导波技术（共8篇）
导波技术 篇1
近年来, 管道应用在世界范围内得到了飞速的发展, 在经济建设中发挥着越来越重要的作用, 已成为现代工业和国民经济的命脉。作为管道事故中最经常发生的泄漏事故一旦发生, 不仅造成大量物质损失, 泄漏的有毒化学物质还带来环境污染, 更为严重地是有可能带来的人身伤亡事故。
国内外虽已掌握了管道腐蚀和泄漏的检测技术, 但尚难实现大面积、长距离和复杂状态管道的早期裂纹快速检测。原因是管道状态的复杂、各种裂纹对激励信号的敏感性、回波信号的多模态以及环境噪音的复杂, 使得管道在线裂纹检测一直是无损检测领域的技术难点, 尚缺乏支撑裂纹检测设备研制的合理技术和方法。
目前检测系统容易检出的缺陷主要是局部腐蚀、冲蚀、机械损伤、成群点蚀以及环向裂纹。对于均匀腐蚀、个别点蚀、轴向裂纹和焊缝中的小缺陷则不敏感, 难以检出, 不利于长距离管道的检测, 并且也很难利用检测信号区分缺陷类型, 且需要设备停机才能检测。
本检测技术通过实时采集的数据, 对其进行相关分析, 研究管道在线裂纹早期检测的新方法, 对我国大面积、高数量可靠使用管道运输有着重要的社会经济意义, 同时对于其他设备如压力容器等的状态判定和预测同样具有辐射作用和工程意义。
1 研究与开发内容
本检测技术基于小波分析、遗传算法和随机理论, 针对复杂工作环境中的管道和多种裂纹形态, 运用多模式柱状超声导波技术, 对管道进行信号的采集、分析, 建立特征参数与状态模式的映射关系, 实现对埋藏、涂层、包覆管道等缺陷状态和位置的判别。研究与开发内容有以下几点。
(1) 失效机理。研究管道的主要失效形式、失效原因和应力分布情况, 结合应力疲劳和断裂力学理论, 建立管道失效的理论模型, 揭示管道裂纹产生的机理, 并进行分类。
(2) 频散曲线。在管道中传播的超声导波, 其波速随导波频率的变化而变化。要利用导波进行管道缺陷检测, 就必须清楚了解对于特定管道, 波速随频率与壁厚之积变化的关系, 为实际管道信号采集、分析和判断奠定基础。
(3) 导波选择与激励。研究柱面导波与缺陷的相互作用机制。研究多模式柱面导波与缺陷作用的敏感性和激励波的选择, 对多模式导波检测技术进行研究, 如采用纵向模态、弯曲模态和扭转模态等等。
(4) 导波回波处理。接收柱面导波回波时, 应有选择的加强某些模态导波信号, 同时利用滤波技术和数字信号处理以使柱面导波回波最佳。
(5) 小波分析和遗传算法。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪, 提取特征成分, 并利用遗传算法, 对超声导波的信号特征参数进行再组织, 自动生成新的特征参数, 以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号的特征关系。
(6) 随机理论。利用随机理论和模糊可能性原理, 将已提取出的特征参数变换成服从正态概率密度分布的正态特征参数, 进行状态判断, 并建立特征参数与管道状态模式的映射关系, 实现缺陷回波信号的识别和缺陷定位。
(7) 检测设备及软件。检测设备包括传感器、信号放大器、信号采集卡和显示器等。软件包括管道状态信号的采集、分析和判别软件。超声导波检测仪器技术要求 (表1) 。
2 技术创新
(1) 研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制, 探索特定模态柱状导波的激励方法, 提出多模式导波管道在线裂纹检测理论和技术。超声柱面导波像其它体波一样遇到边界会发生反射、透射以及模式转换等现象, 检测管道如存在腐蚀、裂纹等缺陷, 引起声阻抗的变化, 进而引起波的反射、透射等, 导致接收信号发生变化。超声导波在管道中传播时, 一种模式的导波可能只对某一种缺陷敏感, 而对其它类型缺陷不敏感, 检测其存在需要多种模态超声柱面导波的激励。研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制, 考虑管道不同裂纹特征以确定特定模态柱状导波的选择和图1
图2
图3
图4激励方法, 探索多模式导波管道在线裂纹检测理论。常规超声波管道检测往往需要设备长时间停机, 本检测技术能实现管道的在线检测, 避免了因设备停机而带来的经济损失。此类研究工作鲜有报道, 国内外现有研究没有形成完整的理论, 管道在线多种裂纹检测技术的研究国内外投以很高的热情。
(2) 采用小波分析、遗传算法和随机理论, 研究信号分解、重构和特征参数提取, 建立管道状态与超声导波的特征关系理论模型。由于不同裂纹缺陷采用不同模式激励导波, 以及管道中的导波本身回波的多种模态和频散特性, 使信号进行分解、重构、特征提取困难。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪, 提取特征成分, 利用遗传算法, 对超声导波的信号特征参数进行再组织, 自动生成新的特征参数, 以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号特征关系。研究工作在前人对管道裂纹小波分析的基础上, 应用遗传算法理论和随机理论, 对复杂的多模式超声导波检测, 建立特征参数与管道状态模式的映射关系和相应的数据库, 实现缺陷回波信号的识别、缺陷定位, 状态判别的准确率达95%。
(3) 研发多模式超声导波管道裂纹检测仪器及软件。研发采用小波分析、遗传算法和随机理论, 考虑多模式导波检测各种裂纹和缺陷的超声导波检测仪器和应用程序, 很好地解决长距离复杂状况管道裂纹无损的检测问题, 大大提高了本项目检测仪器对管道状态诊断的简便性和实用性。
3 技术路线
(1) 管道特性、激励与信号的采集 (图1) 。
(2) 特征参数的提取优化研究 (图2) 。
(3) 管道状态判定研究 (图3) 。
(4) 检测样机研制和软件开发 (图4) 。
4 结语
基于小波分析、遗传算法和随机理论的超声导波检测技术, 变管道抢修为在线计划检修, 通过有计划地更换个别泄露管段, 大大减少管道维修费用, 保证管道输送正常。
目前, 相比国外同类产品, 国产的管道检测产品的市场占有率还很低, 大部分市场仍被国外产品所占领。本检测技术及仪器属高技术含量产品, 其技术指标和性能指标与国外产品相比毫不逊色, 且性价比很高。
本检测仪器携带方便, 操作简单, 具有很大的市场前景, 可实现管道在线检测和裂纹早期诊断, 也可检测管道腐蚀和泄露等问题。本检测仪技术先进、携带方便、操作简单, 具有很大的市场前景。
导波技术 篇2
(1.南京工业大学力学部，江苏 南京 211816；2.南京理工大学理学院，江苏 南京 210094)
引 言
多层厚壁圆筒结构，可以根据使用环境和使用功能的要求，对各层材料和结构进行设计，满足耐压、耐磨、耐高温、耐腐蚀等高性能要求，同时又可以节省高品质材料和制造费用。因此，多层圆筒是常用的一类工程结构件，在核反应堆结构、混凝土结构中的腐蚀监测、水下设备，智能结构，薄涂层结构和生物结构模拟等领域都有广泛的应用[1～6]。多层圆筒的疲劳裂纹往往萌生于层间界面。由于它具有曲面边界形式，波的反射特性复杂，导致“超声-回响”等传统的裂纹和缺陷的超声检测方法不能有效地进行检测。因此，需要提出新的有效的无损检测手段，避免裂纹扩展造成严重的后果。
超声导波是一种替代方法，它可以沿着层的方向传播，并在层厚方向形成驻波，具有较远距离、实时检测、充分利用结构几何特性的优势。目前梁、板等结构中导向波的传播已经得到广泛研究[7]，单层圆筒类结构中轴向导波的传播也已被研究[8]。Qu等也研究了圆环、轴筒结构等简单筒体类结构中周向导波的传播[9,10]。考虑到层间界面缺陷，本人已经研究了双层碳纳米管和双层圆筒等双层圆筒结构中的周向导波传播[11,12]。然而，多层圆筒结构的使用工况，更容易造成层间界面处萌生径向裂纹。从外层表面激发的的非轴对称型的周向导波，可以在某些激励频率下，使若干特定的波模态，在层间界面附近集中能量，从而能够检测出清晰的波群信号(反映波的能量传播特征)。因此，有必要仔细研究多层厚壁圆筒的周向导波波场的物理特性。本文研究了不同连续性条件的多层厚壁圆筒结构中周向导波的传播特性，考察了不同连续性条件对频散曲线和位移曲线的影响，为多层圆筒结构中，采用周向导波的无损检测方法来检测界面特性，提供理论依据。
1 周向导波问题的理论推导
不考虑体力时，第i层筒的位移运动方程为[13]
(1)
式中ui为第i层筒的位移矢量，Vi表示该层筒结构占有的空间区域，cLi和cTi分别是第i层筒的纵波波速和剪切波波速, 两波速依赖于第i层筒的材料质量密度ρi、Lamé常数λi和μi。第i层筒的边界条件为
=Fi在Si上
(2)
式中Si表示Vi的边界，n为边界上的外法线单位应力，▽ui表示位移梯度，T表示转置。
图1 多层圆筒结构横截面示意图
由矢量的Helmholtz分解，第i层筒的位移矢量场ui可分解为包含集散波标量势φi和等容波矢量势ψi的表达式
ui=▽φi+▽×ψi
(3)
式中 势函数φi和ψi满足如下波动方程
(4a)
(4b)
在平面运动中，矢量势ψi的只有z方向的分量，即
(4c)
采用分离变量法，可得
φi=fi(r)exp(inθ)exp(-iωt)
(5a)
ψZi=gi(r)exp(inθ)exp(-iωt)
(5b)
式中
(6a)
(6b)
式中Jn(x)和Yn(x)分别为n阶第1类和第2类Bessel函数。
采用极坐标系，第i层筒的位移分量为
(7a)
(7b)
由线弹性材料的Hooke定律，第i层筒的应力分量为
(8a)
(8b)
给定多层圆筒结构的内外表面都为自由表面，则边界条件为
(9)
在多层圆筒这一部分中，变量中的上标1表示内层圆筒， 上标i表示第i层圆筒，上标N表示外层圆筒。
对于光滑连接的多层筒，在接触面上，法向应力和法向位移都连续，切向应力为零，所以连续性条件表述为
(10a)
(10b)
(10c)
(10d)
对于固结连接的多层筒，在接触面上，应力和位移都连续，所以连续性条件表述为
(11a)
(11b)
(11c)
(11d)
将方程(6)代入方程(5)，然后代入方程(7)～(9)和(10)，或和(11)，得到一个含有4N个未知常量A=[A1,B1,C1,D1,…,Ai,Bi,Ci,Di,…,AN,BN,DN，CN]T的4N阶齐次方程组。为了分析问题方便，对变量采取无量纲化处理，令
最后得到表达式
[dmn]A=0
(12)
(13)
这就是多层圆筒中周向导波的频率方程。
频率方程(13)求解之后，代入方程(12)，就可以求出非零特征矢量A=[A1,B1,C1,D1,…,Ai,Bi,Ci,Di,…,AN,BN,CN,DN]T。然后把特征矢量A代入方程(6)，再代入方程(5)和(3)，得到周向导波的位移波型分量
ur(r,θ,t)=Ur(r)exp(inθ)exp(-iωt)
(14a)
uθ(r,θ,t)=Uθ(r)exp(inθ)exp(-iωt)
(14b)
其中
(15)
式中W(r)为一个2×4N阶矩阵。
2 数值计算及讨论
考虑到计算量太大，以表1和2中的参数为数值算例，研究周向导波在不同类型多层厚壁圆筒中的传播特性。
表1 材料参数
表2 几何参数
2.1 频散曲线的基本特征
图2 三层光滑连接钢筒中周向导波频散曲线的最初10阶模态和Rayleigh波
2.2 连续性条件对频散曲线的影响
以表2中的光滑连接和固结连接两种连续性条件的三层钢筒TSST和TWST为例，并将它们和三组单层钢筒STST，SIST和SOST的频散曲线一起比较，研究连续性条件对频散曲线的影响。
图3(a)，(b)，(c)，(d)分别为三层圆筒与单层圆筒的频散曲线第1～4阶模态比较，从图3(a)～(d)可以看到，固结三层圆筒TWST的频率始终高于光滑连接三层圆筒TSST，可见光滑连接方式降低了多层圆筒的频率。而对于固结多层圆筒，由其连续性条件特点可知，它在层间界面上的位移与应力均应保持连续一致。也就是说，固结的多层筒实际上就应该和一个同材料、同尺寸的单层圆筒性质完全一致，而图3中的曲线完全印证了这一点，即所有模态中固结三层钢筒TWST与同尺寸同材料的单层钢筒STST的频散曲线完全一致。
从图3(a)～(b)中可以看出，在低阶模态时，三层钢筒TSST和TWST，都比较接近于内层钢筒SIST的频散曲线，特别是光滑连接三层钢筒TSST，在第1阶模态时，频散曲线非常接近于内层钢筒SIST。说明此时内层筒对多层筒的低阶模态频散曲线起主导作用，特别对于光滑连接的多层圆筒来说，用具有第1阶模态的外激励周向导波检测内层筒的裂纹和缺陷更加有效。图3(c)和(d)还显示，对于第3阶和第4阶模态，三层钢筒TSST和TWST的频率始终低于单层内筒和外筒的频率。特别是在比较高的频率时，三层钢筒TSST和TWST都与具有相同内外径的单层筒STST频率非常接近，说明层间界面效应开始弱化，对于同一高阶模态，与双层筒相比[12]，多层筒和同厚度的单层筒曲线要在较高波数时才会出现重合，因此多层筒比双层筒的层间弱化要慢。但是同样像双层筒一样[12]，对于三层筒及至多层筒，也可以得出一个重要结论，检测层间界面裂纹的周向导波的选择范围，应该集中于低阶模态上。
图3 三层圆筒与单层圆筒的频散曲线第1～4阶模态比较
2.3 壁厚对频散曲线的影响
以表3中的变壁厚的三层钢筒为例，每层钢筒(表1中材料参数)取相同的厚度，层间光滑接触，研究壁厚对多层圆筒频散曲线的影响。
表3 几何参数
图4(a)～(f)分别为不同壁厚三层圆筒的频散曲线第1～6阶模态比较，从图4中可以看出，在1阶模态时，壁越厚频率越大，而且差别很大。对于2至4阶模态，频散曲线比较接近，壁厚对频散曲线影响很小；而对于5阶以上模态，随着筒壁越来越薄，频率越来越高。因此，对于周向导波的无损检测方法，选用受壁厚影响较小的2至4阶模态的周向导波，来检测多层筒界面的裂纹和缺陷更加有效。
2.4 连续性条件对位移曲线的影响
(16)
并作正规化处理，即除以各自的最大位移值得
(17)
图4 不同壁厚三层圆筒的频散曲线第1～6阶模态比较
图5 光滑连接位移波型图
图6 固结连接位移波型图
由前面的工作知，检测多层圆筒层间界面裂纹的周向导波选择范围，可能应该集中于低阶模态上。再由图5(b)和图6(b)合成位移分布，无论是光滑连接还是固结连续性条件，多层筒第2阶模态能量同样也集中在界面附近，进一步证实了第2阶模态最具有检测界面裂纹的应用价值。因此，像双层筒一样[12]，应该将变频器设置成优先激发具有第2阶模态频率的周向导波，以实现对界面裂纹的无损检测目的。
3 结 论
(1)周向导波在多层厚壁圆筒中传播时，虽然理论公式和双层筒不一样，但是进行数值分析时发现了许多相同和不同的地方。多层筒同样也会发生明显的频散现象和模态干涉现象，但是多层筒的模态干涉现象更为频繁。
(2)通过和同厚度的单层筒频散曲线比较，发现高阶模态时两者都出现层间界面弱化现象，但是对于同一高阶模态，多层筒和同厚度的单层筒曲线要在较高波数时才出现重合，因此多层筒比双层筒的层间弱化要慢。
(3)从合成位移曲线来看，多层筒进一步说明了第二阶模态具有检测界面裂纹的重要价值，因为它在多层筒的所有界面处都具有集中能量的特点。
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导波技术 篇3
关键词：输电线,损伤检测,去噪,小波变换
在电力系统中, 输电线的安全性和耐久性直接影响到供电系统的安全运行, 输电线主要采用钢芯铝绞线, 所以钢绞线的健康状况直接影响到了电力系统的安全运行。在使用阶段受拉不均匀以及环境的影响, 会造成钢绞线的腐蚀甚至断裂, 给结构安全造成危害。对钢绞线进行缺陷检测定位, 对预应力结构进行监控, 会在很大程度上避免由于钢绞线中的缺陷扩展而导致整个结构的破坏, 这一研究内容在世界范围内受到了广泛的关注。
1 超声导波技术的理论基础
声波就是机械的振动通过不同的介质的传播, 由于声源和声波在介质中振动和传播的方向在某些情况下是相同的在某些情况下是不同的, 因此会有横波和纵波, 其中横波又称为S波, 而纵波成为p波, 这两种波有各自的特点和方式。如果用频率来和人们可以感觉到的频率来划分, 声波可以被划分为三类:超声波、可闻声波、次声波。其中次声波的频率小于20HZ, 可闻声波的频率在20HZ与20KHZ之间, 而超声波则是大于20KHZ。我们所要研究的就是超声波在实际工作中的应用。以木板作为介质来举例, 木板存在着两个界面, 而其中就有一个很厚的交界层。而处于交界层的超声波会经历很多个来回的重复反射, 在两个界面之间延续和一定的方向前行, 在这样一个重复过程中的超声波就会形成一种波型, 而这个波型由于这个过程而变得复杂, 同时超声波之间也会产生相互之间紊乱的干涉, 就是超声波在这样的界面中进行板内的传播。而我们就可以称之为平板超声导波, 而其中的超声波可以称为板波。
2 小波分析的理论基础
近些年来, 小波分析作为一种新兴的学科迅速发展起来, 小波分析具有很深远的意义, 在实际工作中的应用范围也是相当广的。小波分析作为一种分析方法是对信号的时间和频率之间的分析, 它最大的优点就是可以进行多方面的分辨和分析工作, 而且它可以在时间和频率两个方面来表示信号的特征。在对信号的分析过程中, 可以不改变信号的窗口大小而只改变其形状来进行分析, 因此小波分子方法也被称分析信号过程中的显微镜。
3 超声导波应用于输电线探伤的实验研究
根据超声导波在传播的理论分析, 导播在碰到试点县的损伤裂纹的时候会产生反射或者是进行模式转换等反应。而我们就可以在这个过程中知道超声导波的入射信号和反射信号之间的时间差。运用相关的公式就可以大概计算出损伤裂纹与信号入射点之间的距离。公式如下:
在这个公式中, C表示的是波速, 即。Δt表示的是超声导波入射信号与反射信号之间的时间差。根据这个公式就可以计算出损伤裂纹在输电线中的位置, 也就是我们所求的χp的大小。
损伤裂纹会使得传播介质是不连续的, 当导波在经过裂纹的时候, 导波会在裂纹损伤的位置产生反射或者是进行模式转换等反应。而这个时候导波就被分成了入射波和反射波, 我们这里就用σR来表示反射波的强度, σ1来表示入射波的强度。根据有关的力学公式就有:
根据以上一系列的分析我们可以了解到:反射波经过损伤裂纹的时间与裂纹在输电线中的具体位置是有紧密联系的, 而不受裂纹的损害程度的影响;而对于输电线损伤程度的确定则是要确定裂纹的横截面积和宽度。不管是什么类型的波形发生器都可以产生不同的激励信号, 这样的激励信号经过功率放大器将其功率放大, 而将功率放大之后的激励信号增加压电片之后, 就可以产生纵向的超声导波, 接收到的信号直接显示在数字示波器 (TDS3024) 上。首先在完整的铝线上进行一次实验。超声导波在铝线中传播。遇到铝线的端部, 信号反射回来被PZT接收。接受到的信号通过功率放大器, 送入计算机, 记录接收信号的数据。然后在铝线上切开一个模拟损伤裂纹的切口。重新进行一次实验。超声导波在铝线中传播遇到损伤部位, 有一部分信号反射, 被接收传感器接受, 接受到的信号通过功率放大器, 送入计算机。经过MATLAB的小波降噪后发现, 噪声信号已经基本被滤除, 可以清晰的看到超声导波遇到铝线另一端面的返回波形。但由于铝线的刚度较低, 且发射波的幅值比较大, 造成的干扰使第一个周期内损伤的返回波形不是十分明显。但是在第二个周期内, 对比完整铝线上的波形, 损伤回波可以清晰的分辨出来。从两次的端面返回波波峰之间的时间差, 可以测得纵向导波在改频率下的速度。计算得出在110KHz的频率下, 导波的速度为25.0m/s。可以计算出损伤距离导波发射处得距离。
分析数据可以知道, 第二个周期内的损伤回波在86ms处。而端面返回波的在69ms处。由超声导波检测理论可以得出缺陷位置:
与裂纹的实际位置21.5cm的误差为1.2%说明超声导波能够准确地定位铝线中的损伤。
4 总结与展望
长久以来我国各个地方的供电公司都是采取人工的检测方式对输电线的损伤进行检测。但是, 在沿海地区, 尤其是在海滨工业区输电线容易受到腐蚀。对于输电线路中输电线不明显的损伤情况, 人工检测的方法已经无法做到准确的检测。而且有些地方由于自然条件的制约, 给人工巡线造成了不便。所以, 利用超声导波进行输电线探伤有着十分重要的意义。本文是关于超声导波和小波分析在电力系统输电线路损伤中的应用性研究课题。主要介绍了超声导波和小波分析的基础理论, 总结了目前输电线探伤中所应用到得技术。理论分析了傅立叶变换和短时傅立叶变换在电力系统输电线路损伤检测中的不足, 运用小波变换来检测和分析损伤信号的方法。在分析小波理论在超声导波探伤中的应用时, 提出了小波包分解在判断损伤类型和程度中的作用有待于进一步的研究。
参考文献
[1]孙峰, 陈民铀, 罗涛, 王伟明.输电线断股损伤故障检测方法比较性研究[J].微计算机信息, 2010.
[2]汪洋.超声导波技术在天然气集输站场管道缺陷检测中的干扰因素分析[J].钢管, 2010.
导波技术 篇4
关键词：锚杆,磁致伸缩超生导波,无损检测
0 引 言
锚杆锚固技术由于其安全快速、低成本等特点在铁路、公路、矿业工程等地下结构工程(隧道、洞室等)和边坡护理中应用广泛。在使用过程中,锚杆由于各种原因会出现裂纹、腐蚀等失效现象,造成安全隐患,需要定期对其健康状况进行评估。
本研究基于铁磁性材料的磁致伸缩导波技术,深入探讨检测锚杆有效长度及缺陷的无损检测新方法。
1 磁致伸缩导波锚杆检测的原理
对铁磁性材料施加适当的交变磁场,利用磁致伸缩效应可以产生超声波。超声波在介质中不连续的交界面上产生多次往复反射,进而产生复杂的干涉和几何弥散而形成超生导波;相反的,机械变形会使磁场发生变化,使在磁场中的线圈产生感应电流,这种现象叫做磁致伸缩逆效应。利用铁磁性材料这种磁-力换能效应可以实现锚杆中超声导波的激励和检测[1]。本研究磁致伸缩超声导波锚杆检测原理图如图1所示。
磁致伸缩超声导波要求使用窄带脉冲信号进行激励,作者在实验中采用的正弦脉冲信号如图2所示。采用正弦脉冲信号可以减少导波模式数,降低信号检测的难度。另外正弦信号变化平稳,有利于功率放大器进行放大以提供脉冲大功率激励信号。信号经过功率放大器后加载在激励线圈,即可在实验样件中激励出一定强度的超声导波脉冲。
超声导波在铁磁体中传播,当铁磁体中存在缺陷时其声阻抗将发生变化,从而引起导波的反射、投射等,进而导致铁磁体内磁感应强度发生改变,而变化的磁感应强度将引起接收线圈的电压变化。接收线圈检测到的电压表达式为:
式中 k—超声导波波数;n—接收线圈的匝数;s—接收线圈的横截面积;l—接收线圈的长度,d—接收线圈与激励线圈间的轴向距离;v—铁磁材料中超声导波波速;μr—铁磁材料相对磁导率;λ—铁磁材料磁致伸缩常数;H0—线圈匝数和激励电流的函数,H0=f(Ii,n)。
接收线圈所接收到的信号非常微弱,而且保存检测信息的信号往往被深埋在噪声之中,因此,要对这样的微弱信号进行处理,一般都要先进行预处理,以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
2 锚杆中导波传播的理论模型
普通中空注浆锚杆由普通中空注浆体、止浆塞、托板、排气管和螺母等组成,广泛应用于各类岩土的支护工程或地下工程顶部的锚固工程。实验应用的锚杆试件材料为Q235钢,杆体长度l为3 m,外径d0为30 mm,壁厚Δd为5 mm,如图3所示。
实验锚杆试件可看作各向同性弹性固体介质,根据弹性力学理论,弹性波在各向同性固体中传播时的位移运动方程矢量式[2]为:
μ∇2u+(λ+2μ)∇∇·u=ρu (2)
式中 λ、μ—lamb常数;u—位移矢量;ρ—材料的密度;∇—哈密顿微分算子;∇·—散度算符。
普通中空注浆锚杆可作为均匀各向同性的空心长直圆管处理,对其位移场进行求解,其应力自由边界条件为
ur=Ur(r)cos nθ cos (wt+kz)
uθ=Uθ(r)sin nθ cos (wt+kz)
uz=Uz(r)cos nθ sin (wt+kz) (3)
式中 ur、uθ、uz—径向、周向、轴向的位移分量;Ur(r)、Uθ(r)、Uz(r)—由Bessel函数构成的相应的位移幅度。
上式表明超声导波在沿中空注浆锚杆轴向传播时,存在3种不同的模态:纵向模态、扭转模态和弯曲模态。纵向模态和扭转模态为轴对称模态,一般用记号L(0,m)、T(0,m)表示;弯曲模态为非轴对称模态,一般用F(n,m)表示(其中,n表示轴向阶数,m表示模式数)。求解导波在锚杆中传播的频率方程,可以得到相速度散射曲线。群速度Cg和相速度Cp之间的关系:
式中 fd—频厚积。
由式(4)可以得到群速度曲线。对本次实验样件锚杆相速度频散曲线和群速度频散曲线进行计算,得到的结果如图4所示。
磁致伸缩力在锚杆中激发的超声导波模态,主要由材料本身特性(泊松比、lamb常数、材料的几何结构特征等)和交变磁场以及静态偏置磁场等因素决定。静态偏置磁场和交变磁场交互耦合作用下(例如由轴向平行的线圈提供偏置磁场和交变磁场),管状锚杆中只存在径向和轴向位移分量,此时理论上锚杆中只存在纵向模态导波[3,4]。
3 磁致伸缩导波锚杆长度测定和缺陷分析
3.1 锚杆长度的测定
利用开发的实验装置,本研究以普通中空注浆锚杆为实验样件,对磁致伸缩超声导波锚杆测长以及缺陷检测进行了实验研究。将线圈和偏置磁场成轴对称布置,理论上在锚杆中激发的是纵向超声导波。磁致伸缩导波激励线圈放置在锚杆右端500 mm,导波接收线圈放置在距离锚杆右端1 000 mm处。选用频率为70 kHz的纵向导波激励。对信号进行平均3 000次处理,巴特沃斯三阶滤波器的截止频率为50 kHz～90 kHz。检测信号的波形如图5所示。
为了更直观地观察导波频谱含量怎样随时间变化,以确定在特定时间的频率成分,本研究对信号进行了短时傅里叶变换处理[5]。采用汉明窗得到的短时傅里叶变换结果如图6所示。从图中可以看到,在与检测信号的波形相对应的时刻主频率为激励信号的频率(70 kHz)。
激励线圈在激励处激发超声导波,弹性波沿锚杆轴向同时向两端传播。向左传播的导波首先到达检测线圈,向右传播的导波经右端面反射后到达检测线圈。从图中可以看到,波形存在频散现象,回波信号非常明显,通过信号到达时间为0.105 ms,激励线圈和接收线圈的距离为500 mm,因此波速为4 761.9 m/s。结合被测锚杆频散曲线分析,可以断定激励处的导波模态为L(0,2)模态。通过对导波传播进行分析,在右端回波信号到达时间T1和左端回波信号到达时间T2的总时间内,导波在锚杆中传播的距离为锚杆总长L的两倍。由回波信号可知右端回波信号到达时间T1为0.35 ms,左端回波信号到达时间T2为0.9 ms,因此:
被测锚杆实际的长度为3 000 mm,利用超声纵波对锚杆长度测定,误差率仅为1.05%。
3.2 缺陷信号的分析
利用超声导波对锚杆进行检测时,检测信号会受到多种因素影响,如空间电磁干扰、锚杆端部反射以及信号处理电路引进的噪声,噪声信号的过大极有可能将有用的弹性波淹没,导致检测不到或无法分辨弹性波信号。因此,必须利用有效的信号处理方法,对检测信号进行处理,以提取有用信号。
相关检测技术是利用有用信号周期性和噪声随机性的特点,通过自相关或互相关运算,以达到除噪声的一种技术[6,7,8]。自相关接收机如图7所示。
设混有随机噪声的信号f1(t)=S1(t)+ni(t)。同时输入到相关接收机的两个通道,其中之一将经过延迟器,使它延迟一个时间τ。经过延迟的fi(t-τ)和未经过延迟的fi(t)均送入相乘器内,再将乘积积分后输出平均值,从而得到相关函数上一点的相关值。变更延迟时间τ,重复上述计算,就得到相关函数R(τ)和τ之间的关系曲线。fi(t)的自相关函数为:
由于信号与噪声是互不相关的随机过程,随机噪声的平均值为零,即上式中的Rns(τ)、Rsn(τ)及Rnn(τ)为零,则:
R(τ)=Rss(τ) (7)
最后,得到的是信号本身的自相关函数,从而达到除噪目的。
在本研究中,选取与测长实验规格相同的锚杆为实验样本,在距锚杆右端277 mm处加人为刻缝,刻缝的深度为3 mm,宽度为5 mm。磁致伸缩导波激励线圈放置在锚杆右端42.5 mm处,导波接收线圈放置在距离锚杆右端100 mm处。选用频率为50 kHz的纵向导波激励。对信号进行平均5 000次处理,FIR滤波的截止频率为40 kHz～90 kHz。检测信号波形如图8(a)所示。
对有人为刻缝的锚杆检测信号进行自相关处理,变换后的信号如图8(b)所示。从信号的变化结果来
看,经过相关处理后的锚杆缺陷检测信号噪声明显减小,分辨率更高,而信号的的相位、频率等保持不变。因此,在时域中对锚杆导波检测信号进行分析和识别,相关分析是一种有效和实用的方法。
4 结束语
导波检测技术具有在结构上一点激励可对较长距离进行检测的特点,能够检测一些很难或者根本无法达到的区域,极大地提高了检测效率,并且降低了检测成本,成为了近年来无损检测领域中的一个研究热点。本研究在论述锚杆磁致伸缩导波检测原理的基础上,开发了导波检测的实验系统,通过实验对磁致伸缩导波锚杆检测进行了验证。利用L(0,2)模态的磁致伸缩导波,对自由锚杆进行了长度的测定和缺陷的检测,实验结果表明,L(0,2)模态导波可精确测量出自由锚杆的长度,检测出深度为3 mm的周向刻缝。然而,对于锚固在混凝土或岩石中的锚杆,需要以后进一步的研究分析。
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导波技术 篇5
1 特点及应用
1.1 漏磁检测特点及应用
漏磁检测技术是目前管道工业中应用历史最长, 技术最成熟的检测技术。
但国内技术设备与国外相比还存在很大差距。
漏磁检测法的主要特点:具有较高的检测速度;对裂纹以及锈蚀等检测效果较好;探头装置结构简单、易于实现、成本低且操作简单;磁场信号不受被测材料表面污染状态的影响;可以实现全自动化检测, 可以提高工作效率。影响缺陷磁场的主要是磁化程度、缺陷方向、大小和位置与工件材质及工况等因素。影响漏磁检测信号的因素有:磁路的设计、传感器类型的选择和布局、扫描速度的控制、噪声的去除、被测物体材料的属性以及缺陷深度。
1.2 超声波检测特点及应用
超声波检测主要存在以下特点:存在检测盲区, 无法检测到即将穿孔的缺陷;对管壁表面平整度要求高;每个探头要提供高频、高压脉冲, 因此耗电量比漏磁法大;检测精度高, 在其可测的厚度范围内可达±0.05mm;可得到定量的检测结果, 可直接分辨内外缺陷;不同的材质对检测结果基本无影响。
根据超声波在介质中传播的速度和传播的时间, 就可知道缺陷的位置。当缺陷越大, 反射面则越大, 其反射的能量也就越大, 故可根据反射能量的大小来查知各缺陷 (当量) 的大小。常用的探伤波形有纵波、横波、表面波等, 前二者适用于探测内外部缺陷, 超声波探伤仪后者适宜于探测表面缺陷, 但对表面的条件要求高。
2 对比方法及实验分析
2.1 管道信息及检测结果
文中涉及管道是一条长距离、大口径、高压力、高落差的输送管道, 漏磁检测所用仪器为漏磁检测设备, 超声波检测包括先后进行的几何检测和超声波检测, 两种检测方法发现的管道异常信息情况:检测缺陷深度占壁厚比例在0-19%范围内的金属损失缺陷, 漏磁方法检测出金属损失缺陷为10358处, 超声波法检测出269处;而超声波方法检测出凹陷的数量为10521处, 漏磁法检测凹陷数量为37处。
2.2 对比方法分析
在进行凹陷缺陷对比时, 以漏磁检测的凹陷数据为依据, 在超声波检测中查找是否存在这些缺陷。而对于金属损失缺陷, 以超声波检测的缺陷数据为依据, 在漏磁检测中查找是否存在这些缺陷。
两次检测凹陷数据的对比差值计算结果, 表中的差值计算采用超声波数据减去漏磁数据。两次检测金属损失数据的对比采用差值计算, 采用漏磁数据减去超声波数据。由于两种不同原理检测仪器的精度不同和对凹陷的灵敏度不同, 以及测量方法系统误差的存在, 虽然两种方法得到的凹陷数据有较大偏差, 但综合考虑到凹陷所在的管节编号、相邻管节间凹陷的数量等信息, 仍可判断这两次检测到的凹陷是同一凹陷。
2.3 两种检测方式的总体对比结果
凹陷对比以漏磁检测数据表中的163处凹陷为依据, 核查超声波检测数据表中是否存在这些凹陷, 并判断其中哪些属同一凹陷。两次检测凹陷的比对结果是:见表1。金属损失缺陷对比以超声波检测数据表中的69处金属损失为依据, 核查漏磁检测数据表中是否存在这些缺陷, 并判断其中哪些属同一缺陷。两次检测金属损失缺陷比对结果见表2。
2.4 对比分析总结
目前国内外还鲜有采用不同检测方式对同一管道进行检测, 并用来分析各检测方式的适用性。但需要相关的研究成果以用于指导不同运营状况的管道选择适宜的检测方式;仅对凹陷和金属损失这两种缺陷进行对比分析, 而对于管道的其他异常特征的检测, 还有待进一步研究;不同的检测方式有不同的适用条件, 也有各自的优缺点。
3 结论
根据超声波和漏磁检测这两种检测方法检测出的各类主要缺陷的个数及对比分析结果, 可得到如下结论:对于凹陷缺陷, 超声波检测方法的灵敏度更高, 优于漏磁检测方法;对于金属损失缺陷, 漏磁检测方法灵敏度更高, 优于超声波检测方法;两种无损检测方法, 凹陷缺陷检测结果的拟合度高于金属损失缺陷的检测结果。
摘要：叙述了采用漏磁法和超声导波法进行管道检测的特点的应用情况, 提出一种有针对性的对比方法, 即以环焊缝为参照, 对两种检测结果的缺陷特征数据作差, 对其轴向位置、环向位置、缺陷尺寸等数据进行对比分析。结果表明, 两种检测方法各有优势, 超声波方法在凹陷检测方面优于漏磁方法, 而漏磁方法在金属损失缺陷检测方面优于超声波方法。
关键词：漏磁检测,超声波检测,对比
参考文献
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导波技术 篇6
管道运输在工业中具有不可替代的作用,但由于裂纹、疲劳破坏或管道本身的潜在缺陷都会导致管道开裂,给人们的生命财产和生存环境都造成巨大威胁[1]。超声导波检测技术作为一种新兴的无损检测方法,能够检测管道的整个壁厚,实现对管道的100%检测。
近十几年来,国内外许多学者陆续就超声导波检测管道缺陷的辨识问题进行了研究[2,3]。何存富,吴斌等在管道导波方面做了深入的研究,总结了管道导波检测理论,为超声导波的应用奠定了坚实的基础[2]。英国帝国理工大学的Lowe、Cawley等[4]利用脉冲回波法检测工厂中的管道,对管道中应力波的反射、透射、模式转换等进行了初步分析,并取得了一定成果;Rose等[5]采用纵向导波研究了小孔型腐蚀缺陷占管道截面积百分比与缺陷回波幅值之间的对应关系;程载斌等人[6,7]使用程序AN-SYS进行了裂纹检测的仿真,发现纵波对管道周向裂纹检出率很高,对轴向裂纹检出率并不理想,仿真结果和试验结果相吻合。
本文利用L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测试验,首先确立了试验系统,并在管道固定位置预制管道周向裂纹缺陷,研究了裂纹反射回波系数与管道裂纹位置的联系,为超声导波的应用和研究做了有益探索。
1 试验系统的建立
根据超声导波检测原理建立管道缺陷检测试验系统。试验系统如图1所示,包括任意函数发生器、功率放大器、前置放大器、数字示波器。试验对象为10.1m长、无包覆层碳钢钢管,钢管外径为108mm,壁厚4mm,两端由两个Y型支架悬空架起,管道内无介质。
试验采用规格为25mm*4mm*1mm PZT-5压电陶瓷片,陶瓷片通过502胶水作为与管道粘合,并沿着管道外壁环形均匀排布,如图2中的两环陶瓷片。研究已表明:当沿圆周方向均布的压电陶瓷片个数大于在该频率下可激励导波的最高模态总数时,弯曲模态导波将被抑制,而轴对称模态导波将会增强[8]。试验中在激励环布置了16片陶瓷片以达到抑制弯曲模态的效果,接收环则由8片压电陶瓷传感器构成,分别被标记为A、B、C、D、E、F、G、H,如图3(a)所示,图中各个标号所对应的周向相位已经标出,陶瓷片F所在的周向相位为225°,而管道裂纹缺陷在管道周向的位置在225°附近,与在轴向方向上与陶瓷片F正好对应;图3(b)为裂纹缺陷的实物照片图示,该裂纹缺陷布置在距离管道端面5.5m处,裂纹缺陷的具体尺寸如表1所示,使用缺陷截面积百分比C%(即缺陷横截面面积S与管道横截面面积S0的比值)表示缺陷的严重程度。
试验中选用汉宁窗调制的10周期正弦脉冲信号最为激励信号,以便将能量集中于中心频率附近,降低信号在传播过程中的频散现象带来的干扰。
2 裂纹缺陷的反射回波系数曲线分析
本文通过绘制并分析管道裂纹缺陷的回波发射系数曲线,研究反射回波系数曲线与裂纹的周向位置的联系。在试验中发现,该试验系统在90k Hz附近时波形最为清晰明显,裂纹缺陷处的回波幅值最高,选用90k Hz的检测信号进行研究。
图4不同位置的陶瓷片在90k Hz时采集的检测波形图,图4(a)、图4(b)分别为陶瓷片A和陶瓷片E采集到的检测信号,裂纹缺陷处的回波信号已经用圆圈标出,比较两图可以明显:(1)检测信号的起始端和结束端,两信号的幅值相当,差异并不明显;(2)在裂纹缺陷处,两信号的差异较大,图4(b)中的信号峰值明显较图4(a)的峰值大。图4中将陶瓷片A和陶瓷片E采集到的检测信号作为典型进行了说明,其它陶瓷片的检测信号与图4中信号差异不大,仅在管道裂纹缺陷处的差异明显。为了更好的描述这种差异,本文提取管道裂纹缺陷的回波反射回波系数并绘制了曲线,如图5所示。图5是通过MATLAB软件绘制的,在绘图之前,首先提取了8个陶瓷片的检测信号中裂纹缺陷处的回波反射回波系数,8个反射回波系数分别为0.1481、0.1483、0.1358、0.2194、0.2586、0.3983、0.2431、0.1485,反射回波系数形成了向量b,由于数据较少,为了获取光滑的曲线,使用三次样条插值方法对信号进行处理,具体使用了interp1函数,代码为“t=0:.2:2*pi;c=interp1(a,b,t,'spline');”,其中a表示A~H的陶瓷片所在的周相位的弧度,c为拟合后得到的数据,最终使用polar函数绘制了裂纹反射回波系数的周向分布图,如图5所示。
从图5中可以看出,裂纹缺陷的各相位的反射回波系数存在较大差异,裂其周向分布的形状带有一定的对称性,类似椭圆但并不规则。陶瓷片H、A、B、C所在的区域反射回波较小且幅值差异并不明显,从C到F的周向区域内,裂纹缺陷的回波反射回波系数呈现出递增的规律,在F处去的最大值0.3983,从F到H的周向区域内,裂纹缺陷的回波发射系数呈现出递减的规律。图3中已经说明了裂纹缺陷沿着管道轴向方向上恰好与陶瓷片F正对,而从图5的裂纹反射回波系数的周向分布来看,陶瓷片F的反射回波系数最大。
以上检测结果表明:当传感器的位置与裂纹缺陷的周向相位相近时候,该传感器接检测到的缺陷回波信号最大。通过分析周回波反射回波系数分布图可以确定裂纹的周向位置,考虑到裂纹在周向上有一定的长度,该方法估测的周向位置还是比较精确的。
3 结束语
通过建立管道导波检测试验系统,采集了裂纹缺陷导波检测信号,选用了90k Hz下采集的最佳检测信号,依据这些检测信号绘制了裂纹缺陷的回波反射回波系数周向分布图,经过分析发现:(1)在各个陶瓷片采集的检测信号中,裂纹缺陷的回波反射回波系数差异较大,其周向分布的形状类似椭圆,较为对称;(2)当传感器的位置与裂纹缺陷的周向相位相近时候,该传感器接检测到的缺陷回波信号最大。通过分析周向回波反射回波系数,能够较准确地估测裂纹缺陷的周向位置。
摘要：使用L(0,2)模态导波结合反射回波系数实现对管道裂纹缺陷的快速、准确定位。建立管道导波检测系统,激励L(0,2)模态导波,并采集管道裂纹缺陷的检测信号,编写MATLAB程序提取检测信号中裂纹处的反射回波系数,绘制裂纹周向反射回波系数曲线。结果表明:裂纹周向反射回波系数曲线呈现出不规则的环状,且在与裂纹周向相位相同的位置,反射回波系数明显最大。通过裂纹周向反射回波系数曲线较好地实现了周向定位。
关键词：超声导波,L(0,2)模态,管道裂纹,反射回波系数
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导波技术 篇7
一、紧扣主线, 形散神不散
模式是导波光学中一个非常重要的概念, 对本科生来说, 也是一个比较全新的概念, 学生在学习的过程中, 刚开始有个理解、接受的过程。这就要求教师在讲授内容时, 要循序渐进、不时提醒、重点强调。虽然导波光学的研究内容比较广泛, 但对各种问题的求解分析, 主要归结为建立模式本征方程、求解分析模式本征方程。例如:从波导的结构来看, 有平板波导、矩形波导、条形波导, 脊形波导等, 三层波导、多层波导、金属包覆波导等;从波导的折射率分布来看, 有均匀折射率分布波导、渐变折射率分布波导、W型折射率分布波导等。表面上看起来这些波导形式多样, 但实际处理问题的思路和方法基本类似。教师在讲授时应从思路入手, 引导学生利用已学知识, 借鉴其他类型波导的处理方法, 试探自行分析求解, 激发创新思维。这样学生也易于抓住导波光学的主要内容和处理问题的方法, 形成融会贯通, 为今后相关方向的创新打好扎实的基础知识、训练过硬的专业技能。
二、善于归纳总结、分析对比, 概念明确
导波光学的处理方法包括几何光学理论和电磁理论, 两种方法各有优缺点。几何光学方法比较直观、简便, 处理起来较容易, 但不能给出模场的分布形式, 而电磁理论比较精确, 能够给出模场分布, 但处理起来较复杂。教师在讲授时结合实例, 分析总结两种方法的优缺点和适用范围, 通过归纳对比使得学生概念明确、牢固掌握导波光学的基本处理方法。再例如, 导波光学中的模式本征方程可有多种形式, 包括:由全反射半相移?表示的形式, 由导模传播常数?表示的形式, 由导模有效折射率N表示的形式, 由波导归一化参量V, b和a表示的形式等。这些形式的模式本征方程之间可相互转化, 实际应用中, 应根据讨论的具体问题选择合适形式的模式本征方程。通过这些归纳总结、分析对比, 学生对导波光学的内容和概念有了总体的印象, 使得所学的知识掌握牢固, 促进创新教育。
三、将模拟计算引入教学中, 形象生动, 激发学生学习兴趣
导波光学的理论较为复杂, 涉及到的数学推导较多, 且比较烦琐, 学生学习过程中容易出现疲倦、失去兴趣等情况。大多数情况下, 导波光学中所求解的模式本征方程是一种超越方程, 无法给出解析解, 通常需要通过数值计算才能得出模式的具体情况。教师在教学的过程中, 可以通过示范数值求解过程和步骤、点明方法, 引导学生自行编程求解, 或者作为课后作业的形式布置给学生自行完成。另外, 导模的场分布, 根据电磁场的数学形式很难感受到其实际分布情景, 而通过Matlab等软件能够将场分布的形式直观地显现出来。通过这些计算、模拟的实践, 能够培养学生数值求解、理论模拟问题的能力, 这也是今后从事相关创新活动的基本技能, 同时学生可以从中感受到成功的喜悦, 对模式的概念、模场分布等有更加直观的印象, 进而激发了学生的学习兴趣。因此, 在导波光学中引入模拟计算是专业前沿课程中进行创新教育的一种有益尝试。
四、将现代前沿研究问题引入课堂教学中, 培养学生的创新意识
导波光学是一门专业前沿课程, 与导波光学有关的现代前沿研究问题颇多, 在课堂教学中, 教师将导波光学有关的最新前沿研究问题介绍给学生, 将会激发学生的兴趣和部分学生的科研热情, 培养学生的创新意识。例如, Slot波导为两个条形波导靠得很近时, 条形波导间的间隙处 (或者是低折射率区域) 的场强将得到很大的增强, 这有利于光与物质相互作用。其原理可以用电磁场的边界连续性条件给出解释, 通过类似这类问题的介绍, 学生对电磁理论方法处理导波问题及其在实际中的应用的认识将从理性升华到感性的高度。另外, 还可以对光子晶体及光子晶体波导这类导波光学高级应用进行实例介绍, 光子晶体效应会使得某个频率范围的光完全不能通过介质, 而光子晶体波导则可以实现光90o弯折而无损耗地传输, 这些基于导波效应的新奇光学现象将会引起一些学生浓厚的科学兴趣, 成为其今后进一步探索和创新的动力, 进而达到创新教育的目的。
在实验教学条件允许的情况下, 可向学生演示倏逝场的概念及其传感应用。将一根普通单模光纤通过高温拉细或者通过氢氟酸腐蚀使其外径变细, 这样光纤的外围就会有较强的倏逝场, 其对外围环境变化非常敏感, 据此可以实现传感的功能。例如, 纤径变细的光纤浸入不同溶液或者不同浓度的某种溶液中 (如:蔗糖水溶液) , 此时由于外围环境的折射率改变, 将导致光纤的透射光强发生明显的变化, 如用He-Ne激光器等可见光源进行实验, 透射光强的变化可肉眼观察到。这对学生巩固理论知识、强化有关概念和原理、增强感性认识、加强动手能力、培养兴趣等诸多方面有非常积极的意义。导波光学是一门理论性强、数学推导过程烦琐的课程, 通过教学方法的改进、教学内容的修订更新、现代前沿研究问题的引入等措施将在一定程度上激起学生的学习及对相关科学研究问题的兴趣, 增强创新意识, 同时也将使得学生更加明确导波光学中的物理概念, 牢固掌握导波光学的基础知识, 使得创新教育融入专业知识的课堂教学中。
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导波技术 篇8
传统的无损检测方法如超声、涡流、X射线等因具有检测效率低、检测范围窄、必须离线进行检测的缺点,已无法适应工业对管道焊缝快速在线检测的要求。 长距离超声导波技术[2]是利用超声导波沿管道内壁传播遇到介质突变时发生反射的原理进行缺陷识别,该技术与传统的超声波检测技术相比具有检测范围广, 检测效率高和在管道某一处实现全方位检测的特点,引起世界范围内广泛的研究。Lowe M J S[3]等提出用L( 0,2) 模态导波进行检测,并证明L( 0,2) 模态导波适用于长距离检测。Li等[4,5]提出了位移圆周分布调制聚焦技术,通过改变传感器阵列中各单元的激励信号幅值系数和时间延迟参数,将导波能量集中在某一个小的区域,最终通过轴向和周向的扫描获得焊缝缺陷的相关信息。程载斌[6]等进行了管道纵向导波裂纹检测数值模拟的识别研究,对管道一端激励纵向导波,同端接收反射应力波,通过对接收信号位置周向各节点位移时程曲线进行叠加,确定裂纹回波和端面回波的位置。为了增强超声导波的检测能力,并实现缺陷的圆周定位,姜秀娟[7]等利用数值模拟的方法对含有裂纹和焊缝两种缺陷形式的管道进行分析,发掘了超声导波技术在焊缝和裂纹同时存在时缺陷检测的能力。 虽然国内外利用导波技术对管道检测展开的大量研究,但是鲜有针对近焊区裂纹缺陷的识别技术。
本文利用压电传感器发射和接收纵向导波信号的原理,对长直管道近焊区裂纹缺陷进行研究。研究内容包括: ( 1) 建立管道导波试验系统,提出模态对称理论,根据该理论设计模态对称算法,根据对称算法建立波形模态对称曲线用于辅助近焊缝区缺陷的识别,并研究模态对称曲线与管道近焊区缺陷的关系。( 2) 通过小波包能量谱分析方法,研究不同频带下的能量分布特征,研究导波能量在焊缝缺陷处的聚焦。
1管道导波模态对称理论
无限长空心管道的导波传播特性相当复杂,建立如图1管道柱状坐标系进行描述,假设空心圆柱是轴对称、且无限长的,材料特性是均匀的、各向同性的线性弹性体,并且其边界条件都为自由面,则空间质点的3个位移分量[8]为
其中,ur,uθ,uz分别为径向、周向和轴向位移分量,为圆周方向的阶次; ω 为角频率; k为波数; Ur,Uθ,Uz分别为径向、周向和轴向位移幅度,这3个解分别对应管道导波的3种模态,包括对称模态( 纵向模态、剪切模态) 和非对称模态( 弯曲模态) 。导波在传播中遇到管道结构突变会发生模态转换的现象[9]。由于管道检测的导波为对称模态,若缺陷在管道圆周方向上为非对称,则反射波通常也呈现非对称,即为弯曲模态导波[10]。随着缺陷的圆周对称度增大,转换模态导波的幅值呈线性递减。圆周对称度用百分数表示,如图2所示。
假设沿管道外壁周向均布N个压电传感器,采取整环激励、单个传感器信号采集的方式,共得到S1~ SN组回波信号,依次选择两个圆周对称传感器信号的绝对幅值进行叠加并取均值,得到以下模态对称曲线算法
其中,Y为模态对称曲线的幅值;为个传感器在管道对应母线上所有信号的幅值。
2试验装置
试验装置如图3所示,通过在计算机用公式编辑器编写汉宁窗调制的多个单音频信号,使其产生所需的激励波形。此信号经导波诊断仪主机后施加于管道端部PZT - 5压电传感器阵列。激励环由均布排列16个相同规格压电传感器组成,采集环由8个均布排列的压电传感器组成,通过激励纵向L( 0,2) 模态进行导波检测检测频率范围为60 ~ 100 k Hz,激励频率步进长度为5 k Hz。
以带环焊缝的管道( 管道长度为11. 5 m,管道外径108 mm,壁厚6 mm,环焊缝在5. 75 m处) 为研究对象,通过在焊缝近焊区人工制作裂纹,裂纹截面积比分别为4% ,6% 和10% ,研究管道焊缝热影响区裂纹在不同缺陷截面积比的情况下,整环接收波形经对称叠加算法处理后的对称性曲线,其中裂纹截面积比是指横向截面上裂纹面积占整个截面面积的百分比。
3试验结果与分析
3.1试验结果与模态对称曲线的绘制
采集整环传感器信号,计算在裂纹缺陷截面积比分别为4% ,6% 和10% 焊缝回波反射系数,即焊缝回波幅值与激励波幅值之比。试验发现,随着激励频率的改变,焊缝回波的幅值也发生改变,如图4所示,缺陷不断加大时,焊缝回波反射系数并非成线性升高,且焊缝回波信号与裂纹信号混叠,难以辨别近焊区缺陷。
通过整环传感器激励单个传感器接收的方式,将单个传感器接收到的信号的起始位置对齐,采用模态对称算法,绘制出对称性曲线,由于采集的波形具有一定的噪声,给缺陷识别带来困难,采用小波滤波方法, 滤除其杂波[11,12]。为了便于波形的识别和后续的信号处理,需要取其包络线,求包络时,先求出信号中的极大值和极小值,然后利用这些最大值或最小值作为初始数据,通过3次样条插值和拟合方法拟合出上包络。然后通过Matlab软件编程,绘制波形的上包络线。如图5与图6所示,可以直观地看出在管道环焊缝近焊区存在缺陷时幅值明显高于在无缺陷工况下的幅值。
3.2小波包能量谱分析
能量系数是表征金属材料在损伤、断裂状态下的最佳参数,由于管道对接焊缝是圆周对称结构,若焊缝存在缺陷必会打破对称分布,管道对接焊缝热影响区组织较密,遇到缺陷在该处的能量会有相应变化,利用小波包分析法在频带上的精细分解,提取不同频带的能量分布,利用对称能量特征对比完好焊缝与带裂纹缺陷焊缝识别管道焊区裂纹,并证实该特征对检测焊缝裂纹缺陷的有效性。对称能量系数指利用小波包分析方法将单路回波信号分解到不同频带内,计算出各路回波信号在不同频带内的归一化能量比。
小波包分析是管道检测信号的一种有效处技术, 相比小波分析技术,小波包分析能够在信号低频区和高频区域同时进行向下二进分解,可获得精确的频率分辨率,通过对时域信号进行小波包分解,可描述信号在不同频段下相应成份的信号强度随时间变化的物理特性。理论上而言,随着小波包分解层数的增加,信号频域将被划分的更细,局部特征也将更明显。同时,其频率的分辨率也更高。但实际情况下,由于小波包分解采用的“下取样”不能同时满足频域和时域的高分辨率。所以,在对信号充分分解的同时选取合适的分解层数就显得尤为重要,根据在时域中信号的对称性, 选择db4小波,分解层数为3层,分别对单个传感器进行信号采集,计算第3层归一化能量值。
通过在管道一处周向位置预制人工裂纹缺陷,将采集到的信号进行小波包分解,计算此处周向能量值与整环传感器接收信号能量值比,如图7与图8,比较在管道焊缝近焊区有无缺陷导波信号发现,不带缺陷的管道环焊缝区能量集中在90 ~ 100 k Hz,带有裂纹的管道环焊缝近焊区能量集聚在70 ~ 80 k Hz频率段,在时间 - 幅值平面上表现为经对称叠加后幅值的升高。 当激励导波频率在70 ~ 80 k Hz时,通过不断加大缺陷后发现,管道焊缝缺陷处模态对称曲线幅值升高,如图9所示。
4结束语
研究管道焊区导波信号特征参数对于焊缝中的缺陷识别起着至关重要的作用,本文基于超声导波检测技术,进行管道对接焊缝热影响区缺陷的实验研究,通过在管道环焊缝近焊区人工制作裂纹缺陷,获得所需缺陷信号。并结合近焊区缺陷信号探寻缺陷大小与模态对称曲线的关系。
( 1) 通过编写出模态对称曲线算法,并根据该算法编制出辅助缺陷识别的模态对称曲线。进行管道导波检测试验,通过人工制作缺陷的方法验证了当近焊区存在缺陷时,对称曲线幅值升高,且随着缺陷截面积比越大,相同位置的对称曲线幅值越高。
( 2) 通过小波包能量谱分析方法,得出带裂纹管道对接焊缝处的能量与无缺陷时相比,导波在缺陷处聚焦,且聚焦频率为70 ~ 80 k Hz的区间中。
摘要：研究了模态对称曲线辅助识别管道近焊区缺陷的可行性。通过建立导波检测系统,基于导波模态对称检测理论,设计模态对称算法并绘制模态对称曲线,用于管道近焊区缺陷的识别,采集管道近焊区缺陷试验信号进行分析。结果表明,管道近焊区导波模态对称曲线幅值在缺陷处升高,且随着缺陷的截面积比的加大而增高。通过对回波信号进行小波包能量谱分析,发现回波信号的能量在缺陷处聚焦,验证了用模态对称曲线辅助识别管道近焊区缺陷的有效性。
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