CN105044216A - 一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，包括：采用同侧激励的非线性混频损伤检测信号对非金属管道损伤实现双通道激励－单通道接收探测；根据群速度大小，选取合适的高频和低频频率组成混频激励信号；采用EMD对接收信号实现分解，包含主要信号的本征模态分量作为重组信号；对重组信号进行归一化处理，采用HHT求出各个延时信号的瞬时频率与瞬时幅值；根据非线性声波调制原理与非线性声波损伤定位方法求出损伤所在位置。

Description

一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法

技术领域

本发明涉及测试测量技术及结构健康监测领域，尤其涉及一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法。

背景技术

非金属管道近年来发展迅速，在国内的应用范围越来越广。非金属管道在国外广泛应用于城市供排水、化工生产、热水供应、供热采暖，燃气传送等领域。伴随着非金属管道行业的不断发展，对于非金属管道检测手段却得不到改善。对于非金属管道，大部分经典的无损检测方法并不能够对非金属管道损伤进行探伤检测，超声检测领域在非金属管道上的应用一直成为国内外关注重点。由于非金属管道本身材料特性的限制，对超声检测相比对其他材料的超声检测，具有一定的技术难度。因此对非金属管道的超声检测应用进行研究是极为重要的。

力学、声学和材料学领域的研究进展发现，结构内部疲劳损伤和疲劳裂纹引起的力学性能改变通过非线性声方法能够得到很好的反映，即使是非常小的损伤，也会导致结构出现明显的非线性。非线性声方法是利用声波在结构中传播时介质或损伤与其相互作用所表现出来的非线性特征进行材料性能评估或损伤识别，本质上反映的是材料损伤或损伤对介质非线性的影响。利用频率分量及其幅值变化，可以检测和识别结构损伤。当单次谐波穿过材料，会出现高次谐波现象。当在多个不同单次谐波而形成波动中，非线性材料会出现有不同频率之间的调幅及调频现象。这是和非线性超声高阶谐波类似的现象，非线性调幅和调频现象是材料非线性的另一种表现形式，在频谱上表现为能量的重新分配。材料内产生的损伤为微小损伤时，非线性调幅现象尤其明显，因此非常有利于损伤的检测。

经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition，简称EMD)方法被认为是继傅立叶变换为基础的线性和稳态频谱分析的一个重大突破，该方法是依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无须预先设定任何基函数。EMD方法在理论上可以应用于任何类型的信号的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，具有非常明显的优势,适合于分析非线性、非平稳信号序列，具有很高的信噪比。该方法的关键是经验模式分解，它能使复杂信号分解为有限个本征模态函数(IntrinsicModeFunction，简称IMF)，所分解出来的各IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信号。对每一个IMF进行Hilbert变换(希伯特变换)，得到相应的Hilbert谱，继而可求取每一个IMF的瞬时频率与瞬时幅值。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法。

本发明采用如下技术方案：

一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，包括如下步骤：

S1根据非金属管道纵向模态的群速度，得到理论频散曲线，选取高频信号和低频信号构成混频损伤检测信号，并获取待测管道上该高频信号和低频信号的实际群速度；

S2采用同侧激励的非线性混频损伤检测信号对非金属管道损伤实现双通道激励－单通道接收探测，在高频信号中增加延时构成多组非线性混频损伤检测信号；

S3采用经验模态分解方法对接收信号实现分解，选取包含非金属管道裂纹所产生的非线性分量的本征模态进行信号重构；

S4对重构信号进行归一化处理，采用希尔伯特黄变换求出各个延时信号的瞬时频率与瞬时幅值；

S5根据非线性声波调制原理与非线性声波损伤定位方法求出损伤所在位置。

所述S1中，利用空心圆柱体的导波频散曲线计算得到非金属管道的理论频散曲线，根据频散曲线中的L(0,2)曲线分别确定构成非线性混频损伤检测信号的低频信号与高频信号的群速度，低频信号群速度为高频信号群速度的三分之二，然后利用导波在不同频率的群速度不同的特点，从而决定高频信号与低频信号用作混频损伤检测信号的频率。

所述S1中通过超声应力波测速仪对待测非金属管道的高频信号与低频信号群速度进行测定。

所述S2还包括根据群速度不同的特点，低频信号不需设定延时，在高频信号设定一个固定的延时步长，通过非线性混频损伤检测信号中的高频信号施加按固定延时步长增加的延时时间，构成多组具有不同延时时间的非线性混频损伤检测信号。

所述S2中混频激励信号通过混频激励传感器发送，单通道接收信号通过接收信号传感器接收；利用压电传感器激励超声导波，通过导波对待测非金属管道损伤进行穿透式探测，穿透式导波作为非线性混频损伤检测信号的载体携带损伤信息传送到接收传感器；

所述混频激励传感器布置在待测非金属管道的左侧，接收信号传感器布置在待测非金属管道的右侧，所述混频激励传感器由高频分量发射传感器及低频分量发射传感器构成。

首先对具有不同延时的非线性混频检测接收信号进行高通滤波，除去混频信号中的低频信号与工频噪声，然后对滤波后信号实现EMD分解，通过傅里叶变换对EMD分解结果实现频谱分析，选取包含非金属管道裂纹所产生的非线性分量的本征模态进行信号重构。

根据S2中设定的高频信号的延时步长，对应步长增加高频信号的延时的重构信号，在高频信号的总延时范围内，获取对于不同延时信号的瞬时幅值与瞬时频率。

所述S5具体为：采用非线性声波损伤定位法，对于所用不同延时的非线性混频检测接收信号，通过对比判断所用延时最大瞬时幅值，获取其对应的延时时间，然后结合固定延时步长与高频与低频信号的群速度，计算出损伤在待测管道的位置。

求出非金属管道损伤所在位置的公式具体为：

$l=\frac{v_A{v}_B{T}_{max}+v_A{l}_{AB}}{v_A-v_B}$

其中，l为实际检测中所计算出裂纹损伤区域到高频分量发射传感器的距离,T_max为对应最大非线性瞬时幅值的某一延时时间，v_A为高频信号的实际群速度，v_B为低频信号的实际群速度；

高频分量发射传感器及低频分量发射传感器的距离l_AB，接收信号传感器与高频分量发射传感器距离为l_R，假设裂纹损伤在离高频分量发射传感器距离为l。

所述混频损伤检测信号由一个高频信号和一个低频信号构成。

本发明的有益效果：

通过采用主动穿透式导波进行非金属管道损伤进行检测，实现了对声波传播速度慢，导波衰减严重的非金属管道进行有效、准确的损伤检测；

通过非线性导波混频检测方法，结合EMD与HHT信号处理方法，采用双通道激励－单通道接收***即可进行损伤检测；

通过非线性混频激励信号施加延时，按固定步长增加延时大小，获取其非线性分量的规律，结合信号群速度从而得到信号延时时刻来实现损伤定位。

附图说明

图1是非金属损伤检测方法流程图；

图2是非线性混频检测法压电传感器在非金属管道上的布置示意图；

图3是频散图线计算软件得到的非金属纵向模态频散曲线；

图4是某一延时采集信号经过高通滤波器与EMD分解后的本征模态；

图5是对应图4各个本征模态的傅里叶变换示意图；

图6是经过选取本征模态重组的信号；

图7是HHT获取的通过归一化瞬时幅值的示意图。

图8是HHT获取的通瞬时频率的示意图。

图9是对应全部延时的非线性旁瓣分量瞬时幅值示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

参见图1，本实施例提供了一种非金属损伤检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤10根据群速度大小，选取合适的高频和低频频率组成非线性混频损伤检测信号；

如图3所示，利用计算空心圆柱体的导波频散曲线计算软件得到非金属管道的理论频散曲线，根据频散曲线中的L(0,2)曲线确定非线性混频损伤检测信号中的低频信号与高频信号对应的群速度，而且需满足低频信号群速度为高频信号群速度的三分之二；得到高频与低频信号的理论值后，通过超声应力波测速仪获取待测管道上的低频与高频信号的群速度实际值。

步骤20，采用同侧激励的非线性混频损伤检测信号对非金属管道损伤实现双通道激励－单通道接收探测；

如图2，采用主动穿透式导波探测技术以及非线性调制导波技术，发射与接收传感器均使用正逆压电效应的PZT换能器，激励信号采用具有一低频信号与一高频信号组成的非线性混频损伤检测信号，如图2中A是高频分量发射传感器，B是低频分量发射传感器，混频发射换能器由高频分量发射传感器与低频分量发射传感器构成，且通过环氧树脂胶布置非金属管道左侧，接收信号传感器(如图2中R)布置在非金属管道的右侧，对非金属损伤检测时，通过双通道激励－单通道接收探测。对于用于检测非金属管道的非线性混频损伤检测信号，高频信号中需增加一定延时，延时按固定延时步长增加，从而与低频信号构成多组混频检测信号。

当超声波在非线性介质上传播时，其波形会产生失真与变形，而非线性调制现象是材料非线性特性中的一种形式，在频谱上表现为能量的重新分配。

仅对于信号的幅值调制，有c(t)＝Csin(ω_ct)和把m(t)代入到c(t)的幅值M中称为幅值调制，可得调幅后信号是，

假设输入混频信号为u⁽⁰⁾(x,t)＝A₀₁cos(ω₁τ)+A₀₂cos(ω₂τ)，根据非线性调制原理，混频信号经过裂纹损伤，接收信号包含高频分量、低频分量、非线性调制分量以及非线性谐波分量，非线性调制分量分为幅值调制与频率调制，参见(2)所示，

$\begin{array}{c}u(x,t)=u^{\left(0\right)}+{\mathrm{\βu}}^{\left(1\right)}\\ =A_{01}\cos \left({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\right)+A_{02}\cos \left({\mathrm{\ω}}_2\mathrm{\τ}\right)+x\mathrm{\β}\{-\frac{A_{01}^2{k}_1^2}{8}\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_t\mathrm{\τ}\right)\\ -\frac{A_{02}^2{k}_2^2}{8}\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_2\mathrm{\τ}\right)+\frac{A_{01}{A}_{02}{k}_1{k}_2}{4}\[\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)\mathrm{\τ}-\cos ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)\mathrm{\τ}\]\}\end{array}---\left(2\right)$

从不同频率分布的角度看，上式中包含原来ω₁与ω₂的频率，同时有2ω₁与2ω₂，以及和频ω₁+ω₂和差频ω₁-ω₂。

步骤30，采用EMD(经验模态分解)对接收信号实现分解，包含主要信号的本征模态(IMF)分量作为重构信号；

为了EMD分解能够更好地实现，对于非线性混频损伤检测信号，首先对其各个不同延时信号进行高通滤波，除去混频信号中的低频信号与工频噪声，然后对滤波后信号实现EMD分解，如图4为某一延时信号的EMD分解结果，通过傅里叶变换对EMD分解结果实现频谱分析，如图5为图4EMD分解结果的傅里叶变换，选取包含混频信号调制第一旁瓣频率，即非金属管道裂纹所产生的非线性分量的本征模态进行信号重构，如图6。

步骤40对重构信号进行归一化处理，采用HHT(希尔伯特黄变换)求出各个延时信号的瞬时频率与瞬时幅值；

重构信号先实现归一化处理，通过HHT求出不同延时的重构信号其对应的瞬时频率与瞬时幅值，如图7为步骤40的重构信号得到的瞬时频率，如图8为其瞬时幅值。每个本征模态都可以看作是一个单分量信号，代表了信号一个固有的振动模态，在每一时刻只有单一频率成份，从而使得瞬时频率具有物理意义。满足本征模态定义的单分量信号可以表示成如下调幅-调频的形式，

其中a(t)和分别为随时间变化的幅值和相位，即瞬时幅值与瞬时频率。

步骤50根据非线性声波调制原理与非线性声波损伤定位方法求出损伤所在位置。

参见图9，采用非线性声波同侧激励混损伤定位法，图9中虚线圈中的是调制频率对应第一旁瓣频率对应的瞬时幅值，其值为全部延时信号中的最大值，获知是第几个延时信号，结合固定延时步长与高频信号与低频信号群速度，计算出损伤在管道上的位置。

参见图2中，高频分量发射传感器A、低频分量发射传感器B固定在待检测非金属管道一侧，接收信号传感器R固定同一直线上的在另一侧，高、低频分量发射传感器A、B之间距离为l_AB，接收信号传感器与高频分量发射传感器A距离为l_R，裂纹损伤区域C。假设裂纹损伤区域C在离高频分量发射传感器A距离为L，根据上述原理，可得到推断损伤位置的公式如(4),

$\frac{L-l_{AB}}{v_B}=\frac{L}{v_A}+T_{max}---\left(4\right)$

其中，T_max为对应最大非线性瞬时幅值的某一延时时间，v_A为高频的群速度，v_B为低频信号的群速度。

假设待测管道裂纹损伤长度为l，l为实际检测中所计算出裂纹损伤区域C到高频发射传感器A的距离，根据公式(4)可得公式(5)，利用公式(5)能够求出裂纹损伤长度l。

$l=\frac{v_A{v}_B{T}_{max}+v_A{l}_{AB}}{v_A-v_B}---\left(5\right)$

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1根据非金属管道纵向模态的群速度，得到理论频散曲线，选取高频信号和低频信号构成混频损伤检测信号，并获取待测管道上该高频信号和低频信号的实际群速度；

S2采用同侧激励的非线性混频损伤检测信号对非金属管道损伤实现双通道激励－单通道接收探测，在高频信号中增加延时构成多组非线性混频损伤检测信号；

S3采用经验模态分解方法对接收信号实现分解，选取包含非金属管道裂纹所产生的非线性分量的本征模态进行信号重构；

S4对重构信号进行归一化处理，采用希尔伯特黄变换求出各个延时信号的瞬时频率与瞬时幅值；

S5根据非线性声波调制原理与非线性声波损伤定位方法求出损伤所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，其特征在于，利用空心圆柱体的导波频散曲线计算得到非金属管道的理论频散曲线，根据频散曲线中的L(0,2)曲线分别确定构成非线性混频损伤检测信号的低频信号与高频信号的群速度，低频信号群速度为高频信号群速度的三分之二，然后利用导波在不同频率的群速度不同的特点，从而决定高频信号与低频信号用作混频损伤检测信号的频率。

3.根据权利要求1所述的一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，其特征在于，所述S1中通过超声应力波测速仪对待测非金属管道的高频信号与低频信号群速度进行测定。

4.根据权利要求1所述的一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，其特征在于，所述S2还包括根据群速度不同的特点，低频信号不需设定延时，在高频信号设定一个固定的延时步长，通过非线性混频损伤检测信号中的高频信号施加按固定延时步长增加的延时时间，构成多组具有不同延时时间的非线性混频损伤检测信号。

5.根据权利要求1所述的一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法，其特征在于，所述S2中混频激励信号通过混频激励传感器发送，单通道接收信号通过接收信号传感器接收；利用压电传感器激励超声导波，通过导波对待测非金属管道损伤进行穿透式探测，穿透式导波作为非线性混频损伤检测信号的载体携带损伤信息传送到接收传感器；

所述混频激励传感器布置在待测非金属管道的左侧，接收信号传感器布置在待测非金属管道的右侧，所述混频激励传感器由高频分量发射传感器及低频分量发射传感器构成。

6.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于，所述S3具体为，首先对具有不同延时的非线性混频检测接收信号进行高通滤波，除去混频信号中的低频信号与工频噪声，然后对滤波后信号实现EMD分解，通过傅里叶变换对EMD分解结果实现频谱分析，选取包含非金属管道裂纹所产生的非线性分量的本征模态进行信号重构。

7.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于，所述S4具体为：根据S2中设定的高频信号的延时步长，对应步长增加高频信号的延时的重构信号，在高频信号的总延时范围内，获取对于不同延时信号的瞬时幅值与瞬时频率。

8.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于，所述S5具体为：采用非线性声波损伤定位法，对于所用不同延时的非线性混频检测接收信号，通过对比判断所用延时最大瞬时幅值，获取其对应的延时时间，然后结合固定延时步长与高频与低频信号的群速度，计算出损伤在待测管道的位置。

9.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于，求出非金属管道损伤所在位置的公式具体为：

$l=\frac{v_A{v}_B{T}_{max}+v_A{l}_{AB}}{v_A-v_B}$

其中，l为实际检测中所计算出裂纹损伤区域到高频分量发射传感器的距离,T_max为对应最大非线性瞬时幅值的某一延时时间，v_A为高频信号的实际群速度，v_B为低频信号的实际群速度；

高频分量发射传感器及低频分量发射传感器的距离l_AB，接收信号传感器与高频分量发射传感器距离为l_R，假设裂纹损伤在离高频分量发射传感器距离为l。

10.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于，所述混频损伤检测信号由一个高频信号和一个低频信号构成。