一种基于超声导波的方管检测方法及装置与流程

本发明涉及方管的检测方法，特别涉及一种基于超声导波的方管检测方法及装置。

背景技术：

方管的用途有建筑，机械制造，钢铁建设等项目，造船，太阳能发电支架，钢结构工程，电力工程，电厂，农业和化学机械，玻璃幕墙，汽车底盘，机场,锅炉建造，高速路栏杆，房屋建筑，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件等。方管主要用在承重结构以及支架、护栏等结构上，起支撑作用，若存在缺陷，且做不到及时检测，可能会发生断裂事故，造成巨大的经济损失。因此，对方管的检测就显得尤为必要和紧迫。

目前，对方管的检测方法较少，如，高晓进，周金帅，张铁夫等在文献《小截面方管结构cfrp复合材料的超声检测方法》中提出了超声对面内壁反射法。该方法采用液浸的方式进行耦合，且是对复合材料方管的检测方法，适用于较小的试件，若长度较长则会比较困难。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于超声导波的方管检测方法及装置，在方管检测中导波的能量可以随方管结构长距离、快速传播，克服了现有技术基于超声纵波检测方法的不足，相对于传统超声纵波检测方法，大大提高了检测效率。

本发明的技术方案是：一种基于超声导波的方管检测方法，包括以下步骤：

s1.依据被检测方管试件的物理参数和几何参数，通过半解析有限元的方法，计算出被检测方管试件的相速度和群速度的频散曲线；

s2.根据步骤s1中计算的频散曲线，在频散曲线上相对较平直的范围内，选择激励模态和激励频率；

s3.在被检测方管试件的一端布置超声传感器，该超声传感器既作为激励传感器又作为接收传感器；

s4.通过信号发生器产生以激励频率为中心频率的周期脉冲信号，并通过功率放大器和转换开关输入到激励传感器，从而在被检测方管试件中激发所需要的模态和频率的超声导波，所激发出的超声导波在被检测方管试件中传播，经被检测方管试件的端面反射后由接收传感器接收；

s5.将接收传感器所接收到的信号输送至示波器进行显示，得到被检测方管的波形显示图；

s6.将被检测方管的波形显示图与同型号无损方管的波形显示图进行比较，若在第一次端面反射回波之前未出现别的反射回波，则说明被检测方管内部无缺陷；若在第一次端面反射回波之前出现别的反射回波，则说明被检测方管中存在缺陷。

该方法利用超声导波的反射特性，将被检测方管的波形显示图与无损方管的波形显示图进行对比，以实现对被检测方管内部缺陷的检测和评价。

根据所选取的激励点的波结构，选择合适的超声传感器在方管结构中激励超声导波。

该方法所采用的方管检测装置包括上位机，信号发生器、功率放大器、转换开关、示波器以及超声传感器；所述上位机发出所需的激励模态和频率，并传递给信号发生器，通过功率放大器进行放大，并经过作为激励传感器的超声传感器耦合到被检测方管中，在被检测方管中产生超声导波波包，当超声导波传播到被检测方管端面再反射回去，被同时作为接收传感器的超声传感器所接收，接收到的信号通过功率放大器放大之后，传送到示波器进行显示和后续处理。

本发明的有益效果：本发明实施例中，提供了一种基于超声导波的方管检测方法，依据方管的相速度和群速度频散曲线，选择频散小的导波模态作为激励信号，在方管中激励出超声导波，将被测方管的波形显示图与无损方管的波形显示图进行比较，实现对方管的检测。相对于传统点对点的纵波超声检测方法，本发明的基于超声导波的方管检测方法具有效率高、检测速度快、检测成本低、检测准确度高等优点。

附图说明

图1是本发明方法的检测装置的结构原理图；

图2是方管横截面示意图；

图3是材质为20#钢，尺寸为60x60mm，厚度为2mm，长度为3m的被检测方管试件通过半解析有限元的方法计算出方管的相速度和群速度频散曲线图；

图4是无损方管的波形显示图；

图5是存在缺陷的被检测方管的波形显示图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所述，本发明提供了一种基于超声导波的方管检测方法及装置，其装置包括上位机1，信号发生器2、功率放大器3、转换开关4、示波器5以及超声传感器7；所述上位机1发出所需的激励模态和频率，传递给信号发生器2，通过功率放大器3进行放大，经过激励传感器7耦合到方管6中，在方管6中产生超声导波波包8，当超声导波传播到方管端面再反射回去，被接收传感器7所接收，接收到的信号通过放大器3放大之后，送到示波器5进行显示和后续处理。图1中的方管横截面9示意图如图2所示。

本发明的基于超声导波的方管检测方法，包括以下步骤：

s1.被检测方管试件的材质是20#钢，尺寸为60x60mm，厚度为2mm，长度为3m，通过半解析有限元的方法，计算出方管的相速度和群速度频散曲线(如图3所示)；

s2.根据s1中计算的频散曲线，在频散曲线上相对较平直的范围内(如图3中方框标记处)，选择64khz作为激励频率；

s3.在被检测方管试件的一端布置超声传感器，既是激励传感器又是接收传感器；该超声传感器为压电晶片超声传感器，具体长度为30mm，宽度为5mm,使用压电晶片作为超声传感器是因为其压电效应，压电效应包括逆压电效应和正压电效应，逆压电效应可以将电信号转变成机械信号，这样就可以发射超声波，正压电效应是将机械信号转变成电信号，这样就可以接收超声波。本发明根据所选取的激励点的波结构，选择合适的超声传感器在方管结构中激励超声导波，具体根据频散曲线图选取群速度变化平缓的频率下的波的模态，波的循环数为20，进行汉明窗加窗处理，经实验对比循环数为5，10，20，得到循环数为20的波的实验结果最好；采用压电晶片传感器，既可以发射超声波，也可以接收超声波，经测试对比，压电晶片的数量越多，接收到的反射回波的幅值越大，综合管径周长，具体选择24片压电晶片最佳。

s4.信号发生器产生以激励频率64khz为中心频率的20周期的脉冲信号，通过功率放大器输入到激励传感器，在方管中激发所需要的模态和频率超声导波；所述频率超声导波在被检测方管试件中传播时遇到缺陷会产生反射和散射，在传送到接收端时由接收传感器接收；

s5.接收传感器将接收到的信号输送至示波器进行显示，得到信号波形显示图；对比被测方管的波形显示图与无损方管的波形显示图。该方法利用超声导波的反射特性，将被检测方管的波形显示图与无损方管的波形显示图进行对比，以实现对被检测方管内部缺陷的检测和评价。其中图4为无损方管的波形显示图，图5为存在缺陷的被检测方管的波形显示图，参见方框标记处(缺陷的位置在方管的中间位置1.5m处)；

s6.将被检测方管的波形显示图与同型号无损方管的波形显示图进行比较，若在第一次端面反射回波之前未出现别的反射回波，则说明被检测方管内部无缺陷；若在第一次端面反射回波之前出现别的反射回波，则说明被检测方管中存在缺陷。其中端面反射回波是原始激励波触发后，在未设置传感器的一端反射回来由传感器接收的回波，即为端面反射回波，后再传播出去，再由未设置传感器的一端反射，再经传感器接收，端面反射回波的峰值依次减小。本发明只研究原始激励波与第一次端面反射回波之间的波形显示图。

本发明依据方管的相速度和群速度频散曲线，选择频散小的导波模态作为激励信号，在方管中激励出超声导波，将被测方管的波形显示图与无损方管的波形显示图进行比较，实现对方管的检测。相对于传统点对点的纵波超声检测方法，基于超声导波的方管检测方法，具有效率高、检测速度快、检测成本低、检测准确度高等优点。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。