多模態導波工業管道診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種工業管道缺陷診斷方法，尤其設及一種多模態導波工業管道診斷 方法，屬于工業管道安全檢測與防護技術領域。
【背景技術】
[0002] 各種管道廣泛應用于我們的生產和生活中，尤其在電力、石油、化工、天然氣W及 城市自來水等工業部口，起著重要的作用。但是近年來工業管道安全問題的嚴重性已凸現 出來，爆炸傷亡重大事故頻發，而因泄漏造成的停工停產事故已難計其數。管道運輸安全已 成為影響經濟發展和社會安定的一個突出的問題。為了在管道出現缺陷之后能夠最快、最 精確地檢測到缺陷位置所在，亟需一種有效的缺陷檢測方法。多模態導波管道診斷儀利用 超聲導波檢測管道的缺陷具有快速、經濟、可靠并且無需剝離外包層等優點，是管道缺陷檢 測的一種更快、更靈敏、更前沿的發展方向。
[0003] 多模態導波管道診斷儀是能夠實現對管道缺陷進行在線早期診斷的檢測儀器，相 對于傳統的超聲檢測方法其檢測范圍更廣，檢測長度能達到上百米。超聲導波的檢測原理 是利用傳感器陣列環在管道上激勵超聲導波，導波在管道壁內傳播，其遇到管道內的缺陷 時產生回波，通過接收缺陷的回波信號來實現對缺陷的定位、定量與定性。
[0004] 國外針對導波技術研究的同時也開發出相應的檢測設備，如PlantIntegrity公 司生產的長距離油氣管道導波檢測設備、英國焊接公司生產的Teletest檢測設備和英國 超聲導波公司的wavemaker檢測設備等，但是國外設備僅選用單一模態的方式進行檢測， 無法適應不同缺陷對敏感度的要求。另外，國外導波儀器僅對傳感器進行單路依次采集，并 非實時采集。由于運用復雜的算法進行處理，整個檢測時間需花費10s左右，且國外儀器價 格昂貴，引進成本較高。
[0005] 文獻"小型超聲導波管道檢測系統的研究和開發"，采用的是單模態進行檢測，對 管道不同缺陷的適應性較差，該系統采集方法僅對單個傳感器進行采集，采集實時性較差， 并且沒有對后期信號處理技術進行敘述，沒有對缺陷大小和類型進行判別。
[0006] 專利CN20299473抓所公開的管道超聲導波檢測系統沒有采取多種模態對管道進 行檢測，且對缺陷檢測流程和識別方法未敘述，另外，該系統沒有采取消除反向回波技術， 無法判斷缺陷的正確方位。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種多模態導波工業管道診斷方法，該診斷裝置通過多通 道時延信號激勵系統分時分別激勵對稱的L(0,2)模態導波和對稱的T(0，1)模態導波，提 高缺陷檢測的敏感度，當調整傳感器陣列為縱向分布時激勵出軸對稱的L(0, 2)模態導波， 當調整傳感器陣列為橫向分布時，激勵出軸對稱的T(0, 1)模態導波，導波在傳播過程中遇 到缺陷時L(0, 2)模態轉換成非對稱的彎曲F(l，3)模態，T化1)模態轉換成非對稱的彎曲 F(1，2)模態，獲得回波信號中的轉換模態特征參數，選擇轉換模態特征參數進行分析，通過 后期算法建立模態對稱曲線對轉換模態進行量化，結合DAC時程衰減曲線對缺陷進行實時 在線檢測，對管道缺陷的實時診斷，并對缺陷進行定位、定量、定性和早期診斷。
[000引本發明的目的通過W下技術方案予W實現：
[0009] 一種多模態導波工業管道診斷方法，多模態導波工業管道診斷裝置包括計算機1、 主機2、傳感器陣列環3,所述主機1包括處理器4、兩個激勵通道5、存儲器6、電源7、模數 轉換器10、調理電路11、多路采集卡12、轉換開關13、接口設備14 ;所述激勵通道5包括數 模轉換器8、功率放大器9 ;所述存儲器6、電源7與處理器4相連，所述處理器4與接口設 備14相連，所述接口設備14與計算機1相連，所述處理器4與數模轉換器8相連，所述數 模轉換器8與功率放大器9相連，所述壓電傳感器陣列環3由3組相同規格和數量的傳感 器構成，其中兩組為信號激勵環，分別連接所述兩個激勵通道5的功率放大器9 ;另一組作 為信號采集環與所述多路采集卡12的輸入端相連，所述多路采集卡12包括5組采集卡，每 組采集卡有8路獨立采樣通道，采集卡的40路采樣通道分別對接單個傳感器，所述多路采 集卡12的輸出端與調理電路11相連，所述多路采集卡12的輸出端還與轉換開關13相連， 所述轉換開關13將多路采集卡12輸入的信號并聯后傳輸至調理電路11，所述調理電路11 與模數轉換器10相連，所述模數轉換器10與處理器4相連；多模態導波工業管道診斷方法 包括W下步驟：
[0010] 1)將傳感器環陣列縱向均勻分布，兩組信號激勵環間距為C/(4*f。)，其中C為激 勵導波波速，f。為激勵信號的中屯、頻率；
[0011] 2)輸入波形頻率f。、波形的周期數n、檢測管道長度、傳感器個數，兩通道的延遲 時間為C/(4*f。)，由計算機根據用戶輸入波形頻率和周期數生成窗函數調制的脈沖數字波 形，傳送至主機的處理器，波形公式為：
[0012]
[001引y(t)為激勵信號函數，t為傳播的時間；
[0014] 3)主機將數字波形分別送入兩個激勵通道中，經數模轉換器轉換成模擬波形，再 經調理和放大，延時驅動激勵傳感器陣列環，激勵出軸對稱L(0, 2)模態導波；
[0015] 4)采集通道中的采集卡采集單個傳感器上的回波信號，轉換開關用于將單個傳感 器信號并聯構成整環信號，最終實現同時采集單個傳感器信號和整環傳感器信號，然后對 信號進行調理放大和模數轉換，暫存在存儲器；
[0016] 5)提取整環傳感器信號幅值包絡線，并對信號進行帶通濾波器濾波處理，濾波器 中屯、頻率為計算機設置的激勵頻率，帶寬為l〇Ifflz-30KHz;
[0017] 6)W信號采集環第一次接收的整環回波信號為起始波，提取起始波的極大值，根 據導波衰減公式，繪制DAC時程衰減曲線來進行管道結構特征的區分和缺陷的定量分析， 所述DAC時程衰減曲線包括法蘭DAC時程衰減曲線、焊縫DAC時程衰減曲線、缺陷DAC時 程衰減曲線，當整環回波信號幅值最高點位于法蘭DAC時程衰減曲線W上區域時，判定回 波信號為法蘭特征；當整環回波信號幅值最高點位于法蘭DAC時程衰減曲線W下和焊縫 DAC時程衰減曲線W上時，判定回波信號為管道焊縫；當整環回波信號幅值最高點位于焊 縫DAC時程衰減曲線W下和缺陷DAC時程衰減曲線W上區域時，判定回波信號為疑似缺陷； 所述導波衰減公式如下：
[0018] y=e-°'〇2675x
[0019] 7)將采集到的單個傳感器信號根據模態對稱算法處理得到模態對稱曲線，將模態 對稱曲線和整環傳感器信號建立在時間幅值圖下，比較某一時間下整環傳感器信號與模態 對稱曲線信號的幅值比0，當0大于1時，可判定該時刻下存在缺陷；當0大于1/2時， 可判定該時刻下具有早期缺陷；當0小于1/2時，判定該時刻下沒有缺陷；
[0020] 所述模態對稱曲線是通過對單個傳感器信號處理所得，用于量化轉換模態幅值， 處理方法為選擇管道截面任意兩個中屯、對稱傳感器波形相互疊加，然后取平均值進行繪 審IJ，如W下算法：
[0021]
[0022]N為組成一環傳感器的個數，I~ I為單個傳感器接收信號的幅值，Y為經疊 加后的波形幅值；
[0023] 8)對所得的缺陷信號進行定位分析，T為通過計算確定的缺陷信號距離激勵波的 間隔時間，根據激勵出的導波波速C，算出管道在L位置存在缺陷，對缺陷進行定位分析，定 位公式如下：
[0024] L=CT/2；
[0025] 9)待一次檢測完成后，調整傳感器陣列環為橫向均勻分布在管道外壁，重復上述 參數設定，從而激勵出剪切T(0，1)模態導波，由于L(0,2)模態導波和T(0，1)模態導波針 對不同的缺陷，其敏感度不一樣，為避免對缺陷的漏檢，在激勵兩種模態情況下選擇模態對 稱曲線出現峰值的次數較多的波形作為可信波形。
[0026] 本發明的目的還可化圍過W下技術措施進一步實現：
[0027] 前述多模態導波工業管道診斷方法，其中步驟2)所述波形頻率為傳感器的諧振 頻率，波形周期數n為10,傳感器的個數為偶數，且大于導波檢測中彎曲模態的最高階數。 [002引前述多模態導波工業管道診斷方法，其中步驟6)中確定的缺陷信號極大值位于 缺陷DAC時程衰減曲線W下50%到10%時，診斷為輕度損傷；當極大值位于缺陷DAC時程 衰減曲線W下10%到缺陷DAC時程衰減曲線W上10%時，診斷為中度損傷；當極大值位于 缺陷DAC時程衰減曲線W上10%到50%時，診斷為嚴重損傷。
[0029] 前述多模態導波工業管道診斷方法，對所得缺陷信號進行定性分析，將缺陷的類 型分為腐蝕和裂紋，通過建立典型缺陷數據庫訓練神經網絡，提取整環信號能量值、相關系 數、頻譜半高寬、峰度系數、偏度系數特征參數構成一維特征向量作為神經網絡輸入層，用 訓練后的神經網絡對采集樣本進行測試，進行損傷類型實時判斷。
[0030] 所述傳感器陣列系統包括壓電傳感器陣列、磁致伸縮傳感器陣列、電磁聲傳感器 陣列。與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0031] 1)針對缺陷對不同模態的敏感度的差異，本發明通過改變傳感器陣