一种高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置和方法与流程

本发明涉及了一种高温压力管道无损检测，尤其是涉及了一种高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置和方法。

背景技术：

1、压力管道作为在石油、化工、电力、供热等领域广泛应用的承压类特种设备，由于运行工况和介质复杂，容易发生损伤失效，一旦发生事故，将给国民经济和人民生命财产带来巨大损失。目前对金属管道泄漏的检测方法有负压波法、流量平衡法、压力衰减检漏法及基于统计决策的方法等，这些方法只能在管道发生泄漏事故后才能有效，无法对尚未导致泄漏的金属管道损伤如裂纹、腐蚀等进行检测和预测。对金属管道缺陷检测方法有磁粉检测、超声导波检测、渗透检测、射线检测、涡流检测、声发射检测、红外检测、漏磁检测等，这些常规技术的特点是逐点扫描、检测速度比较慢、需要剥离管道的外包层等。目前，尽管金属管道缺陷无损检测技术种类众多，但是由于磁致伸缩超声导波无损检测技术的可靠性、准确性不断提高，加之其在长距离大范围、便捷性、以及特征参量丰富性等方面具有其它方法难以媲美的优势，该技术已成为无损检测领域蕴含巨大发展潜力的方法之一，并成为相关研究的热点。在现有的金属管道导波检测中，按导波激励方式的不同可以分为压电式、电磁超声式、脉冲激光式和磁致伸缩式等。压电式对于被检工件的表面光洁度有较高的要求，但在很多场合，这种方法很难达到良好的耦合效果，甚至无法使用。电磁超声式的工作提离距离比较有限，通常只有十几毫米，且换能效率低。激光对金属管道表面的热蚀损伤，难以在高温金属管道检测投入实际应用。磁致伸缩式在高温、使用便捷性等方面都具有明显的优势，是一种高效的技术手段，然而目前在对高温压力管道监测方面还缺少新的监测装置和方法的设计，特别是针对高温压力特点的仪器设计，以及在线监测需求的算法方法开发。

2、综上，现阶段，对于高温压力管道结构健康监测还缺少有效可行的设备和处理方法，传统方法往往存在所需成本高、监测效率低、可靠性差、检测精度低、检测速度慢，且难以对高温压力管道结构健康安全进行预测，因此本专利提出一种高效率、低成本、非破坏性的便携监测装置和方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为克服上述高温压力管道结构健康监测中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置和方法，可以有效实现对高温压力管道结构健康状态的检测，可以快速得到高温压力管道结构健康状态监测结果，检测精度高，成本低。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置，包括高温导波换能器、高速数据处理与控制模块、无线模块、激励信号模块、定位模块、锂电池供电模块、时序控制电路、激励信号模块、信号调理电路模块和功率放大模块。

3、高温导波换能器套装在高温压力管道外侧，高温导波换能器与功率放大模块电气连接，功率放大模块与激励信号模块电气连接，激励信号模块与高速数据处理与控制模块电气连接，高速数据处理与控制模块与无线模块、定位模块、信号调理电路模块和时序控制电路分别电气连接，信号调理电路模块连接高温导波换能器，时序控制电路连接激励信号模块，锂电池供电模块为整个监测系统供电，所述时序控制模块用于下发工作时序及逻辑指令。

4、监测时，通过高速数据处理与控制模块设置超声导波激励与接收参数，经激励信号模块得到超声导波原始激励信号，超声导波原始激励信号经功率放大模块放大后加载到高温导波换能器，从而在被测高温压力管道中产生高频超声导波，高速数据处理与控制模块触发信号调理电路模块接受被测高温压力管道中的超声导波监测信号x(t)。

5、所述高速数据处理与控制模块用于：

6、(1)找到信号x(t)的局部极大值和极小值点，连接局部极大值和极小值点，得到上、下包络线xu(t)和xl(t)；

7、(2)计算上下包络线的均值包络线ml(t)＝(xu(t)+xl(t))/2，并计算导波监测信号x(t)和均值包络线ml(t)的差值，得到中间信号：dl(t)＝x(t)-ml(t)；

8、(3)若中间信号dl(t)满足：①dl(t)整个数据段内的零点数和极点数相等或至多相差1；②dl(t)由局部极大值确定的包络线和由局部极小值确定的包络线的均值为零；则dl(t)为第一个经验模态分量imf1，并得到新的待分解信号hl(t)＝x(t)-imf1；

9、(4)hl(t)重复上述步骤，得到hl1(t)＝hl(t)-imf1，重复上述k次完成模态分解，得到n个经验模态分量imfi(i＝1,…,n)和导波监测信号x(t)的残差rn(t)，则导波监测信号x(t)可表示为：其中n小于等于k；

10、(5)去除残差rn(t)，则可以得到导波监测信号x(t)的降噪信号设为

11、(6)对降噪信号x’(t)进行匹配追踪算法(matching pursuit,mp)分解，可以得到j个匹配原子γj(j＝1,…,j)，其中j小于等于n；

12、(7)利用拉依达准则(pauta criterion)设定信号伤损判断阈值为其中σ为的方差；

13、(8)对匹配原子γj进行判断，若γj≥tthreshold，则被测高温压力管道有缺陷，反之无缺陷，即为健康管道。

14、进一步地，所述高温导波换能器从内到外依次包含铁钴带材、气凝胶垫层、高温磁致伸缩线圈和不锈钢夹具层，利用高温环氧树脂耦合剂完成高温导波换能器与被测高温压力管道的声能耦合。

15、进一步地，所述激励信号模块采用直接数字频率合成技术，包含波形存储器、数模转换器、相位累加器及滤波器。

16、进一步地，所述信号调理电路模块包含信号滤波电路、信号采集电路和信号放大电路。

17、进一步地，所述定位模块为北斗/gps高精度导航系统。

18、进一步地，所述锂电池供电模块包括太阳能电池板、锂电池、充电控制电路和电源管理芯片，其中充电控制电路用于对电流进行温度，电源管理芯片用于电池的过流保护、过温保护和短路保护。

19、本发明还提供一种采用上述高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置的监测方法，包括如下步骤：

20、步骤一、由所述高温压力管道结构健康磁致伸缩导波监测装置检测得到被测高温压力管道的导波监测信号x(t)，并发送给高速数据处理与控制模块；

21、步骤二、高速数据处理与控制模块找到信号x(t)的局部极大值和极小值点，连接局部极大值和极小值点，得到上、下包络线xu(t)和xl(t)；

22、步骤三、计算上下包络线的均值包络线ml(t)＝(xu(t)+xl(t))/2，并计算导波监测信号x(t)和均值包络线ml(t)的差值，得到中间信号：dl(t)＝x(t)-ml(t)；

23、步骤四、若中间信号dl(t)满足：①dl(t)整个数据段内的零点数和极点数相等或至多相差1；②dl(t)由局部极大值确定的包络线和由局部极小值确定的包络线的均值为零；则dl(t)为第一个经验模态分量imf1，并得到新的待分解信号hl(t)＝x(t)-imf1；

24、步骤五、hl(t)重复上述步骤2至步骤4，得到hl1(t)＝hl(t)-imf1，重复上述k次完成模态分解，得到n个经验模态分量imfi(i＝1,…,n)和导波监测信号x(t)的残差rn(t)，则导波监测信号x(t)可表示为：其中n小于等于k；

25、步骤六、去除残差rn(t)，则可以得到导波监测信号x(t)的降噪信号设为

26、

27、步骤七、对降噪信号x’(t)进行匹配追踪算法(matching pursuit,mp)分解，可以得到j个匹配原子γj(j＝1,…,j)，其中j小于等于n；

28、步骤八、利用拉依达准则(pauta criterion)设定信号伤损判断阈值为其中σ为的方差；

29、步骤九、对步骤7中的匹配原子γj进行判断，若γj≥tthreshold，则被测高温压力管道有缺陷，反之无缺陷，即为健康管道。

30、进一步地，所述激励信号模块产生两路信号源，根据扭转波单方向控制的要求，两路信号源输出时序相差0.25个周期；所述功率放大模块将激励信号源输出的两路时序相差0.25周期的信号进行功率放大，将激励信号源放大到峰峰值200v。

31、本发明解决了一直以来对高温压力管道结构健康的可靠检测的技术问题，特别是利用超声导波技术通过设计的利用超声激励换能器和超声接收传感器的单发单收工作模式，可以有效实现对高温压力管道结构健康状态的检测，超声导波具有传播速度快(每秒数千米)的特点，可以快速得到高温压力管道结构健康状态监测结果；相对于传统检测技术，超声导波技术作为一种高效、快速无损检测技术，解决传统检测方法的所需成本高、监测效率低、可靠性差、检测精度低、检测速度慢等不足，超声导波检测频率至少取128khz所用超声导波激励信号为5周期汉宁窗调制的正弦波，大大提高了对高温压力管道结构健康状态的检测精度，解决了传统检测方法精度不足的问题。

32、本发明装置为无损检测，采用单发单收工作模式，操作简单、检测精度高，可以实现对电力钢管杆塔积冰积水的检测。