到的第一损伤实际位置，确定出所述待检测层状管道上其它损伤产生的区域位置。
将实际损伤指数与目标损伤位置关系表中的损伤指数关系进行比较，通过数值的比对，能够确定实际损伤指数符合上述哪一个损伤指数关系。根据损伤指数关系与损伤相对轴向距离之间的映射关系，确定损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离，该目标损伤相对轴向距离即为第一损伤实际位置与其他损伤(一个或多个损伤)之间的轴向间距。在第一损伤实际位置与目标损伤相对轴向距离确定的情况下，能够得知待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
本发明提供一种层状管道损伤位置分析方法，与目前层状管道的损伤位置相对轴向距离较小无法识别，导致损伤位置检测识别准确性低相比，在本发明中，获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。也即，首先在PZT片组成的作动器施加压电超声导波在层状直管结构传播，在PZT片组成的传感器获得振动响应。然后，将提取的时间序列添加正态分布的白噪声后，经过EEMD分解、小波包分析方法对底层传感信号的低频和高频信号多层分解，提高传感信号的时域分辨率，并计算结构的实际损伤指数。随后，结合待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，快速且高效的识别出管道上损伤所在的区域位置。本发明所述模型克服了层状管道的由于距离较近的多个损伤引起的传感信号的波包重叠导致的难以进行准确的损伤定位问题，提高了多个损伤的相对轴向距离定位的精度与准确性，尤其是能够在产生贯穿损伤之前精确识别出损伤位置，提高了损伤位置识别的准确性。
基于上述第一实施例，提出层状管道损伤位置分析方法的第二实施例。
作为一种示例，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表之前，所述方法还包括：
步骤A1，根据预设的管道信息与多损伤位置模拟出层状管道模型，所述多损伤位置包括第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置；
步骤A2，获取层状管道模型上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的第一模拟传感信号；
步骤A3，对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，所述初始损伤相对轴向距离与所述层状管道模型的管道信息、第一损伤模拟位置有关；
步骤A4，对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系；
步骤A5，基于多个所述初始损伤相对轴向距离与多个所述损伤指数关系的映射关系，构建初始损伤位置关系表。
作为一种示例，利用有限元模拟软件ABAQUS建立层状管道结构模型。参照图2，该模型由钢管(结构层)、聚氨酯硬质泡沫塑料(保温层)、高密度聚乙烯(防腐层)组成，模型的管道信息如各层材料及管长等参数，详见表2。
表2材料属性：
在钢管(结构层)上设置一个周向损伤，其损伤长度为3/16外管径周长，损伤宽度为4mm，损伤径向深度的取值范围为0至4mm。基于损伤在结构层上轴向位置、相对周向位置的多样性，本发明列举多种单损伤位置、多损伤位置对应的25种预设模型工况，其中，多损伤位置包括第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置，预设模型工况包括不同第一损伤模拟位置、以及第一损伤模拟位置组成的工况，详见表3、表4。
表3管道结构损伤模型工况
模型工况 工况1 工况2 工况3
损伤轴向距离/m 0 750 900
模型工况 工况4 工况5 工况6
损伤轴向距离/m 1050 1200 1350
模型工况 工况7 工况8 工况9
损伤轴向距离/m 1500 1650 1800
工况1～工况9这9个不同第一损伤模拟位置的单缺陷管道结构有限元模型。
表4管道结构损伤模型工况
模型工况 工况10 工况11 工况12 工况13
第一损伤轴向距离/mm 750 750 750 750
第二损伤轴向距离/mm 750 900 1050 1200
损伤间距/mm 0 150 300 450
模型工况 工况14 工况15 工况16 工况17
第一损伤轴向距离/mm 750 750 750 750
第二损伤轴向距离/mm 1350 1500 1650 1800
损伤间距/mm 600 750 900 1050
模型工况 工况18 工况19 工况20 工况21
第一损伤轴向距离/mm 750 750 750 750
第二损伤轴向距离/mm 750 900 1050 1200
损伤间距/mm 0 150 300 450
损伤相对周向位置变化/° 90 90 90 90
模型工况 工况22 工况23 工况24 工况25
第一损伤轴向距离/mm 750 750 750 750
第二损伤轴向距离/mm 1350 1500 1650 1800
损伤间距/mm 600 750 900 1050
损伤相对周向位置变化/° 90 90 90 90
工况10～工况17为不同第二损伤模拟位置且两个损伤的相对周向位置变化为0°的损伤管道结构有限元模型。工况18～工况25为在工况10～工况17基础上，第二损伤模拟位置相对第一损伤模拟位置的相对周向位置变化为90°的损伤管道结构有限元模型。
在每一种模型工况下，获取层状管道模型上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的第一模拟传感信号，对第一模拟传感信号进行波包分析，能够从不同模型工况的传感信号时域图中分析出损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的位置，由于反射回波发生波包重叠、开始分离与完全分离时难以对损伤进行识别，因此，需要确定用于损伤识别的初始损伤相对轴向距离。该初始损伤相对轴向距离是指第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置之间的轴向距离。例如，将层状管道上传感器的位置与损伤最大位置之间的管道划分为初始损伤相对轴向距离为0≤l＜(m1*λ-x1)、(m1*λ-x1)≤l≤(m2*λ-x1)的两段，其中，损伤最大位置是指第一损伤与第二损伤发生完全分离时的位置点。
当管道结构中存在两个损伤时，第一损伤反射回波与第二损伤反射回波会发生波包的重叠或分离，损伤指数值I在波包重叠到开始分离过程或开始分离到完全分离过程的大小关系会发生变化。因此，对初始损伤相对轴向距离内损伤进行模拟，得到模拟出的传感信号。并对该传感信号进行小波包分解，得到初始损伤相对轴向距离内损伤对应的损伤指数，通过这些损伤指数进行分析，能够得到该周向间距范围内发生损伤时的损伤指数变化规律，即为损伤指数关系，例如模型工况中多个损伤之间的轴向间距在0≤l＜(m1*λ-x1)范围时，得到损伤指数关系为I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°。同样对模型工况中多个损伤之间的轴向间距在(m1*λ-x1)≤l≤(m2*λ-x1)范围时，计算每种工况对应的损伤指数，得到这些损伤指数关系为I’双损伤90°<0.3<I’双损伤0°<I单损伤。由此，基于多个初始损伤相对轴向距离与多个损伤指数关系的映射关系，构建初始损伤位置关系表，如上述表1，其中，m1、m2为层状管道模型的管长与超声导波在管道内传播时波长λ之间的关系系数，m1为损伤反射回波发生波包开始分离时所在位置对应的系数，m2为损伤反射回波发生波包完全分离时所在位置对应的系数，x1为第一损伤模拟位置。需要说明的是，以上的位置、轴向距离等，均以传感器的位置为基准计算。
作为一种示例，所述对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到多损伤发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，包括：
步骤A31，获取压电超声导波在所述层状管道模型中的传播机理与所述模拟传感信号时域图；
步骤A32，基于传播机理与所述模拟传感信号时域图对第一模拟传感信号进行波包分析，确定波包开始发生分离时的第一位置点以及波包完全发生分离时的第二位置点；
步骤A33，基于所述第一位置点与所述第二位置点将所述层状管道模型进行区域划分，得到多个初始损伤相对轴向距离。
在获取第一模拟传感信号的同时获取模拟工况对应的模拟传感信号时域图，根据压电超声导波在所述层状管道模型中的传播机理与模拟传感信号时域图，能够确定两个损伤发生波包开始分离与波包完全分离时的位置点，将波包发生分离时的位置设定为第一位置点m1*λ，将波包发生分离时的位置设定为第二位置点m2*λ。因此，以接收传感信号的传感器为起始点，第二损伤所在的范围0至m2*λ划分为(0-m1*λ)、(m1*λ-m2*λ)两部分。由此，得到两个损伤之间的初始损伤相对轴向距离l为0≤l＜m1*λ-x1与m1*λ-x1≤l≤m2*λ-x1两部分。
作为一种示例，所述对多个所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系，包括：
步骤A41，获取所述层状管道模型预设的模型工况，所述模型工况包括不同的第一损伤模拟位置、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置对应的多个损伤轴向距离数据组成的工况；
步骤A42，对多个模型工况进行遍历，对遍历到的模型工况执行以下步骤：
步骤A43，在当前的所述模型工况下，获取所述待检测层状管道上作动器工作时反馈的第二模拟传感信号；
步骤A44，对所述第二模拟传感信号进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到模拟损伤指数；
步骤A45，基于多组所述模型工况与所述模拟损伤指数的数据，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系。
基于上述表3、表4管道结构损伤模型工况，利用有限元模拟软件ABAQUS建立层状管道结构模型，在层状管道结构模型中对每一种模型工况进行模拟，获取在当前模拟的模型工况下的第二模拟传感信号，利于上述小波包分解处理方法对第二模拟传感信号进行处理，得到当前模拟的模型工况下的模拟损伤指数。因此，对每一种模型工况均进行信号模拟，得到多个模拟损伤指数，对这些模拟损伤指数进行分析，能够得到损伤指数关系。
在本实施例中，通过有限元模拟软件预先模拟实际损伤检测的过程，基于多种模型工况的模拟结果，找出损伤位置分析的关系式与规律，从而便于在实际检测时，迅速且高效的识别出损伤的区域位置，提高了层状管道的损伤位置分析准确性。
作为一种示例，预设管道信息为管道长度为2700mm，管道材料为钢管(结构层)、聚氨酯硬质泡沫塑料(保温层)、高密度聚乙烯(防腐层)，利用有限元模拟软件ABAQUS建立层状管道结构模型。其中，将16个压电元件组成的作动器装配耦合在距离层状管道端部30mm处，将4个压电元件组成的传感器装配耦合在同向的距离层状管道端部600mm处。其中，压电元件均周向均匀装配，且压电元件使用粘结剂耦合在待检测层状管道中钢管的外壁上。
基于表3和表4的工况数据、图5和图6的模拟位置，对层状管道进行损伤模拟，即在模拟工况对应的位置上设置损伤。其中，图5为相同周向位置时管道结构双缺陷平面布置图，图6为不同周向位置时管道结构双缺陷平面布置图，第一损伤模拟位置在距离层状管道端部1350mm处，在损伤模拟的过程中，均以传感器位置为基准，则第一损伤模拟位置为750mm处。
对压电元件组成的作动器施加经过处理的主瓣信号高、旁瓣信号低的具有一定周期的单音频信号，激励出传播速度快、频散小的导波。并在压电元件组成的传感器处提取第一模拟传感信号以及第一模拟传感信号对应的模拟传感信号时域图，对每个模型工况对应的第一模拟传感信号与模拟传感信号时域图分析确定第一损伤与第二损伤之间的初始损伤相对轴向距离。
参照图7和图8，图7为导波在管道结构中的传播机理图，图8为模拟传感信号时域图。每一个波包都有自己的传播距离，此处的传播距离是指导波从被压电原件作动器激励开始沿着管道轴向距离传播，到被压电元件传感器接收到时传播的距离。超声导波在作动器位置出发，向左右两侧同时传播，向右传播部分首先经过第一个损伤，在第一损伤位置产生损伤反射波返回传感器位置(即第一损伤反射波1)，另一部分导波通过第一损伤继续向前传播，而向左传播部分经过左侧端部反射回波后再向右传播，经过第一个损伤，同样产生损伤反射波(即第一损伤反射波2)。同理也存在第二损伤反射波1和第二损伤反射波2，可以看出，每个损伤产生2个损伤反射波。通过传播机理图与模拟传感信号时域图的分析可知，第一个损伤与第二个损伤在距离传感器1350mm时发生波包开始分离，第一个损伤与第二个损伤在距离传感器1800mm时发生波包完全分离，因此，第二个损伤的位置范围是(750-1350)、(1350-1800)mm。
具体的，此处以第一损伤反射回波2与第二损伤反射回波1为例子，来分析传播距离、传播时间。对于第一损伤反射回波2(图7中加粗点划线形式)在管道结构中的传播距离＝(600+750)×2+600-30＝3270mm；第二损伤反射回波1(图7中加粗划线形式)在管道结构中的传播距离＝(600+750)×2+600-30＝3270mm。由此可知，第一损伤反射回波2与第二损伤反射回波1在管道结构中传播的距离相同，且均为3270mm。
导波在管道结构中的传播距离可用下列公式来表示
s＝v×t
其中，s为导波在管道结构中的传播距离；v为导波在管道结构中的传播速度；t为导波在管道结构中传播时被压电元件接收到的时间。
对于层状管道结构而言，导波在管道结构中的传播速度已知且为v＝5208m/s。由于导波的传播距离已知，将s、v代入上述公式，可得到导波的传播时间。
对于第一损伤反射回波2而言，其传播时间:
对于第二损伤反射回波1而言，其传播时间:
由此可知，第一损伤反射回波2与第二损伤反射回波1在传播距离、传播时间两方面均相同，进而可说明两个波包必然会发生波包重叠，且此时两个波包即将开始分离。
由工况14的传感信号时域图(如图8)可知，当第二损伤与第一损伤之间相对轴向距离为600mm(第二损伤与压电元件传感器之间的距离为1350mm)时，第一损伤反射回波2与第二损伤反射回波1波包发生重叠，并开始波包分离，无法辨别出该重叠波包是第一损伤反射回波2还是第二损伤反射回波1。
若第二损伤与第一损伤之间相对轴向距离超过600mm(第二损伤与压电元件传感器之间的距离超过1350mm)时，第二损伤反射回波的传播距离s>(600+750)×2+600-30＝3270mm，此时第二损伤反射回波1的传播距离大于第一损伤反射回波2的传播距离，那么第二损伤反射回波1传播的时间也势必要比第一损伤反射回波2传播的时间久，那么第二损伤反射回波1必定不与第一损伤反射回波2发生波包重叠。为便于理解，分析工况15(损伤间相对轴向距离为750mm，即第二损伤与压电元件传感器之间的距离为1500mm)的传播机理，如图9所示。
由图9可知，对工况15而言，第一损伤反射回波2的传播距离＝(600+750)×2+600-30＝3270mm、第二损伤反射回波1的传播距离＝(750+750)×2+600-30＝3570mm。基于前面提及到的传播距离与传播时间之间的关系，第一损伤反射回波2传播时间第二损伤反射回波1传播时间其传播时间第二损伤反射回波1的传播时间比第一损伤反射回波2的时间长，所以此时两个波包没有重叠。
基于上述第一损伤反射回波2与第二损伤反射回波1是否发生波包重叠或是否开始波包分离，即损伤反射回波是否可清晰辨别，而将第二个损伤的位置以1350mm为界限分成两段。则第一个损伤与第二个损伤之间的初始损伤相对轴向距离为0～(1350-750)、(1350-750)～(1800-750)两段，即初始损伤相对轴向距离为(0～600mm)、(600mm～1050mm)。
获取第一损伤在750mm、第一损伤与第二损伤的初始损伤相对轴向距离为(0～600mm)内模型工况的第二模拟传感信号，对这些第二模拟传感信号进行小波包分解处理，得到不同工况对应的模拟损伤指数。通过这些模拟损伤指数分析得到其符合I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°的规律，即设定初始损伤相对轴向距离为(0～600mm)对应的损伤指数关系为I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°。基于相同的实施方式设定初始损伤相对轴向距离为(600mm～1050mm)对应的损伤指数关系为I’双损伤90°<0.3<I’双损伤0°<I单损伤。因此，通过两组初始损伤相对轴向距离、损伤指数关系创建初始损伤位置关系表。
由于层状管道的管道信息确定的情况下，λ属于定值，其中，CL为纵波波速；T为周期；E为杨氏模量；σ为泊松比；ρ为密度。因此，当使用λ表示位置信息时，用m1*λ表示第一个损伤与第二个损伤发生波包开始分离时的位置，用m2*λ表示第一个损伤与第二个损伤发生波包完全分离时的位置，以使得初始损伤位置关系表具有普适性。
因此，已知模拟管道管道信息，确定定值λ，在上述例子中，若第二个损伤的位置以1350mm为界限分成两段，即m1*λ＝1350，m2*λ＝1800，因此，可以得到m1与m2的具体数值，本发明的管道信息计算得到的m1＝1.7，m2＝2.4，进而第一个损伤与第二个损伤之间的初始损伤相对轴向距离l为0～(1.7*λ-x1)、(1.7*λ-x1)～(2.4*λ-x1)两部分，其中，x1为第一个损伤的位置数据。
进而由两组初始损伤相对轴向距离、损伤指数关系创建初始损伤位置关系表。如下：
上述过程完成了对初始损伤位置关系表的创建，在实际损伤检测时，获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，采用脉冲回波法对传感信号进行处理，先确定出第一损伤实际位置x1'。同时，获取待检测层状管道中导波的波长λ'，将λ'和x1'带入初始损伤位置关系表的初始损伤相对轴向距离中，得到针对待检测层状管道产生的损伤相对轴向距离的划分，即确定出待检测层状管道上的两个产生损伤的区域。
此时，便需要根据实际检测得到的实际损伤指数对损伤指数关系进行识别，以此确定出损伤所在的区域位置。具体的，当待检测层状管道产生的目标损伤相对轴向距离确定后，可得到第一损伤实际位置为x1'、第二损伤位置范围为(0+x1')～(1.7*λ'-x1'+x1')即(x1'至1.7*λ')，则建立第一损伤实际位置为x1'、第二损伤位置x1'、两个损伤相对轴向角度为0°的模型工况；第一损伤实际位置为x1'、第二损伤位置1.7*λ'、两个损伤相对轴向角度为0°的模型工况；第一损伤实际位置为x1'、第二损伤位置x1'、两个损伤相对轴向角度为90°的模型工况；第一损伤实际位置为x1'、第二损伤位置1.7*λ'、两个损伤相对轴向角度为90°的模型工况；第一损伤实际位置为x1'的单损伤的模拟工况。通过工况模拟，分别得到I双损伤90°的两个端点值，I双损伤0°的两个端点值、I单损伤的数值。由此，确定了目标损伤相对轴向距离l为0～(1.7*λ'-x1')时的损伤指数关系中损伤指数的具体数值。同样的实施方式得到目标损伤相对轴向距离l为(1.7*λ'-x1')～(2.4*λ'-x1')时的损伤指数关系中损伤指数的具体数值。
获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数。将实际损伤指数与目标损伤相对轴向距离l为0～(1.7*λ'-x1')、(1.7*λ'-x1')～(2.4*λ'-x1')对应的的损伤指数关系中损伤指数的具体数值进行比对。确定出实际损伤指数符合的损伤指数关系，根据损伤指数关系与目标损伤相对轴向距离的映射关系，确定出符合的损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离。
若实际损伤指数符合I双损伤90°<I单损伤<I双损伤0°的损伤指数关系，则对应的目标损伤相对轴向距离为0≤l＜1.7*λ'-x1'，由于x1'确定，则损伤在待检测层状管道上的第一个位置是确定的，结合其他损伤与第一个损伤之间的目标损伤相对轴向距离，能够快速且高效的确定出其他损伤与第一个损伤所在的区域位置，从而实现对损伤位置的检测与分析，提高了检测准确性。
下面对本发明提供的层状管道损伤位置分析装置进行描述，下文描述的层状管道损伤位置分析装置与上文描述的层状管道损伤位置分析方法可相互对应参照。
本发明还提供一种层状管道损伤位置分析装置，所述装置包括：
信号分解模块，用于获取待检测层状管道上由PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；
关系表获取模块，用于确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；
位置分析模块，用于根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
和/或，所述关系表获取模块还包括：
第一信息获取子模块，用于获取所述待检测层状管道的管道信息，所述管道信息包括管道材料和管道结构；
表创建子模块，用于通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述初始损伤位置关系表由至少一组初始损伤相对轴向距离与损伤位于所述初始损伤相对轴向距离时的损伤指数数组得到的损伤指数关系组成。
和/或，所述表创建子模块还包括：
信号处理单元，用于基于脉冲回波法对所述传感信号进行处理，确定出所述待检测层状管道的第一损伤实际位置；
数据更新单元，用于通过所述管道信息与所述第一损伤实际位置更新所述初始损伤位置关系表中的初始损伤相对轴向距离，得到目标损伤相对轴向距离；
表创建单元，用于计算出当损伤位于所述目标损伤相对轴向距离时损伤指数关系中损伤指数的数值，基于多个所述目标损伤相对轴向距离与更新后的损伤指数关系形成所述待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
和/或，所述装置还包括：
管道模拟模块，用于根据预设的管道信息与多损伤位置模拟出层状管道模型，所述多损伤位置包括第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置；
模拟信号获取模块，用于获取层状管道模型上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的第一模拟传感信号；
模拟信号处理模块，用于对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，所述初始损伤相对轴向距离与所述层状管道模型的管道信息、第一损伤模拟位置有关；
关系创建模块，用于对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系；
表创建模块，用于基于多个所述初始损伤相对轴向距离与多个所述损伤指数关系的映射关系，构建初始损伤位置关系表。
和/或，所述模拟信号处理模块还包括：
第二信息获取子模块，用于获取压电超声导波在所述层状管道模型中的传播机理与所述模拟传感信号时域图；
信息分析子模块，用于基于传播机理与所述模拟传感信号时域图对第一模拟传感信号进行波包分析，确定波包开始发生分离时的第一位置点以及波包完全发生分离时的第二位置点；
区域划分子模块，用于基于所述第一位置点与所述第二位置点将所述层状管道模型进行区域划分，得到多个初始损伤相对轴向距离。
和/或，所述关系创建模块还包括：
工况模拟子模块，用于获取所述层状管道模型预设的模型工况，所述模型工况包括不同的第一损伤模拟位置、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置对应的多个损伤轴向距离数据组成的工况；
工况执行子模块，用于对多个模型工况进行遍历，对遍历到的模型工况执行以下步骤：
模拟信号获取子模块，用于在当前的所述模型工况下，获取所述待检测层状管道上作动器工作时反馈的第二模拟传感信号；
模拟信号分解子模块，用于对所述第二模拟传感信号进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到模拟损伤指数；
关系创建子模块，用于基于多组所述模型工况与所述模拟损伤指数的数据，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系；
其中，所述损伤指数关系中包括第一损伤模拟位置对应的单损伤指数、第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为90°时的双损伤指数、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为0°的双损伤指数。
和/或，所述位置分析模块还包括：
数值比对子模块，用于将实际损伤指数与所述损伤指数关系中损伤指数的数值进行比对，得到与所述实际损伤指数符合的目标损伤指数关系；
信息确定子模块，用于确定所述目标损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离；
位置分析子模块，用于根据确定后的目标损伤相对轴向距离、以及基于所述传感信号处理得到的第一损伤实际位置，确定出所述待检测层状管道上其它损伤产生的区域位置。
和/或，所述信号分解模块还包括：
传感信号获取子模块，用于获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号；
传感信号分解子模块，用于对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行EEMD分解处理，并对分解后的传感信号进行重构，得到重构后的传感信号；
传感信号处理子模块，用于对所述重构后的传感信号进行小波包分解，得到分解后各节点的子集时域图；
数据计算子模块，用于基于所述子集时域图进行能量计算，得到实际损伤指数。
图10示例了一种层状管道损伤位置分析设备的实体结构示意图，如图10所示，该层状管道损伤位置分析设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(CommunicationsInterface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行层状管道损伤位置分析方法的步骤。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请层状管道损伤位置分析设备具体实施方式与上述层状管道损伤位置分析方法各实施例基本相同，在此不再赘述。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的层状管道损伤位置分析方法的步骤。
本申请计算机程序产品的具体实施方式与上述层状管道损伤位置分析方法各实施例基本相同，在此不再赘述。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的层状管道损伤位置分析方法的步骤。
本申请存储介质具体实施方式与上述层状管道损伤位置分析方法各实施例基本相同，在此不再赘述。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待检测层状管道上由PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，所述待检测层状管道的结构包括结构层与外包层；
确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述目标损伤位置关系表是根据压电超声导波在所述待检测层状管道传播时的传播机理与对应的损伤指数确定的，所述目标损伤位置关系表由至少一个损伤相对轴向距离和至少一个损伤指数关系组成；
根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置。
2.根据权利要求1所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
获取所述待检测层状管道的管道信息，所述管道信息包括管道材料和管道结构；
通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，所述初始损伤位置关系表由至少一组初始损伤相对轴向距离与损伤位于所述初始损伤相对轴向距离时的损伤指数数组得到的损伤指数关系组成。
3.根据权利要求2所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述通过所述管道信息更新预设的初始损伤位置关系表，得到所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表，包括：
基于脉冲回波法对所述传感信号进行处理，确定出所述待检测层状管道的第一损伤实际位置；
通过所述管道信息与所述第一损伤实际位置更新所述初始损伤位置关系表中的初始损伤相对轴向距离，得到目标损伤相对轴向距离；
计算出当损伤位于所述目标损伤相对轴向距离时损伤指数关系中损伤指数的数值，基于多个所述目标损伤相对轴向距离与更新后的损伤指数关系形成所述待检测层状管道的目标损伤位置关系表。
4.根据权利要求2所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述确定所述待检测层状管道对应的目标损伤位置关系表之前，所述方法还包括：
根据预设的管道信息与多损伤位置模拟出层状管道模型，所述多损伤位置包括第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置；
获取层状管道模型上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过非贯穿损伤时反馈的第一模拟传感信号；
对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，所述初始损伤相对轴向距离与所述层状管道模型的管道信息、第一损伤模拟位置有关；
对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系；
基于多个所述初始损伤相对轴向距离与多个所述损伤指数关系的映射关系，构建初始损伤位置关系表。
5.根据权利要求4所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述对所述第一模拟传感信号进行波包分析，得到第一损伤模拟位置和第二损伤模拟位置对应的损伤反射回波发生波包开始分离与完全分离时的初始损伤相对轴向距离，包括：
获取压电超声导波在所述层状管道模型中的传播机理与所述模拟传感信号时域图；
基于传播机理与所述模拟传感信号时域图对第一模拟传感信号进行波包分析，确定波包开始发生分离时的第一位置点以及波包完全发生分离时的第二位置点；
基于所述第一位置点与所述第二位置点将所述层状管道模型进行区域划分，得到多个初始损伤相对轴向距离。
6.根据权利要求4所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述对多个损伤位于所述初始损伤相对轴向距离内的层状管道模型进行损伤模拟，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系，包括：
获取所述层状管道模型预设的模型工况，所述模型工况包括不同的第一损伤模拟位置、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置对应的多个损伤轴向距离数据组成的工况；
对多个模型工况进行遍历，对遍历到的模型工况执行以下步骤：
在当前的所述模型工况下，获取所述待检测层状管道上作动器工作时反馈的第二模拟传感信号；
对所述第二模拟传感信号进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到模拟损伤指数；
基于多组所述模型工况与所述模拟损伤指数的数据，创建所述初始损伤相对轴向距离对应的损伤指数关系。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述损伤指数关系中包括第一损伤模拟位置对应的单损伤指数、第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为90°时的双损伤指数、以及第一损伤模拟位置与第二损伤模拟位置的相对周向位置为0°的双损伤指数。
8.根据权利要求1所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述根据所述传感信号、以及基于所述目标损伤位置关系表得到的所述实际损伤指数对应的目标损伤相对轴向距离，确定所述待检测层状管道上产生损伤的区域位置，包括：
将实际损伤指数与所述损伤指数关系中损伤指数的数值进行比对，得到与所述实际损伤指数符合的目标损伤指数关系；
确定所述目标损伤指数关系对应的目标损伤相对轴向距离；
根据确定后的目标损伤相对轴向距离、以及基于所述传感信号处理得到的第一损伤实际位置，确定出所述待检测层状管道上其它损伤产生的区域位置。
9.根据权利要求1所述的层状管道损伤位置分析方法，其特征在于，所述获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号，对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行小波包分解处理，基于分解后信号进行能量计算，得到实际损伤指数，包括：
获取待检测层状管道上对PZT组成的作动器施加的压电超声导波经过多个非贯穿损伤时反馈的传感信号；
对所述传感信号的时间序列添加符合正态分布的白噪声后进行EEMD分解处理，并对分解后的传感信号进行重构，得到重构后的传感信号；
对所述重构后的传感信号进行小波包分解，得到分解后各节点的子集时域图；
基于所述子集时域图进行能量计算，得到实际损伤指数。
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