一種基于多通道時間反轉法的鋁管缺陷檢測定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于多通道時間反轉法的鋁管缺陷檢測定位方法。本發明利用大振幅超聲波檢測有缺陷鋁管，并通過三維精密運動控制系統移動接收換能器，使其在鋁管不同位置接收檢測信號。把獲得的各組數據用有限長沖擊響應濾波器濾除激勵信號并取時間反轉窗對其進行時反。同時用ANSYS有限元分析軟件建立與實際被測鋁管相同尺寸、結構、材料的模型，并在實際被測鋁管的接收換能器相同位置的點上施加時反特征信號，同時進行仿真。通過觀察仿真模型的云圖便可確定裂紋位置，并根據裂紋處時反聲波的聚焦信號最大幅值與平均幅值比確定缺陷嚴重程度。本發明成本低，操作方便，并且避免了多個傳感器相互性能不同導致的實驗結果誤差。
【專利說明】
一種基于多通道時間反轉法的鋁管缺陷檢測定位方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于多通道時間反轉法的鋁管缺陷檢測定位方法。
【背景技術】
[0002]管道是現行的五大運輸工具之一，其在運送液體、氣體、漿液等方面具有特殊的優勢，尤其在石油化工及天然氣等產業中具有不可替代的作用。油氣管道在長年的運行過程中會在各種因素的作用下逐漸出現多種缺陷，有些缺陷的存在會對管道的正常運行構成威脅，嚴重者可能引起管道泄漏，造成環境污染和資源的極大浪費。因此，有必要研究一種能夠準確檢測金屬管道早期損傷的技術，超聲波無損檢測是目前最被看好的管道檢測方法之一，但傳統線性超聲檢測技術是通過傳播信號的反射、衰減、透射等線性特征進行檢測，但由于缺陷的反射回波強度低、透射率高、衰減小等原因，導致常規超聲檢測法對微小缺陷不敏感。國內外研究者發現，非線性超聲檢測法可以很好地檢測材料早期疲勞損傷、內部的接觸性缺陷等。非線性超聲檢測是利用超聲波在材料中傳播時，介質或微小缺陷與其相互作用產生的非線性響應信號，進行材料性能的評估和微小缺陷的檢測。有限幅度法是非線性超聲檢測方法中的一種，它利用單頻率大振幅的超聲波使材料內部缺陷受迫振動從而讓聲波產生畸變出現高次諧波。但這種方法只能定性地檢測缺陷，并不能實現對缺陷的定量評價和定位。
【發明內容】
[0003]非線性超聲檢測法可以很好地檢測出管道中存在的微小缺陷，但還不能對缺陷進行定位。本發明提出了一種非線性超聲檢測結合多通道時間反轉對鋁管缺陷進行檢測和定位的方法。
[0004]本發明解決技術問題所采取的技術方案為:
本發明由信號發生器產生高頻率的正弦波，經過功率放大器放大后激勵發射換能器產生大振幅超聲波，超聲波通過楔塊傳遞到有缺陷鋁管，聲波在鋁管中傳播經過缺陷時發生畸變產生高次諧波，通過三維精密運動控制系統移動接收換能器，使其在鋁管不同位置接收檢測信號，并由示波器顯示和儲存。
[0005]把獲得的各組數據用有限長沖擊響應濾波器濾除激勵信號并取時間反轉窗對其進行時反。同時用ANSYS有限元分析軟件建立與實際被測鋁管相同尺寸、結構、材料的模型，并在實際被測鋁管的接收換能器相同位置的點上施加時反特征信號，同時進行仿真。通過觀察仿真模型的云圖便可確定裂紋位置，并根據裂紋處時反聲波的聚焦信號最大幅值與平均幅值比確定缺陷嚴重程度。
[0006]本發明的有益效果:比起傳統的在鋁管上布置多個超聲換能器來接收檢測信號并用原換能器重新發射時反信號，用激光測振儀掃描鋁管表面獲取聲波的能量分布情況來確定裂紋位置。本發明通過單個可移動的換能器在鋁管不同位置接收檢測信號，并用有限元仿真軟件模擬時反聲波在鋁管中的聚焦，使其成本低，操作方便，并且避免了多個傳感器相互性能不同導致的實驗結果誤差。
【附圖說明】
[0007]圖1為檢測原理圖。
[0008]圖2為檢測裝置不意圖。
[0009]圖3是其中一組實驗數據的頻域圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0011]時間反轉方法是指將接收信號在時域上翻轉后在對應傳感器重新加載的過程，是聲互易性原理的應用之一，可以使能量在空間、時間上聚焦，并實現在聲源位置的信號重構。超聲波在經過非均勻介質時會產生不同程度的波形畸變，在頻域上表現為出現高次諧波。由于這些諧波是由缺陷和聲波作用時產生的，所以可以把缺陷看作它們的聲源，把高次諧波進行時間反轉后重新在相應的接收傳感器上重新激勵，時反信號便會在裂紋處聚焦。但這種方法需要在鋁管上布置多個傳感器并且需要激光測振儀對鋁管進行掃描來獲取其表面聲波能量分布情況，操作復雜，成本太高，并不實用。
[0012]因此利用ANSYS有限元仿真軟件模擬時反聲波在鋁管內的聚焦過程，并在軟件的后處理模塊觀察聲波的能量分布及各個質點的位移信息，以此確定缺陷的位置并對其進行定量評價。
[0013]如圖1所示，首先由信號發生器I產生高頻率的正弦波，經過功率放大器2放大后激勵發射換能器3產生大振幅超聲波，超聲波通過楔塊4傳遞到有缺陷鋁管5，聲波在鋁管中傳播經過缺陷時發生畸變產生高次諧波，通過三維精密運動控制系統7移動接收超聲換能器6使其在鋁管不同位置接收檢測信號，并由示波器8顯示和儲存。其中三位精密運動控制系統7由工作臺9、換能器夾具10、軸承夾具11、步進電機12、絲桿13和導軌14組成。
[0014]把獲得的各組數據用有限長沖擊響應濾波器濾除激勵信號并取適當的時間反轉窗對其進行時反。同時用ANSYS有限元分析軟件建立與實際被測鋁管相同尺寸、結構、材料的模型，并在實際被測體接收傳感器相同位置的點上施加時反特征信號并進行仿真。通過觀察仿真模型的云圖便可確定裂紋位置，并根據裂紋處時反聲波的聚焦信號最大幅值與平均幅值比評定缺陷嚴重程度。
[0015]實施例:采用長800mm、內徑50mm、外徑54mm，中心有一段疲勞裂紋的5056鋁管作為檢測對象，并選擇曲面半徑為27mm，總高50mm，厚50mm，材料為有機玻璃的楔塊作為招管和換能器之間的連接件，使得平面換能器能用于檢測曲面鋁管。發射超聲換能器的中心頻率為1.39MHz，由于頻率為f的超聲波與缺陷相互作會產生頻率為nf(n=l ,2,3...)的高次諧波。所以選擇中心頻率及帶寬要較大的接收超聲換能器。由信號發生器產生1.4MHz頻率、5V電壓的正弦波，通過功率放大器放大20dB后激勵換能器產生大振幅超聲波。再由另一個換能器接收經過缺陷位置發生了波形畸變的檢測信號，并用示波器儲存和顯示。為保證實驗精度，示波器儲存步長設為10e-8s，儲存深度為70k。最后移動換能器使其在鋁管的不同位置接收檢測信號。
[0016]圖3是其中一組實驗數據的頻域圖，可以發現檢測信號中出現了頻率為2.8MHz、4.2MHz的二次諧波和三次諧波。用matlab軟件中自帶的fdatool工具箱設計高通濾波器以濾除激勵聲波，由于影響時反聚焦效果的是時反信號的相位信息，為保證濾波后的信號相位不發生變化，采用具有線性相位特性的有限長沖擊響應濾波器。取時間反轉窗T=[0.2，
0.6]ms對濾波后的特征信號進行時間反轉并歸一化處理。用ansys有限元軟件建立鋁管模型并加載時間反轉聲波，觀察模型云圖，發現在0.64ms時刻聲波在鋁管缺陷處聚焦。
【主權項】
1.一種基于多通道時間反轉法的鋁管缺陷檢測定位方法，其特征在于:由信號發生器產生高頻率的正弦波，經過功率放大器放大后激勵發射換能器產生大振幅超聲波，超聲波通過楔塊傳遞到有缺陷鋁管，聲波在鋁管中傳播經過缺陷時發生畸變產生高次諧波，通過三維精密運動控制系統移動接收換能器，使其在鋁管不同位置接收檢測信號，并由示波器顯示和儲存； 把獲得的各組數據用有限長沖擊響應濾波器濾除激勵信號并取時間反轉窗對其進行時反;同時用ANSYS有限元分析軟件建立與實際被測鋁管相同尺寸、結構、材料的模型，并在實際被測鋁管的接收換能器相同位置的點上施加時反特征信號，同時進行仿真;通過觀察仿真模型的云圖便可確定裂紋位置，并根據裂紋處時反聲波的聚焦信號最大幅值與平均幅值比確定缺陷嚴重程度。
【文檔編號】G01N29/46GK106018551SQ201610283171
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】鄭慧峰, 方漂漂, 王月兵, 曹永剛, 郭世旭, 趙鵬, 曹文旭
【申請人】中國計量大學