專利名稱：一種基于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測(cè)裝置及方法，屬于管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道作為生產(chǎn)系統(tǒng)、運(yùn)輸和制造設(shè)備的重要組成部分，在機(jī)械、石油、化工、食品和城市供水等行業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，管道經(jīng)長(zhǎng)期服役，由于使用環(huán)境惡劣等原因?qū)е聦?dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)損傷。這些損傷如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易發(fā)生生產(chǎn)事故，給國(guó)家和人民造成重大損失。裂紋是管道主要的缺陷形式之一，經(jīng)常出現(xiàn)在管道焊接部位附近和彎角處。對(duì)于裂紋的檢測(cè)，目前傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)方法是基于線性超聲原理的反射和衰減現(xiàn)象，對(duì)于開(kāi)口裂紋傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)方法可以很好的進(jìn)行裂紋檢測(cè)。但是對(duì)于閉合裂紋，超聲波通過(guò)此種裂紋時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生明顯的反射和衰減，導(dǎo)致傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法對(duì)閉合裂紋很難進(jìn)行有效檢測(cè)。大量的理論分析和試驗(yàn)研究表明，當(dāng)向一個(gè)試件中同時(shí)激勵(lì)頻率為&的連續(xù)低頻正弦振動(dòng)和頻率為的連續(xù)高頻正弦超聲波時(shí)，如果試件中沒(méi)有裂紋則這兩列機(jī)械波不會(huì)發(fā)生振動(dòng)聲調(diào)制現(xiàn)象，以各自獨(dú)立的頻率輸出；而如果試件中存在裂紋，由于低頻振動(dòng)會(huì)使得管道中的裂紋出現(xiàn)張開(kāi)和閉合的現(xiàn)象，從而使得這兩列機(jī)械波會(huì)發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象，使得高頻超聲波被低頻振動(dòng)波互相調(diào)制，使接收信號(hào)中除了 fo和的頻率成分外，出現(xiàn)AinftlOi =1，2，3L)的頻率成分(如

圖1所示)。H F Hu等人對(duì)鋁板中閉合裂紋振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，提出在閉合裂紋處發(fā)生的振動(dòng)聲調(diào)制現(xiàn)象主要包括幅值調(diào)制和頻率調(diào)制兩種，利用幅值調(diào)制信號(hào)對(duì)裂紋尺寸表征更為準(zhǔn)確。所以如果要對(duì)裂紋尺寸進(jìn)行表征，需要將幅值調(diào)制信號(hào)從原始接收信號(hào)中分離出來(lái)進(jìn)行分析[H F Hu, W J Staszewski, N Q Hu, R B Jenal and G J Qin. Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis. Smart Materials And Structures· 2010，19 :1_10]。 焦敬品等在2009年34卷第3期《聲學(xué)學(xué)報(bào)》中發(fā)表了一篇關(guān)于振動(dòng)聲調(diào)制與超聲導(dǎo)波相結(jié)合的接觸缺陷檢測(cè)研究的文章。利用振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)與超聲導(dǎo)波技術(shù)相結(jié)合的方法，使用特定頻率高頻超聲脈沖信號(hào)在鋁板中產(chǎn)生對(duì)鋁板中的接觸類缺陷的檢測(cè)及定位方法做了研究。學(xué)者Dmitri Donskoy研究表明，目前常用的利用信號(hào)幅頻譜中旁瓣與主瓣之比MI表征裂紋不是很合適，在實(shí)際檢測(cè)中由于誤差的存在，很難對(duì)裂紋尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確表 征[Dmitri， Alexander Ekimov, Emile Luzzato, Jean-Louis Lottiaux, Stanislav Stoupin andAndrei Zagrai. N-SCAN :New Vibro-Modulation System for Detection and Monitoring of Cracks and OtherContact-Type Defects. Smart Structures and Meterials. 2003，5057 :400-409]。
學(xué)者H F Hu提出利用頻率調(diào)制損傷系數(shù)(DIl)和幅值調(diào)制損傷系數(shù)(DI2)來(lái)表征裂紋尺寸，并通過(guò)試驗(yàn)證明DI2會(huì)隨著裂紋尺寸的增加而線性增加，所以檢測(cè)中使用DI2表征裂紋尺寸會(huì)使得檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確[H F Hu, W J Staszewski, N Q Hu, R B Jenal and G J Qin. Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis. Smart Materials And Structures. 2010，19 :1-10]DIl 和 DI2 的表達(dá)式如下所示
權(quán)利要求
1.一種基于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測(cè)裝置，包括計(jì)算機(jī)(1)、函數(shù)發(fā)生器一 (2)和函數(shù)發(fā)生器二(3)、功率放大器一 G)、功率放大器二(5)、激振器(6)、加速度傳感器(7)、電荷放大器(8)、厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列一(9)和厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列二(10)、抗混疊濾波器(11)、數(shù)據(jù)采集卡(1 ；其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(1 與計(jì)算機(jī)(1) 連接；由函數(shù)發(fā)生器一( 和函數(shù)發(fā)生器二 C3)分別產(chǎn)生連續(xù)正弦信號(hào)；加速度傳感器(7) 粘在待測(cè)管道上，加速度傳感器(7)的輸出端口與電荷放大器(8)的輸入端口相連，電荷放大器(8)的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡(12)的CHl通道相連；函數(shù)發(fā)生器一(2)的輸出端口與功率放大器(5)的輸入端口相連，功率放大器(5)的輸出端口與激振器(6)的輸入端口相連，激振器(6)的輸出連接到待測(cè)管道上；函數(shù)發(fā)生器二(3)的輸出端口與功率放大器(4) 的輸入端口相連，功率放大器⑷的輸出端口與壓電陶瓷片陣列一(9)相連；壓電陶瓷片陣列二(10)與抗混疊濾波器(11)的輸入端口相連，抗混跌濾波器(11)的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡(12)的CH2通道相連；數(shù)據(jù)采集卡(12)與計(jì)算機(jī)(1)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測(cè)裝置，其特征在于其檢測(cè)方法包括如下步驟1)利用夾具將待測(cè)管道的一端固定，管道的另一端與激振器(6)固連；將加速度傳感器(7)固定在管道長(zhǎng)度方向的中間位置；2)由函數(shù)發(fā)生器二(3)產(chǎn)生Is時(shí)間內(nèi)幅值IOOmV,頻率IHz到500Hz均勻變化的正弦掃頻信號(hào)，作為管道固有振動(dòng)頻率獲取環(huán)節(jié)的激勵(lì)信號(hào)；加速度傳感器(7)獲取的加速度的信號(hào)通過(guò)電荷放大器(8)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡(1 將放大后的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)；3)由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送過(guò)來(lái)的加速度信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到橫軸表示頻率、縱軸表示幅值的幅頻譜圖，從幅頻譜圖中找出幅值極大值點(diǎn)，這些極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值就是待測(cè)管道的各階彎曲振動(dòng)固有頻率值，選取上述頻率值最小的一階彎曲振動(dòng)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的頻率為后續(xù)振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)中的低頻振動(dòng)頻率。4)將壓電陶瓷片陣列一(9)環(huán)狀均勻貼在靠近夾具以內(nèi)的外管壁上作為激勵(lì)高頻超聲波的傳感器。5)將壓電陶瓷片陣列二(10)環(huán)狀均勻貼在管道的另一端的外管壁上作為接收傳感ο6)由函數(shù)發(fā)生器一(2)產(chǎn)生頻率為壓電陶瓷片中心頻率f2，幅值IOOmV的連續(xù)正弦波作為高頻超聲波激勵(lì)信號(hào)；7)由函數(shù)發(fā)生器二C3)產(chǎn)生與一階彎曲振動(dòng)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的頻率相同的連續(xù)正弦波信號(hào)作為低頻振動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)。8)壓電陶瓷片陣列(10)接收到的管道中傳播的超聲波信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器(11)濾波后，由數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送給計(jì)算機(jī)(1)。9)由計(jì)算機(jī)(1)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到信號(hào)的幅頻譜，判定幅頻譜中除了頻率值為和f2的頻率成分外，是否有頻率值為^inf1 (n = 1，2，3L)的附加頻率成分如果沒(méi)有上述的附加頻率成分出現(xiàn)，則可判定待測(cè)管道中不存在閉合裂紋；如果有上述的附加頻率成分出現(xiàn)，則可判定待測(cè)管道中存在閉合裂紋。10)利用希爾伯特黃變換中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈱⒉襟E(8)中計(jì)算機(jī)(1)得到的接收信號(hào)分解為若干個(gè)固有模態(tài)信號(hào)和一個(gè)殘余信號(hào)，選取峰峰值最大的一個(gè)固有模態(tài)信號(hào)作為新的調(diào)制信號(hào)，然后利用希爾伯特變換求出新調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)幅值信號(hào)。由式(3)和(4)可求出此瞬時(shí)幅值信號(hào)的幅值標(biāo)準(zhǔn)差Qa和幅值平均值μ a，并帶入上述的( 式中求出DI2 的值，求出的DI2的值越大則表明管道損傷越劇烈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測(cè)裝置及方法，屬于管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。該裝置包括計(jì)算機(jī)、函數(shù)發(fā)生器一和函數(shù)發(fā)生器二、功率放大器一、功率放大器二、激振器、加速度傳感器、電荷放大器、厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列一和厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列二、抗混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集卡。該方法通過(guò)掃頻激勵(lì)獲得管道一階彎曲振動(dòng)固有頻率，并以此頻率作為振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)中低頻振動(dòng)的頻率。向管道同時(shí)激勵(lì)低頻彎曲振動(dòng)及高頻超聲波，通過(guò)接收信號(hào)頻譜圖中是否出現(xiàn)高頻超聲波頻率于低頻彎曲振動(dòng)頻率相減或者相加的頻率成分來(lái)判斷管道內(nèi)是否存在閉合裂紋。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法檢測(cè)閉合裂紋較為困難的問(wèn)題，可用于工業(yè)管道中閉合裂紋的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N29/48GK102226783SQ20111007418
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 宋國(guó)榮, 焦敬品, 鄭磊 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)