CN110646512A - 单通道双向收发超声导波管道监测***与成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超声导波阵列管道缺陷成像检测***与成像方法，具有监测距离长、***结构简单、功耗低、成像精度高优点。其一，在管道上布置一个环形激励传感器阵列与两个环形接收传感器阵列，接收环阵位于激励环阵两侧，双向同时接收超声导波信号，实现激励环阵的双向同时监测，大大提高了监测距离、降低***成本；其二，激励环阵阵元依次激励，两侧接收环阵依次循环接收超声导波信号，在监测过程中只需要维持一个激励阵元和两个接收阵元工作，简化***的硬件配置，在低功耗状态运行，实现长时间在线监测；其三，采集到的全矩阵数据，结合全波形反演、合成孔径聚焦和全聚焦等算法对管道监测区域进行成像，实现管道腐蚀等缺陷的定位和定量监测。

Description

单通道双向收发超声导波管道监测***与成像方法
技术领域
本发明涉及超声导波检测技术领域，更具体地，涉及一种单通道双向收发超声导波管道监测***与成像方法。
背景技术
管道作为五大主流运输工具之一，在液体、气体、二相流等货物运输中起举足轻重的作用。管道运输具有高效、稳定、安全等优势，广泛运用于石油、天然气、化工地领域。经过几十年的发展，我国已经形成了贯穿南北、横跨东西的管道运输网络，极大地协调能源分布不均的状况和推动东西部经济的协同发展。但是管道无时不刻地暴露在各种各样的环境中，各种破坏形式都在进行，例如化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀、疲劳破坏、氢致裂纹、磨损、变形等，这给管道的正常运营埋下安全隐患。
传统的无损检测方法有漏磁法、射线法、涡流法、磁粉探伤法等，这些方法要求沿着管道逐点检测，对于庞大的管道***，耗时的检测方法必然要占用巨大的检测成本，而且对工作环境的要求比较苛刻，无法使设备到达难以接近的区域。
超声导波在管道的传播过程中，遇到各种不同类型的缺陷，都会发生反射，在这些反射的声信号中往往包含着管道特征信息，因此超声导波可以用来探伤。并且，超声导波在管道中传播的能量衰减速度慢，因而可以在长距离管道中传播，这也为超声导波作为检测管道缺陷提供有力支持。另外，由于声场遍及整个壁厚，因此整个管道的缺陷信息都囊括在内，通过对反射信号进行处理，提取其中有关的缺陷信息，从而对管道缺陷进行分析和评定。
目前，利用超声导波进行无损检测已经取得一定的研究成果。CN201710190196.9中叙述了基于超声导波的管道缺陷成像方法，其原理是激励所有阵元，接收阵元接收回波信号，利用小波技术对接收信号进行去噪，对去噪处理后的数据进行傅里叶变化，得到离散频率的角谱，叠加有效谱带内的角谱数据，再通过傅里叶逆变换将频域数据转化为时域数据，最终把时域数据进行成像显示。所用的环形传感器内嵌激励和接收单元，结构上得到简化，但大大缩短了检测距离。所有阵元同时激励，虽然提高了检测的效率，但得到的导波信号的信息量不如全矩阵数据完整，成像质量受到一定程度的影响。CN201811347686.6中叙述了一种电磁超声监测传感器安装点的管道表面缺陷检测方法，其原理是永磁铁提供静磁场，线圈通以交流电，处于交变磁场中的被测金属导体，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中受到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，传感器会同时检出由脉冲涡流和电磁超声组成的复合信号，再利用滤波器将两者分离，实现对减薄缺陷的实时检测。该方法具有不需要耦合剂、可透过包覆层等优点，但其检测对象仅限于金属导体，传感器能量转换效应低，易受电磁场干扰。CN201510398585.1叙述了厚壁管道超声检测装置及方法，通过同时使用用于检测轴向缺陷的平向探头和用于检测周向缺陷的叙向探头，达到降低缺陷漏检率和提高检测效率的目的，但它无法实现缺陷的可视化检测，因此要求检测人员具备相当的专业知识，而且检测过程不断地移动传感器，操作不便、需多人配合。
发明内容
本发明提供一种单通道双向收发超声导波管道监测***与成像方法，优化环形传感器阵列的布置方式和发射接收模型，大大提高监测的距离和精度。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种单通道双向收发超声导波管道监测***，包括环形激励传感器阵列、第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列、信号发生模块、信号采集和传输模块、数据处理模块，其中：
环形激励传感器阵列周向环绕安装在被检测管道上，在被检测管道上环形激励传感器的两侧分别周向环绕安装第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列，环形激励传感器阵列与信号发生模块相连，信号发生模块产生信号并通过环形激励传感器阵列生成超声导波信号，所述超声导波信号沿被检测管道传输并被两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接收，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列将接受的超声导波信号通过信号采集和传输模块采集并传输至数据处理模块中，数据处理模块根据超声导波信号生成被检测管道的超声图像。
两侧各放置环形接收传感器阵列接收超声导波信号，实现一点激励双向同时监测的作用，使监测距离提高为单侧监测的两倍，降低检测费用。
优选地，所述环形激励传感器阵列包括若干激励阵元，所述若干激励阵元以干耦合形式并在圆周上均匀间隔排列贴合于管道外壁。
优选地，所述激励阵元为机电转化效率高的接触式干耦合压电探头，该探头无需添加耦合剂，且能高效地激发沿管道轴向双向传播的超声导波。
优选地，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列均包括与环形激励传感器阵列相同数量的接收阵元。
优选地，所述接收阵元为超声传感器，所述超声传感器为压电传感器等有源传感器或布拉格光栅或压阻传感器等无源传感器。
优选地，激励阵元与接收阵元在管道周向上一一对应，同一周向位置的三个阵元共线。
优选地，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接收超声导波信号时，激发环形激励传感器阵列的第一个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列的接收阵元依次按顺序接收导波信号，直到两个接收阵列所有阵元都采集到相应位置的超声导波信号；接着激发第二个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列按同样的方式采集所有超声导波信号，依次循环，直到所有激励阵元都激发一次，每个环形接收传感器一共采集超声波导数据N*N组，从而实现了管道的全矩阵数据采集。
优选地，还包括功率放大模块和前置放大模块，所述功率放大模块将信号发生模块产生的信号发大后输入至环形激励传感器阵列，所述前置放大模块将第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接受到的超声导波信号发大后输入信号采集与传输模块。
一种单通道双向收发超声导波管道成像方法，所述成像方法用于上述所述的监测***上，具体过程为：
数据处理模块根据超声导波信号生成被检测管道的超声图像，基于全波形反演、合成孔径聚焦和全聚焦技术进行数据处理和图像重构，得到被检测管道的超声图像。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过两侧放置的环形接收传感器阵列接收超声导波信号，实现一点激励双向同时监测的作用，使监测距离提高为单侧监测的两倍，监测距离长；根据超声导波信号获得的管道全矩阵数据，基于全波形反演、合成孔径聚焦和全聚焦技术进行数据处理和图像重构，成像精度高。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图。
图2为环形传感器阵列的阵元分布示意图。
图3为本发明的环形传感器阵列激励和接收过程。
图4为本发明生成超声图像的流程示意图。
图中，1为前置放大模块，2为信号采集和传输模块，3为数据处理模块，4-1为第一环形接收传感器阵列，4-2为第二环形接收传感器阵列，5为环形激励传感器阵列，6为被检测管道，7为功率放大模块，8为信号发生模块。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种单通道双向收发超声导波管道监测***，如图1，包括环形激励传感器阵列5、第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2、信号发生模块8、信号采集和传输模块2、数据处理模块3、功率放大模块7和前置放大模块1，其中：
环形激励传感器阵列5周向环绕安装在被检测管道6上，在被检测管道6上环形激励传感器的两侧分别周向环绕安装第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2，环形激励传感器阵列5与信号发生模块8相连，信号发生模块8产生信号并通过环形激励传感器阵列5生成超声导波信号，所述超声导波信号沿被检测管道6传输并被两侧的第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2接收，所述第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2将接受的超声导波信号通过信号采集和传输模块2采集并传输至数据处理模块3中，数据处理模块3根据超声导波信号生成被检测管道6的超声图像，所述功率放大模块7将信号发生模块8产生的信号发大后输入至环形激励传感器阵列5，所述前置放大模块1将第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2接受到的超声导波信号发大后输入信号采集与传输模块。
两侧各放置环形接收传感器阵列接收超声导波信号，实现一点激励双向同时监测的作用，使监测距离提高为单侧监测的两倍，降低检测费用。
所述环形激励传感器阵列5包括若干激励阵元，所述若干激励阵元以干耦合形式并在圆周上均匀间隔排列贴合于管道6外壁。
所述激励阵元为机电转化效率高的接触式干耦合压电探头，该探头无需添加耦合剂，且能高效地激发沿管道6轴向双向传播的超声导波。
所述第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2均包括与环形激励传感器阵列5相同数量的接收阵元。
所述接收阵元为超声传感器，所述超声传感器为压电传感器等有源传感器或布拉格光栅或压阻传感器等无源传感器。
激励阵元与接收阵元在管道6周向上一一对应，同一周向位置的三个阵元共线，如图2。
所述第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2接收超声导波信号时，如图3，激发环形激励传感器阵列5的第一个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2的接收阵元依次按顺序接收导波信号，直到两个接收阵列所有阵元都采集到相应位置的超声导波信号；接着激发第二个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2按同样的方式采集所有超声导波信号，依次循环，直到所有激励阵元都激发一次，每个环形接收传感器一共采集超声波导数据N*N组，从而实现了管道6的全矩阵数据采集。
还包括功率放大模块7和前置放大模块1，所述功率放大模块7将信号发生模块8产生的信号发大后输入至环形激励传感器阵列5，所述前置放大模块1将第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2接受到的超声导波信号发大后输入信号采集与传输模块。
数据处理模块3根据超声导波信号生成被检测管道6的超声图像，基于全波形反演、合成孔径聚焦和全聚焦技术进行数据处理和图像重构，得到被检测管道6的超声图像。
在具体实施过程中，一种单通道双向收发超声导波管道成像方法，如图4，全波形反演算法对提取出来的导波信号进行成像处理，由于受环形激励传感器阵列5，第一环形接收传感器阵列4-1和第二环形接收传感器阵列4-2的阵元数量限制，所采集的数据量并不满足成像的要求，基于此情况，采取数值线性插值的方法增加数据量。
弹性波动方程所得到的参考模型响应和第一环形接收传感器阵列4-1、第二环形接收传感器阵列4-2采集到的实际数据进行比较得到数据残差，在最小二乘意义下即L2范数定义目标函数，以最速下降法求取模型搜索方向G(k)，应用数值解法求得最佳步长α，对模型m(k+1)＝m(k)-α(k)G(k)进行迭代更新来获取模型参数m(k+1)，当模型参数m(k+1)在给定的迭代精度下使得目标函数最小化或迭代次数达到设定的最大次数时，退出迭代程序，通过频厚积和相速度的频散关系将速度图像转化为厚度图像，即得到服役管道6的超声图像，实现管道6腐蚀、疲劳裂纹、焊接裂缝等缺陷的定位及定量表征。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，包括环形激励传感器阵列、第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列、信号发生模块、信号采集和传输模块、数据处理模块，其中：
环形激励传感器阵列周向环绕安装在被检测管道上，在被检测管道上环形激励传感器的两侧分别周向环绕安装第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列，环形激励传感器阵列与信号发生模块相连，信号发生模块产生信号并通过环形激励传感器阵列生成超声导波信号，所述超声导波信号沿被检测管道传输并被两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接收，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列将接受的超声导波信号通过信号采集和传输模块采集并传输至数据处理模块中，数据处理模块根据超声导波信号生成被检测管道的超声图像。
2.根据权利要求1所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，所述环形激励传感器阵列包括若干激励阵元，所述若干激励阵元以干耦合形式并在圆周上均匀间隔排列贴合于管道外壁。
3.根据权利要求2所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，所述激励阵元为接触式干耦合压电探头。
4.根据权利要求3所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列均包括与环形激励传感器阵列相同数量的接收阵元。
5.根据权利要求4所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，所述接收阵元为超声传感器，所述超声传感器为压电传感器或布拉格光栅或压阻传感器。
6.根据权利要求4所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，激励阵元与接收阵元在管道周向上一一对应，同一周向位置的三个阵元共线。
7.根据权利要求6所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，所述第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接收超声导波信号时，激发环形激励传感器阵列的第一个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列的接收阵元依次按顺序接收导波信号，直到两个接收阵列所有阵元都采集到相应位置的超声导波信号；接着激发第二个激励阵元，两侧的第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列按同样的方式采集所有超声导波信号，依次循环，直到所有激励阵元都激发一次，每个环形接收传感器一共采集超声波导数据N*N组。
8.根据权利要求7所述的单通道双向收发超声导波管道监测***，其特征在于，还包括功率放大模块和前置放大模块，所述功率放大模块将信号发生模块产生的信号发大后输入至环形激励传感器阵列，所述前置放大模块将第一环形接收传感器阵列、第二环形接收传感器阵列接受到的超声导波信号发大后输入信号采集与传输模块。
9.一种单通道双向收发超声导波管道成像方法，其特征在于，所述成像方法用于权利要求1至8任一项所述的监测***上，具体过程为：
数据处理模块根据超声导波信号生成被检测管道的超声图像，基于全波形反演、合成孔径聚焦和全聚焦技术进行数据处理和图像重构，得到被检测管道的超声图像。
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