本發(fā)明涉及一種管道無損檢測的方法，特別涉及一種采用超聲導(dǎo)波檢測管道的缺陷成像方法。屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

管道必須進(jìn)行定期檢測，及時采取措施，才能使管道避免泄漏、消除由于泄漏嚴(yán)重導(dǎo)致的爆炸等安全事故。超聲導(dǎo)波管道檢測技術(shù)具有檢測距離長、效率高的特點(diǎn)，非常適合里程很長的管線檢測。但現(xiàn)有導(dǎo)波檢測所得結(jié)果均比較抽象，無法直觀的得到缺陷信息，若能利用導(dǎo)波技術(shù)對管道進(jìn)行成像檢測，那么檢測結(jié)果就可以用圖像直觀呈現(xiàn)，檢測人員也更容易理解和掌握檢測技術(shù)，從而使導(dǎo)波技術(shù)能更快更好的應(yīng)用于管道檢測中。

付汝龍的專利cn201510015585.9中敘述了一種薄板工件相控陣超聲導(dǎo)波成像檢測系統(tǒng)及其檢測方法，其原理是通過相控陣超聲檢測儀通過相控聚焦的方式激勵相控陣超聲導(dǎo)波探頭，使相控陣超聲導(dǎo)波探頭產(chǎn)生超聲導(dǎo)波和垂直入射進(jìn)入工件的超聲波，產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波用于薄板工件檢測，產(chǎn)生的垂直進(jìn)入工件的超聲波用于探頭耦合情況的監(jiān)控，位置編碼器隨相控陣超聲導(dǎo)波探頭移動，相控陣超聲檢測儀同時采集相控陣超聲導(dǎo)波探頭接收的信號及位置編碼器記錄的探頭位置信息，并通過成像軟件在相控陣超聲檢測儀的顯示器上顯示，實(shí)現(xiàn)薄板工件的快速大面積的導(dǎo)波成像掃描檢測。該方法主要是對薄板的檢測，無法適用于管道的檢測；且該方法所需的成像系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要專門設(shè)計傳感器和成像系統(tǒng)，不具有經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)《基于合成孔徑聚焦的超聲sh導(dǎo)波成像檢測》運(yùn)用合成孔徑聚焦原理，通過分析陣列信號時頻域特征揭示了聲波與缺陷間相互作用的規(guī)律，設(shè)計sh導(dǎo)波合成孔徑聚焦成像算法，來對鋼板進(jìn)行了聚焦成像。文獻(xiàn)《管道結(jié)構(gòu)中的類蘭姆波層析成像》在管子的兩個圓周帶上分別布置發(fā)射和接收換能器，形成多點(diǎn)發(fā)射—多點(diǎn)接收的幾何結(jié)構(gòu)，激勵產(chǎn)生導(dǎo)波，并將它們近似認(rèn)為在彎曲的板中傳播，采用聯(lián)合迭代重建技術(shù)附對走時數(shù)據(jù)進(jìn)行慢度圖像重建。文獻(xiàn)1所述的方法，需要設(shè)計專門的延時激勵和接收系統(tǒng)；同時該方法進(jìn)行成像時需要逐點(diǎn)聚焦，效率非常低下。文獻(xiàn)2所述的方法，需要在缺陷兩側(cè)布置傳感器檢測，該方法需要提前知曉缺陷位置，實(shí)用性較差，長距離檢測時效率低下。

現(xiàn)有的超聲導(dǎo)波成像技術(shù)檢測的導(dǎo)波的波長較長，可以達(dá)到幾十毫米，成像時焦點(diǎn)較大，圖像的分辨率較低；對于管道類的結(jié)構(gòu)，由于周向?qū)Рê湍B(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，管道中導(dǎo)波成分較為復(fù)雜，導(dǎo)致成像質(zhì)量較差，影響檢測效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于超聲導(dǎo)波的管道缺陷成像方法，該成像方法的超聲導(dǎo)波工作頻率范圍大，信號幅值高，成像分辨率高。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于超聲導(dǎo)波的管道缺陷成像方法，包括以下步驟：

1)將環(huán)形夾具安裝在被檢管道上并分別與激勵源、計算機(jī)和示波器連接

將環(huán)形夾具包覆在被檢管道的周向上并鎖緊，所述環(huán)形夾具的氣囊?guī)?nèi)側(cè)固定了沿被檢管道軸向彼此平行的多個傳感器單元，每一傳感器單元兩端分別設(shè)置了激勵傳感器和接收傳感器，形成了垂直于被檢管道軸線的激勵傳感器環(huán)和接收傳感器環(huán)；每個傳感器單元與基準(zhǔn)傳感器單元的夾角分別為θ1、θ2…θn；激勵傳感器環(huán)輸入端與信號激勵源相連，接收傳感器環(huán)的輸出端與分別與計算機(jī)和示波器相連；對氣囊?guī)С錃?，隨著氣壓的增大，多個傳感器單元均勻地壓在被檢管道的外周面上；激勵傳感器在激勵頻率為諧振頻率f的激勵信號下產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，接收傳感器同時接收回波檢測信號來測定被檢管道的缺陷大小；

2)將各接收傳感器所得信號記為yθ1…yθn，yθ是以時間t為自變量的函數(shù)，其表示距離管道端面為0時接收到的時域信號；

3)使用小波分解重構(gòu)軟件對各檢測信號進(jìn)行小波分解

選取與被分解的信號外觀相似的2-3層信號進(jìn)行小波重構(gòu)，濾去剩下的高頻和低頻噪聲信號；

4)對降噪后的各檢測信號yθ進(jìn)行快速傅里葉變換

將信號轉(zhuǎn)換至頻域fθ，所述是fθ以頻率w為自變量的函數(shù)，其表示距離管道端面為0時接收到的信號的頻率域；

5)以自變量θ再次進(jìn)行快速傅立葉變換

在0-2f的頻率范圍內(nèi)，提取信號中的每一相同頻率成分，以自變量θ再次進(jìn)行快速傅立葉變換，得到每一頻率成分下，距離端面為0處的角譜az＝0，az＝0是以n為自變量的函數(shù)，其中n為激勵模態(tài)的周向階數(shù)，z代表距管道端面的距離；

6)按下式計算各頻率下z≠0處的角譜a

a是以n和z為自變量的函數(shù)：

7)疊加有效頻帶be內(nèi)z≠0的角譜數(shù)據(jù)

疊加有效頻帶be內(nèi)的z≠0的角譜數(shù)據(jù)其中，ωm、ωl為有效頻帶的上下限頻率。

8)角譜abe以n為自變量進(jìn)行傅里葉逆變換

將經(jīng)過有效頻帶疊加后的角譜abe，以n為自變量進(jìn)行傅里葉逆變換，即可得到管道周向位置為θ，軸向任意位置處的導(dǎo)波聲場u；使用數(shù)值計算軟件matlab中的imagesc命令對導(dǎo)波聲場u進(jìn)行成像，得到檢測圖；其中橫坐標(biāo)為管道軸向，縱坐標(biāo)為管道周向。以自變量n對每一軸向位置z處的角譜abe進(jìn)行傅里葉逆變換。

本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，步驟1)中所述的氣囊?guī)У某錃鈮毫?.08～0.12mpa；所述的諧振頻率f是指缺陷波幅值最大時所用的檢測頻率。

進(jìn)一步的，步驟3)中所述的小波分解重構(gòu)技術(shù)使用的小波函數(shù)為db或sym小波基函數(shù)，分解層數(shù)為6層以上。

進(jìn)一步的，步驟6)中所述kn為導(dǎo)波的波數(shù)，由得到；k0為激勵產(chǎn)生的軸對稱模態(tài)的軸向波數(shù)，由公式k0＝ω/c0計算得到，kc為模態(tài)簇的周向波數(shù)，其由kc＝rc/n得到，rc則為被測管道的中徑，c0為所用導(dǎo)波的群速度。

本發(fā)明利用超聲導(dǎo)波所具有的在傳播方向上逐點(diǎn)聚焦的特點(diǎn)，激勵產(chǎn)生單一的軸對稱模態(tài)導(dǎo)波，然后采集回波信號并對其進(jìn)行傅立葉變換和變量變換的角譜分析處理，得到圖像數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)處理軟件matlab對數(shù)據(jù)圖像化，最后得到檢測圖像。本發(fā)明的檢測結(jié)果以圖像直觀呈現(xiàn)，使得檢測人員更容易理解與掌握檢測技術(shù)，導(dǎo)波技術(shù)也可更快更好的應(yīng)用于管道檢測中。本發(fā)明無需設(shè)計專用成像系統(tǒng)，使用現(xiàn)有導(dǎo)波檢測系統(tǒng)和傳感器即可實(shí)現(xiàn)，非常便捷；只需一次激勵即可完成對管道的缺陷檢測，效率高；成像方法使用整環(huán)同時激勵的方式，無需聚焦系統(tǒng)，所產(chǎn)生的導(dǎo)波首先是軸對稱模態(tài)導(dǎo)波，可以消除周向?qū)Рê推渌B(tài)導(dǎo)波的影響，且還是非衍射陣列波，其具有在傳播方向上逐點(diǎn)聚焦的特點(diǎn)，因此可以很好的克服導(dǎo)波波長較長和聚焦成像效率較低的缺點(diǎn)。另外，對于缺陷的具體信息，如位置信息，即可從成像結(jié)果直接得到，無需再進(jìn)行計算。檢測時只需在管道一處集中布置激勵和接收傳感器，不需要分開布置，實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明檢測靈敏度高，缺陷定位精確，在無損檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)選實(shí)施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋，這些實(shí)施例，是參照附圖僅作為例子給出的。

附圖說明

圖1是環(huán)形夾具安裝在被檢管道上的示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視旋轉(zhuǎn)圖；

圖3是本發(fā)明的流程圖；

圖4是是檢測系統(tǒng)示意圖；

圖5是檢測信號圖，其中，a為不含缺陷管道，b為含缺陷管道；

圖6是z＝0的角譜圖，其中，a為不含缺陷管道，b為含缺陷管道；

圖7是z≠0的角譜圖，其中，a為不含缺陷管道，b為含缺陷管道；

圖8是無缺陷管道的有效頻帶圖；

圖9是含缺陷管道成像圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例選取一長5.8m，外徑108mm，壁厚5mm材料為碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)管道20為檢測對象，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，還可用于其他外徑和壁厚的碳鋼管道缺陷檢測。

本發(fā)明的成像方法，包括以下步驟：

如圖1～圖4所示，1)將環(huán)形夾具10套在被檢的標(biāo)準(zhǔn)管道20一端端頭上，(z＝0處)，環(huán)形夾具10的輸入端通過信號線纜30與作為激勵源的函數(shù)發(fā)生器40相連、輸出端的信號線纜30順次與電源50、前置放大器60與示波器70輸入端連接；示波器70輸出端與計算機(jī)80通過信號線纜30相連。環(huán)形夾具10包覆在標(biāo)準(zhǔn)管道20的周向上并鎖緊。環(huán)形夾具10的氣囊?guī)?內(nèi)側(cè)上固定了沿被檢的標(biāo)準(zhǔn)管道20軸向彼此平行的20個傳感器單元2，每一傳感器單元2兩端分別設(shè)置了激勵傳感器21和接收傳感器22，傳感器的尺寸為15mm×4mm×1mm，形成了垂直于被檢的標(biāo)準(zhǔn)管道20軸線的激勵傳感器環(huán)201和接收傳感器環(huán)202。每個傳感器單元2與0°基準(zhǔn)傳感器單元2a的夾角分別為θ1、θ2…θn。對氣囊?guī)?充氣，充氣壓力為0.1mpa，隨著氣壓的增大，20個傳感器單元2均勻地壓在被檢的標(biāo)準(zhǔn)管道20上。傳感器單元2在激勵源的諧振頻率f的激勵下，使激勵傳感器21產(chǎn)生振動而激勵超聲導(dǎo)波，接收傳感器22同時接收回波檢測信號來測定被檢管道的缺陷大小。其中，諧振頻率f是指缺陷波幅值最大時所用的檢測頻率。20個傳感器單元2沿管道外徑的切向布置，用于激發(fā)t模態(tài)導(dǎo)波。激勵傳感器環(huán)201和接收傳感器環(huán)202分別用來接收和發(fā)射，并按順時針方向?qū)⒔邮諅鞲衅饔洖?-19號。在距被檢的標(biāo)準(zhǔn)管道20檢測端3.6m處加工周向?qū)挾葹?0mm的切槽，檢測所用的激勵信號采用漢寧窗調(diào)制的10周期的正弦脈沖信號，激勵信號的頻率為75khz，激勵電壓為10v。

2)對各接收傳感器22信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換

將各接收傳感器22所得信號記為yθ1…yθn，yθ是以時間t為自變量的函數(shù)，其表示距離管道端面為0時接收到的時域信號。

3)使用小波分解重構(gòu)軟件對各檢測信號進(jìn)行小波分解

選取與被分解的信號外觀相似的2-3層信號進(jìn)行小波重構(gòu)，濾去剩下的高頻和低頻噪聲信號。其中，小波分解重構(gòu)技術(shù)使用的小波函數(shù)為db或sym小波基函數(shù)，分解層數(shù)為6層以上。

4)對降噪后的各檢測信號yθ進(jìn)行快速傅里葉變換

將信號轉(zhuǎn)換至頻域fθ，所述fθ是以頻率w為自變量的函數(shù)，其表示距離管道端面為0時接收到的信號的頻率域。以時間t為變量，在matlab中以fft函數(shù)對降噪后的檢測信號yθ(t,z＝0)進(jìn)行快速傅里葉變換，將信號轉(zhuǎn)換至頻域fθ(ω,z＝0)。其中θ表示不同的傳感器代表的圓周角度，z表示距離傳感器端的距離。

5)以自變量θ再次進(jìn)行快速傅立葉變換

在0-2f的頻率范圍內(nèi)，提取信號中的每一相同頻率成分，以自變量θ再次進(jìn)行快速傅立葉變換，得到每一頻率成分下，距離端面為0處的角譜az＝0，az＝0是以n為自變量的函數(shù)，其中n為激勵模態(tài)的周向階數(shù)，z代表距管道端面的距離。在0-150khz的頻率范圍內(nèi)，提取20組頻域信號中的每一相同頻率成分，以自變量θ對頻域信號fθ(ω,z＝0)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到每一頻率成分下，導(dǎo)波信號在傳感器(z＝0)處的角譜a(kn)。圖6所示為z＝0處的含缺陷及不含缺陷管道的角譜圖。

6)按下式計算各頻率下z≠0處的角譜a

圖7為z≠0時管道各處的角譜圖a(n,z)，其中含缺陷管道角譜中在缺陷位置處出現(xiàn)凸起的峰值。a(n,z)根據(jù)下式計算：

式中kn為導(dǎo)波的波數(shù)，可由近似得到；k0為激勵產(chǎn)生的軸對稱模態(tài)的軸向波數(shù)，其可由公式k0＝ω/c0計算得到，kc為模態(tài)簇的周向波數(shù)，其可由kc＝rc/n得到，rc則為被測管道的中徑，c0為所用導(dǎo)波的群速度。本例中c0＝5300m/s，rc＝0.05m。

7)疊加有效頻帶be內(nèi)z≠0的角譜數(shù)據(jù)

疊加有效頻帶“be”內(nèi)的z≠0的角譜數(shù)據(jù)ωm，ωl為有效頻帶的上下限頻率。本例中激勵的中心頻率值為75khz，其有效頻帶帶寬最小值為37.5，圓整后取為40khz，即其有效頻帶為35-115khz。如圖6所示為在35-115khz下無缺陷管道的成像圖。

8)角譜abe以n為自變量進(jìn)行傅里葉逆變換

以自變量n對每一軸向位置z處的角譜abe(n,z)進(jìn)行傅里葉逆變換就可以得到管道各位置導(dǎo)波聲場：u(θ,z)＝f^-1[abe(n,z)]；如圖9所示為含缺陷管道的成像圖，其中光斑處即為缺陷所在位置，橫軸表示缺陷的軸向位置，縱軸表示缺陷的周向位置。

信號的激勵采用整圈激勵，即將激勵傳感器環(huán)201所有的激勵傳感器21并聯(lián)，同時激勵超聲導(dǎo)波。接收采用同時接收，但對不同接收傳感器環(huán)202接收到的信號分開保存，即檢測一次共產(chǎn)生20組信號，并對每組信號進(jìn)行編號，號碼與其對應(yīng)的接收傳感器22的編號相同。

接收信號的采樣點(diǎn)個數(shù)為36000，其中包含信號未激勵時的無用信號和多次反射后的信號。圖5所示為經(jīng)過濾波處理后管道檢測信號圖，其中圖a為不含缺陷的管道，b為含缺陷管道。圖中所繪信號為經(jīng)過截取后的第一次反射回波的信號，其余無用信號已經(jīng)刪去。其中的濾波算法使用matlab軟件編寫。算法使用db9小波基函數(shù)，將各檢測信號分解為6層，選取第3-4層進(jìn)行重構(gòu)，濾去其余層的高頻信號和低頻信號，并以激勵波的峰值為基準(zhǔn)，對各采集信號進(jìn)行相位統(tǒng)一。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以作出若干的改變，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。