一种管道固有频率的测量方法及测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无损检测设备领域，更具体地，涉及一种管道固有频率的测量方法及测量系统。
【背景技术】
[0002]管道被广泛的应用于给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。流体介质的运动会引起管道的振动，造成连接部件的磨损。长此以往容易引起泄漏.且有些介质具有爆炸危险性、毒性或对环境有破坏性，一旦泄漏将会造成人员伤亡、财产损失、环境污染及其他巨大的经济损失。
[0003]在进行管道结构设计时，固有频率是一个十分重要的物理量，特别是对于有限长的管道，如炮管、换热管等。在某一设定数值的频率附近，管道有多个固定频率。
[0004]管壳式换热器由于振动引起的破坏会导致设备最终失效报废，而无论是在设计阶段避免振动，还是研宄管束振动原因，都需要首先获得换热管的固有频率。火炮作为一种复杂的机械系统，其发射过程中由于高温高压火药气体的作用，使得弹丸在膛内的高速运动具有瞬时冲击特性，同时考虑到各运动部件伴随的惯性力作用，全炮必会产生振动现象。火炮的射击精度在很大程度上取决于良好的射弹初始条件，而发射时身管的振动破坏了原有的射弹初始条件，必将造成射击精度的下降因此为提高射击精度，优化射击性能，设计时有必要获得炮管的固有频率。
[0005]“锤击法”激振方法由于简单方便在模态试验中得到广泛应用。锤击法使用带有力传感器的敲击锤，全凭试验者熟练的手法，另外激励的频带范围一般较低。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种管道固有频率的测量方法及测量系统，其基于磁致伸缩效应在管道中激励的弹性波在频率、能量上具有很好的可控性，同时重复测量效果较好，因此可利用磁致伸缩导波激励和接收方法实现管道固有频率的快速测量。
[0007]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种管道固有频率的测量方法，包括以下步骤:
[0008]I)将激励传感器和接收传感器分别安装在待测管道上；
[0009]2)根据所需固有频率的数值范围确定激励频率，设置激励时长h和测量时长t 2，其中 t2^ 2t 1；
[0010]3)激励传感器在管道上进行激励，通过接收传感器获取检测信号的时域波形图；
[0011]4)通过时域波形图计算检测信号在时间区间[tp t2]或[0，tj或[0，t2]上的幅值谱，获取检测信号的幅值谱；
[0012]5)根据幅值谱的幅值，获取待测管道的固有频率。
[0013]优选地，所述激励传感器包括激励线圈和第一偏置线圈，所述激励线圈的外径小于第一偏置线圈的内径且其位于第一偏置线圈所围区域内，所示激励线圈通过连续波功率放大器连接信号发生器，所述第一偏置线圈连接直流电源。
[0014]优选地，所述接收传感器包括接收线圈和第二偏置线圈，所述接收线圈的外径小于第二偏置线圈的内径且其位于第二偏置线圈所围区域内，所述接收线圈连接信号放大滤波器，所述第二偏置线圈连接直流电源。
[0015]优选地，h的取值范围为[10ms, 1000ms]。
[0016]优选地，t2的取值范围为[20ms，2000ms]。
[0017]优选地，激励频率的取值范围为[1Hz，IMHz]。
[0018]一种管道固有频率的测量系统，包括信号发生器、连续波功率放大器、激励传感器、接收传感器、信号放大滤波器、数据采集模块和计算机，所述计算机上分别连接信号发生器和数据处理模块，所述信号发生器上依次连接连续波功率放大器和激励传感器，所述数据采集模块上依次连接信号放大滤波器和接收传感器，其中，
[0019]信号发生器，由计算机控制产生连续正弦电流信号；
[0020]连续波功率放大器，用于放大信号发生器产生的连续正弦电流信号并输入激励传感器；
[0021]激励传感器，用于在管道中产生超声导波，实现电磁-声的转换；
[0022]接收传感器，用于在接收线圈中引起感应电压的变化，产生电信号；
[0023]信号放大滤波器，用于对接收传感器产生的电信号进行放大滤波；
[0024]数据采集模块，用于对经过放大滤波处理的电信号进行A/D转换，获取检测信号并传送给计算机；
[0025]计算机，用于接收数据采集模块发送的检测信号并对检测信号进行频谱分析，获取管道的固有频率。
[0026]优选地，所述激励传感器包括激励线圈和第一偏置线圈，所述激励线圈的外径小于第一偏置线圈的内径且其位于第一偏置线圈所围区域内，所述激励线圈通过连续波功率放大器连接信号发生器，所述第一偏置线圈连接直流电源。
[0027]优选地，所述接收传感器包括接收线圈和第二偏置线圈，所述接收线圈的外径小于第二偏置线圈的内径且其位于第二偏置线圈所围区域内，所述接收线圈连接信号放大滤波器，所述第二偏置线圈连接直流电源。
[0028]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0029]I)本发明有别于常规脉冲回波检测方式，其能将激励周期由几个提高到上千个甚至上万个，整个管道进入稳定振动状态，通过对检测信号进行频谱分析，获取管道固有频率;
[0030]2)本发明有别于传统故障诊断中低阶固有频率的方法，其导波激励频率能达到I兆赫兹以上，可以获取管道高阶固有频率，因此本发明为方便获取构件高阶固有频率提供了一种快速测量手段；
[0031]3)本发明可以根据具体需求，选择合适的激励频率，以获取激励频率附近的管道固有频率，适用于工程应用中获取管道特定频率范围的固有频率；
[0032]4)本发明基于磁致伸缩效应的导波检测方法，忽略检测传感器对管道振动情况的影响，提高检测准确度和可重复性；
[0033]5)本发明采用多周期的导波激励信号，输入能量大，适用于能量衰减大工况下的管道检测，例如积水、淤泥等。
【附图说明】
[0034]图1为本发明实施例的基于磁致伸缩效应获取管道固有频率的方法流程图；
[0035]图2为本发明实施例提供的基于磁致伸缩效应的管道固有频率测量系统的结构图；
[0036]图3为本发明实施例提供的用于管道固有频率测量的传感器布置示意图；
[0037]图4为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为20kHz获得的信号时域波形图；
[0038]图5为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为20kHz时间段[70，140ms]频域波形图；
[0039]图6为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为20kHz时间段[O, 70ms]频域波形图；
[0040]图7为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为20kHz时间段[O, 140ms]频域波形图；
[0041]图8为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为10kHz获得的信号时域波形图；
[0042]图9为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为10kHz时间段[30，80ms]频域波形图；
[0043]图10为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为10kHz时间段[O, 30ms]频域波形图；
[0044]图11为使用本发明实施例提供的测量系统进行实验时激励频率为10kHz时间段[O, 80ms]频域波形图。
【具体实施方式】
[0045]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0046]如图1所示，一种管道固有频率的测量方法，包括以下步骤:
[0047]I)将激励传感器和接收传感器分别安装在待测管道上。优选地，所述激励传感器包括激励线圈I和第一偏置线圈2，所述激励线圈I的外径小于第一偏置线圈2的内径，所述激励线圈I通过连续波功率放大器连接信号发生器，所述第一偏置线圈2连接直流电源；优选地，所述接收传感器包括接收线圈3和第二偏置线圈4，所述接收线圈3的外径小于第二偏置线圈4的内径，所述接收线圈3与所述的信号放大滤波器连接，所述第二偏置线圈4连接直流电源。
[0048]2)根据所需固有频率的数值范围确定激励频率，设置激励时长^和测量时长t2，其中t2> 2t1;t2> 2t丨可以确保管道振动衰减完全以获取准确的检测信号，优选地，激励频率的取值范围为[1Hz，1MHz]，h的取值范围为[10ms，1000ms], t2的取值范围为[20ms, 2000ms]。取以上的数值范围，可以确保管道振动达到稳定状态。
[0049]3)激励传感器在管道5上进行激励，通过接收传感器获取检测信号的时域波形图；
[0050]4)通过时域波形图计算检测信号在时间区间[tp t2]或[0，tj或[0，t2]上的幅值谱，获取检测信号的幅值谱；
[0051 ] 5)根据幅值谱的幅值，获取待测管道5的固有频率。
[0052]参照图2，一种管道固有频率的测量系统，包括信号发生器、连续波功率放大器、激励传感器、