CN102507595B - 利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法及装置，先将圆形的激光束转换成环形的激光束，调整环形激光束半径的大小，使之与管道环形端面的半径大小一致，该环形激光投射到管道端面环端面上时，产生的冲击力载荷将会激励出轴向对称模态的导波，该导波遇到缺陷产生的回波信号被信号接收装置接收，从而实现对管道缺陷的检测。本发明有利于激励管道轴向对称模态导波，利用圆锥透镜组将圆形光斑能量集中在管道环形端面上，增强了所施加冲击力载荷的效果，提高信噪比，并且通过调整透镜组与管道端面之间的相对位置控制环形半径的大小以适应不同半径管道的检测，检测效率高、范围广，成本较低等特点。

Description

利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用导波检测管道方法及装置，具体的说是一种利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法及装置，用于管道的无损检测。 

技术背景

在道管道导波检测中，传感器是检测***中的重要组成部分，在检测过程中激励和接收导波。而能否在答道中有效地激励和接收超声导波，不仅与导波的特性、管道的尺寸以及下况密不可分。而且与超声导波探头的选择和性能有关，利用不同的传感器可以激励的一或多种不同模态的导波对管道进行检测。目前主要的用于激励管道导波的传感器有有压电式传感器、磁致伸缩传感器、声磁传感器、脉冲激光式传感器。 

在管道检测过程中，利用脉冲激光产生窄脉冲超声信号，实现非接触测录或遥测、高温条件以及腐蚀性强有放射等恶劣条件检测。由于这此特点，激光在管道导波检测中也得到了一定的应用。为了提高信噪比，通常利用阵列激励技术提高激光激励的能量，美国学者Rose等人采用了内插式环状抛物线形铜反射镜，使脉冲激光的能量经反射后沿圆周方向均匀分布，激励轴向模态导波实现管道检测。韩国汉阳大学提供了一种通过在管道内置反射镜在管道内壁上激励导波的方法，接收到了轴向的L(0,1)模态的导波信号以实现检测，但是轴向的L(0,1)模态的导波的衰减系数较大，本发明激励L（0，2）模态的导波，该模态的导波具有频散小、速度快、衰减系数小的特点，测试范更大围。 

激光超声检测***庞大、昂贵、技术复杂，以及检测环境要求较高，制约了其在管道导波检测的应用与发展。 

发明内容

本发明的目的是有利于激励管道轴向对称模态导波进行管道检测，能够提高信噪比，通过调整透镜组与管道端面之间的距离控制环形半径的大小来适应不同管径管道的无损检测方法与设备。

为了达到上述的目的，本发明所实现环形激光激励管道轴向模态导波的方法，是采用脉冲式激光发射器，使激光器发射出的圆型激光束通过透镜组成的光路***，包括聚焦减束光路***与环形光光路***，转换为圆环形的激光束，同时根据管道半径的大小调整环形光斑的直径大小，让该环形激光辐射于安装在管道一端的套环上，套环将环形激光束产生的冲击力载荷传递到管道的环形截面上，同时由于夹紧装置对管道壁的约束作用管壁内产生了定波长的轴向对称模态导波，该导波遇到管道缺陷产生的回波信号被布置在管道外壁上的信号接收装置接收，接收装置将接收到的信号输入至数字示波器中，通过回波波峰与激励信号波峰的距离和通过频散曲线确定对应的频率与群速度，按照下式计算出管道缺陷距离传感器的轴向位置x，从而实现管道检测。 

其中，                                                   。 

在上述的方法中，激光发射器将所说的横截面呈圆形的激光光束通过一个由一对凹透镜和凸透镜或两个凸透镜组成的聚焦减束光路***聚焦后，再通过环形光光路***将其转换成所说的横截面呈圆环形的激光光束，所说的环形光光路***由负轴棱锥体透镜、正轴棱锥体透镜和凸透镜组合而成，该负圆锥体透镜、正圆锥体透镜和凸透镜以激光光束的传播方向为中心依次对称按照一定的距离布置，之后所生成的环形激光先辐照在半径比管径略大的由硬质低阻耗橡胶圈与增透膜组成的套环上，再由套环将环形激光束产生的冲击力载荷传递到管道的环形截面上以激励出纵向轴对称模态的导波。 

套环的由为硬质低阻耗橡胶圈与增透膜组成，其中增透膜贴在橡胶圈面向环形光束的一端，橡胶圈的了另一端布置在管道的环形端面上。夹紧装置为能够夹紧管道限制其自由度管道夹，该管道夹的距离管道的距离为1~10cm。 

接收装置为列阵排布的压电传感器组或者为PVDF传感器，压电传感器数量为3个到10个围绕着管壁均匀阵列排布。 

利用环形激光激励轴向导波的管道检测的装置，主要由激光发射器、聚焦减束光路***、环形光光路***、套环、夹紧装置、信号接收装置、数字示波器组成。激光发射器、聚焦减束光路***、环形光光路***安装在光具座上，同时以激光光束的传播方向依次对称按照一定的距离布置并且使光束与光路***中的透镜组中心重合。套环布置在管道端面上。夹紧装置夹紧在管道的外壁上，其底部连接在光具座上。信号接收装置布置在管道外壁面上并且靠近管道的激励端。 

本发明的优点在： 

（1）有利于激励管道纵向L（0,2）对称模态导波，该模态导波具有频散小、速度快、衰减系数小的特点，使检测信号容易识别，测试范围更大。

（2）同时相比于其他传感器，激光激励管中导波的方法能够提高信噪比，使信号更加清晰。 

（3）利用圆锥透镜组将圆形光斑能量集中在管道环形端面上，增强了所施加冲击力载荷的效果，提高检测的精度。 

（4）通过调整透镜组与管道端面之间的相对位置控制环形半径的大小以适应不同半径管道的检测，检测效率高，成本较低。 

（5）只使用一个脉冲激光发射器即可以代替阵列布置的多个激光发射器来实现激励轴对称称纵向模态导波，大大减少了激光设备的成本。 

附图说明

图1利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置的结构图。 

图2利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置光路***原理图。 

图3利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置中套环的结构。 

图4利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置中信号接收装置接收到得回波信号。 

图中，1.激光发射器； 2.聚焦减束光路***；3.环形光光路***；4.套环；5.夹紧装置；6.信号接收装置；7.数字示波器；2a.凹透镜；2b.凸透镜；3a.负轴棱锥体透镜；3b.正轴棱锥体透镜；3c.凸透镜；4a.低阻耗橡胶圈；4b.增透膜 。 

具体实施方案

如图1所示，所示的环形激光激励管道轴向模态导波的装置，具有一安装固定各种部件的光具座10，该光具座10的水平台面上从左至右依次布置有激光发生器1、聚焦减束光路***2、环形光光路***3和夹紧装置5各种部件均可以通过安装支架11调整好位置并固定，其中夹紧装置安装在距离管道端面的距离为1~10cm位置上。被检测的管道13放置在环形光光路***3的器件的右方的聚焦点附近并中心对齐，并可根据需需要检测的管道的半径来进行位置调整。聚焦减束光路***2和环形光光路***3分别安装固定在不同的两个套筒12中，并使其结构紧凑。套环4的由为硬质低阻耗橡胶圈与增透膜组成，其中增透膜贴在橡胶圈面向环形光束的一端，橡胶圈的了另一端布置在管道的环形端面上（如图3所示）。信号接收装置5布置在管道外壁面上并且靠近管道的激励端。 

如图2 所示光路***，激光发射器1发射出横截面呈圆形的激光光束8通过一个由一对中心重合的凹透镜2a和凸透镜2b或两个凸透镜组成的聚焦减束光路***2会使激光束光斑的半径会变小，但是不改变激光束的方向与能量分布，该聚焦的光束入射到环形光光路***3，环形光光路***3由负轴棱锥体透镜3a、正轴棱锥体透镜3b和凸透镜6c组合而成，该负圆锥体透镜6a、正圆锥体透镜3b和凸透镜3c以激光光束的传播方向依次对称按照一定的距离布置并且使光束与透镜组中心重合。聚焦后的圆形激光光束在环形光光路***3内经负轴棱锥圆锥体透镜3a折射发散、经正轴棱锥圆锥体透镜3b折射汇聚，此时输出准直的横截面呈圆环形的激光光束再经另一个凸透镜3c聚焦成较细的圆环形激光束，同时通过改变管道端面与环形光光路***3中凸透镜透镜的距离，使得环形光斑半径与管道环形端面半径相一致。 

需要检测管道时，调整夹紧装置5离管道激励端面的距离并夹紧，设定适合的激光能量大小，使激光发生器1发射出脉冲激光光束，该圆形光束通过光路***转换为环形激光光束，环形激光束9辐射于布置在管道一端的套环4上，套环将环形激光束产生的冲击力载荷传递到管道的环形截面上，同时由于夹紧装置5对管道壁的约束作用管壁内产生了定波长的轴向对称模态导波，该导波遇到管道缺陷产生的回波信号被布置在管道13外壁上的信号接收装置5接收，接收装置将接收到的信号输入至数字示波器8中，通过回波波峰与激励信号波峰的距离和通过频散曲线确定对应的频率与群速度，按照下式，计算出管道缺陷距离传感器的轴向位置x，从而实现管道检测。 

如图4所示，对一外径为76mm，厚度为5mm的碳钢管道进行如上检测，并且接收到了缺陷处的了回波信号，通过确定回波信号的中心频率与其对应的群速度，得到在管道轴向上距离信号接收装置 500mm处有一个缺陷。 

具体实施时，聚焦减束光路***2和环形光光路***3可以安装固定在相同的套筒中。 

Claims (5)

1.一种利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法，采用脉冲式激光发射器(1)，使激光器发射出的圆型激光束通过透镜组成的光路***转换为圆环形的激光束(8)，其特征是，同时根据管道半径的大小调整环形光斑的直径大小，让环形激光辐射在布置于管道一端的套环(4)上，套环将环形激光束产生的冲击力载荷传递到管道的环形截面上，同时由于夹紧装置（5）对管道壁的约束作用管壁内产生了定波长的轴向对称模态导波，所述轴向对称模态导波遇到管道缺陷产生的回波信号被布置在管道外壁上的信号接收装置（6）接收，接收装置将接收到的信号输入至数字示波器(7)中，通过回波波峰与激励信号波峰的距离判断管道缺陷的轴向位置，实现管道检测；所述出管道缺陷距离传感器的轴向位置x为：

                                                。

2.实施权利要求1所述利用环形激光激励轴向导波的管道检测方法的装置，其特征在于，由激光发射器（1）、聚焦减束光路***（2）、环形光光路***（3）、套环（4）、夹紧装置（5），信号接收装置（6）、数字示波器（7）组成；所述激光发射器（1）、聚焦减束光路***（2）、环形光光路***（3）安装在光具座(10)上，以激光光束的传播方向依次布置并且使光束与光路***中的透镜组中心重合；所述套环（4）布置在管道端面上，所述夹紧装置（5）夹紧管道的外壁，夹紧装置（5）底部连接在光具座（10）上，信号接收装置（6）布置在管道外壁面上并且靠近管道的激励端；所述聚焦减束光路***（2）由凹透镜（2a）和凸透镜(2b) 组成，所述环形光光路***由负轴棱锥体透镜( 3a)、正轴棱锥体透镜（3b)和凸透镜(3c)组合而成，负圆锥体透镜(3a)、正圆锥体透镜(3b)和凸透镜(3c)以激光光束的传播方向为中心依次布置；所述信号接收装置（6）为列阵排布的压电传感器组或者为PVDF传感器，压电传感器数量为4个到10个围绕着管壁均匀阵列排布。

3.根据权利要求2所述利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置，其特征在于，所述套环由硬质低阻耗橡胶圈(4a)与增透膜 (4b) 组成，所述增透膜 (4b)粘贴在橡胶圈面向环形光束的一端，橡胶圈的另一端布置在管道的环形端面上。

4.根据权利要求2或3所述利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置，其特征在于，所述夹紧装置（5）为夹紧管道限制管道自由度的管道夹，所述夹紧装置（5）距离管道端面的距离为1~10cm。

5.根据权利要求2或3所述利用环形激光激励轴向导波的管道检测装置，其特征在于，所述聚焦减束光路***（2）和环形光光路***（3）安装固定在相同的套筒中。