一种基于多通道时间反转法的铝管缺陷检测定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于多通道时间反转法的铝管缺陷检测定位方法。本发明利用大振幅超声波检测有缺陷铝管，并通过三维精密运动控制系统移动接收换能器，使其在铝管不同位置接收检测信号。把获得的各组数据用有限长冲击响应滤波器滤除激励信号并取时间反转窗对其进行时反。同时用ANSYS有限元分析软件建立与实际被测铝管相同尺寸、结构、材料的模型，并在实际被测铝管的接收换能器相同位置的点上施加时反特征信号，同时进行仿真。通过观察仿真模型的云图便可确定裂纹位置，并根据裂纹处时反声波的聚焦信号最大幅值与平均幅值比确定缺陷严重程度。本发明成本低，操作方便，并且避免了多个传感器相互性能不同导致的实验结果误差。
【专利说明】
一种基于多通道时间反转法的铝管缺陷检测定位方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于多通道时间反转法的铝管缺陷检测定位方法。
【背景技术】
[0002]管道是现行的五大运输工具之一，其在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势，尤其在石油化工及天然气等产业中具有不可替代的作用。油气管道在长年的运行过程中会在各种因素的作用下逐渐出现多种缺陷，有些缺陷的存在会对管道的正常运行构成威胁，严重者可能引起管道泄漏，造成环境污染和资源的极大浪费。因此，有必要研究一种能够准确检测金属管道早期损伤的技术，超声波无损检测是目前最被看好的管道检测方法之一，但传统线性超声检测技术是通过传播信号的反射、衰减、透射等线性特征进行检测，但由于缺陷的反射回波强度低、透射率高、衰减小等原因，导致常规超声检测法对微小缺陷不敏感。国内外研究者发现，非线性超声检测法可以很好地检测材料早期疲劳损伤、内部的接触性缺陷等。非线性超声检测是利用超声波在材料中传播时，介质或微小缺陷与其相互作用产生的非线性响应信号，进行材料性能的评估和微小缺陷的检测。有限幅度法是非线性超声检测方法中的一种，它利用单频率大振幅的超声波使材料内部缺陷受迫振动从而让声波产生畸变出现高次谐波。但这种方法只能定性地检测缺陷，并不能实现对缺陷的定量评价和定位。
【发明内容】
[0003]非线性超声检测法可以很好地检测出管道中存在的微小缺陷，但还不能对缺陷进行定位。本发明提出了一种非线性超声检测结合多通道时间反转对铝管缺陷进行检测和定位的方法。
[0004]本发明解决技术问题所采取的技术方案为:
本发明由信号发生器产生高频率的正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，超声波通过楔块传递到有缺陷铝管，声波在铝管中传播经过缺陷时发生畸变产生高次谐波，通过三维精密运动控制系统移动接收换能器，使其在铝管不同位置接收检测信号，并由示波器显示和储存。
[0005]把获得的各组数据用有限长冲击响应滤波器滤除激励信号并取时间反转窗对其进行时反。同时用ANSYS有限元分析软件建立与实际被测铝管相同尺寸、结构、材料的模型，并在实际被测铝管的接收换能器相同位置的点上施加时反特征信号，同时进行仿真。通过观察仿真模型的云图便可确定裂纹位置，并根据裂纹处时反声波的聚焦信号最大幅值与平均幅值比确定缺陷严重程度。
[0006]本发明的有益效果:比起传统的在铝管上布置多个超声换能器来接收检测信号并用原换能器重新发射时反信号，用激光测振仪扫描铝管表面获取声波的能量分布情况来确定裂纹位置。本发明通过单个可移动的换能器在铝管不同位置接收检测信号，并用有限元仿真软件模拟时反声波在铝管中的聚焦，使其成本低，操作方便，并且避免了多个传感器相互性能不同导致的实验结果误差。
【附图说明】
[0007]图1为检测原理图。
[0008]图2为检测装置不意图。
[0009]图3是其中一组实验数据的频域图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0011]时间反转方法是指将接收信号在时域上翻转后在对应传感器重新加载的过程，是声互易性原理的应用之一，可以使能量在空间、时间上聚焦，并实现在声源位置的信号重构。超声波在经过非均匀介质时会产生不同程度的波形畸变，在频域上表现为出现高次谐波。由于这些谐波是由缺陷和声波作用时产生的，所以可以把缺陷看作它们的声源，把高次谐波进行时间反转后重新在相应的接收传感器上重新激励，时反信号便会在裂纹处聚焦。但这种方法需要在铝管上布置多个传感器并且需要激光测振仪对铝管进行扫描来获取其表面声波能量分布情况，操作复杂，成本太高，并不实用。
[0012]因此利用ANSYS有限元仿真软件模拟时反声波在铝管内的聚焦过程，并在软件的后处理模块观察声波的能量分布及各个质点的位移信息，以此确定缺陷的位置并对其进行定量评价。
[0013]如图1所示，首先由信号发生器I产生高频率的正弦波，经过功率放大器2放大后激励发射换能器3产生大振幅超声波，超声波通过楔块4传递到有缺陷铝管5，声波在铝管中传播经过缺陷时发生畸变产生高次谐波，通过三维精密运动控制系统7移动接收超声换能器6使其在铝管不同位置接收检测信号，并由示波器8显示和储存。其中三位精密运动控制系统7由工作台9、换能器夹具10、轴承夹具11、步进电机12、丝杆13和导轨14组成。
[0014]把获得的各组数据用有限长冲击响应滤波器滤除激励信号并取适当的时间反转窗对其进行时反。同时用ANSYS有限元分析软件建立与实际被测铝管相同尺寸、结构、材料的模型，并在实际被测体接收传感器相同位置的点上施加时反特征信号并进行仿真。通过观察仿真模型的云图便可确定裂纹位置，并根据裂纹处时反声波的聚焦信号最大幅值与平均幅值比评定缺陷严重程度。
[0015]实施例:采用长800mm、内径50mm、外径54mm，中心有一段疲劳裂纹的5056铝管作为检测对象，并选择曲面半径为27mm，总高50mm，厚50mm，材料为有机玻璃的楔块作为招管和换能器之间的连接件，使得平面换能器能用于检测曲面铝管。发射超声换能器的中心频率为1.39MHz，由于频率为f的超声波与缺陷相互作会产生频率为nf(n=l ,2,3...)的高次谐波。所以选择中心频率及带宽要较大的接收超声换能器。由信号发生器产生1.4MHz频率、5V电压的正弦波，通过功率放大器放大20dB后激励换能器产生大振幅超声波。再由另一个换能器接收经过缺陷位置发生了波形畸变的检测信号，并用示波器储存和显示。为保证实验精度，示波器储存步长设为10e-8s，储存深度为70k。最后移动换能器使其在铝管的不同位置接收检测信号。
[0016]图3是其中一组实验数据的频域图，可以发现检测信号中出现了频率为2.8MHz、4.2MHz的二次谐波和三次谐波。用matlab软件中自带的fdatool工具箱设计高通滤波器以滤除激励声波，由于影响时反聚焦效果的是时反信号的相位信息，为保证滤波后的信号相位不发生变化，采用具有线性相位特性的有限长冲击响应滤波器。取时间反转窗T=[0.2，
0.6]ms对滤波后的特征信号进行时间反转并归一化处理。用ansys有限元软件建立铝管模型并加载时间反转声波，观察模型云图，发现在0.64ms时刻声波在铝管缺陷处聚焦。
【主权项】
1.一种基于多通道时间反转法的铝管缺陷检测定位方法，其特征在于:由信号发生器产生高频率的正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，超声波通过楔块传递到有缺陷铝管，声波在铝管中传播经过缺陷时发生畸变产生高次谐波，通过三维精密运动控制系统移动接收换能器，使其在铝管不同位置接收检测信号，并由示波器显示和储存； 把获得的各组数据用有限长冲击响应滤波器滤除激励信号并取时间反转窗对其进行时反;同时用ANSYS有限元分析软件建立与实际被测铝管相同尺寸、结构、材料的模型，并在实际被测铝管的接收换能器相同位置的点上施加时反特征信号，同时进行仿真;通过观察仿真模型的云图便可确定裂纹位置，并根据裂纹处时反声波的聚焦信号最大幅值与平均幅值比确定缺陷严重程度。
【文档编号】G01N29/46GK106018551SQ201610283171
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】郑慧峰, 方漂漂, 王月兵, 曹永刚, 郭世旭, 赵鹏, 曹文旭
【申请人】中国计量大学