CN112630307A - 一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置及检测方法 - Google Patents

一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置及检测方法，装置包括阵元模块和紧固组件；所述的阵元模块含有一组激励传感器和接收传感器，根据检测的需要自由组合阵元模块的数量，并通过紧固组件将若干阵元模块固定在待检测管道外壁上，每个阵元模块的信号线束均与信号传感与信号处理***连接，通过一次回波信号每个阵元通道的时延计算聚焦信号每个阵元通道的时延，实现导波信号的聚焦。本发明装置结构配置灵活，可定制度高，能够针对不同的检测需要迅速地调整安装配置，适用于不同大直径地管道。

Description

一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其是涉及一种管道结构损伤检测装置和检测方法。
背景技术
随着我国城镇化建设的推进和绿色低碳循环发展经济体系的建立，管网***作为我国经济建设中的重要一环，其规模也在不断扩大，这给管道***结构健康监控带来了巨大的挑战。超声导波无损检测技术是一种长距离、大范围结构快速扫查技术，具有单次单点激励、全截面覆盖检测、检测距离长、检测效率高等优点，在检测管件、杆件、薄板、轨道等工程结构上得到了广泛的应用。
传统的超声导波检测的单一通道信号不能实现导波传播的定向控制，只能无差别地在周向激发特定能量大小、模态的导波，存在对小缺陷表征能力较差的问题，无法适应小缺陷、缺陷分布复杂的情况。相控超声导波检测技术是在原有的单通道超声导波检测技术的基础上，借鉴传统相控超声检测技术发展出来的一种新兴检测技术。通过控制阵列换能器和导波场相控激励各阵列元延时、振幅参数，能够实现波束聚焦、频率扫描、模态扫描等功能，在提高缺陷检测的分辨率的同时，提高缺陷辨识的成功率，大幅提高管道检测的适应性。
目前市场商用多通道导波相控阵***价格昂贵，设备的硬软件高度集成化，检测阵列元难以灵活增减以适应不同直径大小的管道，用户的客制化需求难以实现，在不同使用环境下，检测准确度与检测效率大打折扣。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现对管道结构进行高灵敏度、快速、准确地主动检测的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，包括一组阵元模块和紧固组件，所述阵元模块包括壳体、信号线束，以及一对伸缩方向与管道轴向一致的压电陶瓷，所述压电陶瓷包括激励传感器、接收传感器，激励传感器和接收传感器嵌入壳体底面，并分别连接信号线束，从而隔绝外部环境的影响，保证设备和信号的可靠性、稳定性，阵元模块周向均匀布置在管道外壁上，并由紧固组件串连拼接。可以通过调整阵元模块的数量及布置间距，产生所需要激发的不同模态的超声导波，以及对超声导波聚焦的不同需求。
模块化可选阵元很大程度上提高了针对不同管径安装的灵活性，适用于不同直径的管道。该检测装置基于相控阵列元聚焦技术以及可以一次性覆盖整个导波结构的超声导波检测技术相结合，实现导波能量聚焦在管道周向任意位置聚焦，可对管道结构进行高灵敏度、快速、准确地主动检测。
进一步的，一组所述阵元模块中包括设有紧固棘轮转轮的零号模块，紧固组件一端与零号模块连接，包覆阵元模块后，另一端与紧固棘轮转轮配合设置，通过旋转紧固棘轮转轮涨紧紧固组件，使每个阵元模块都能紧密贴合在管道外壁上，保证检测装置稳定性，防止松动。
进一步的，所述紧固组件包括柔性有机材料织物和柔性齿条，通过柔性有机材料织物围绕并包裹阵元模块，使阵元模块紧贴管道，柔性齿条与紧固棘轮转轮配合设置，通过旋转紧固棘轮转轮涨紧紧固组件。
进一步的，所述阵元模块上部设有安装吊耳，用于穿插紧固组件，方便紧固组件的安装及安装后各阵元模块位置的固定，防止在管道轴向上的位移。
进一步的，所述信号线束包括激励信号线束和接收信号线束，通过有屏蔽层的线缆引出，分别与信号传感与信号处理***连接。
进一步的，所述阵元模块与管道外壁之间涂敷超声波耦合剂，激励传感器与接收传感器通过超声波耦合剂与管道外壁接触，保证能量转换的效率最大化。
一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测方法，采用一组周向均匀布置在管道外壁上的阵元模块，所述阵元模块包括一对伸缩方向与管道轴向一致的压电陶瓷，分别为激励传感器、接收传感器，检测方法包括如下步骤：
S1，根据计算待检测管道的导波频散特性，选取导波激发参数；
S2，一次信号激发，信号传感与信号处理***对一组阵元模块进行第一次信号输入，由激励传感器激发的超声导波，沿管道扫查；
S3，一次信号采集，当超声导波遇到缺陷时产生反射回波，接收传感器采集由一次信号激发产生的超声导波回波，并将数据传入信号传感与信号处理***；
S4，一次信号时反处理，信号传感与信号处理***对获取的一次反射信号采用变分模态分解的方法进行滤波，并对滤波后的信号进行时间反转处理；
S5，二次信号激发，将一次信号时反处理后的信号，重新加载在该组阵元模块上，进行导波聚焦；
S6，二次信号采集，接收传感器采集由二次信号激发产生的超声导波回波，并将数据传入信号传感与信号处理***，完成管道的缺陷检测或者结构健康监测。
进一步的，所述步骤S1的具体内容，根据待测管道的几何尺寸，材料力学参数，计算导波L模态的频散曲线，选取导波激发参数。
进一步的，所述步骤S2中信号传感与信号处理***控制多通道信号发生器所有通道产生一定频率的一致信号，经过多通道功率放大器进行放大后施加到激励传感器上，激励出第一次L模态非聚焦的超声导波，激励出的超声导波沿着管道轴向传播；所述步骤S4中，信号传感与信号处理***对信号施加时间反转窗，将滤波后的信号截取等同于一次激励信号时长的缺陷波包，对其施加时间反转窗，并对每一通道信号幅值归一化。
进一步的，所述步骤S5的导播聚焦，是将时间反转处理后的信号加载至一次信号采集的对应通道，得益波导介质的互易性，时延信号在每个通道分别激发，导波能量在缺陷处聚焦。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明的装置通过可调节的阵元模块和紧固组件涨紧的方法，降低了安装难度，提高了检测装置针对不同管道直径适用性，能够针对现场检测环境以及要求做出灵活调整，客制化能力大大提高；可产生多通道激励的导波信号，在管道周向上任意位置能够实现导波能量的聚焦，提高了管道检测中微小结构损伤实验的检测效率，获取更多的缺陷回波信息。
利用本发明信号处理识别方法，能够准确地对回波信号进行识别判断，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。
附图说明
图1是本发明的压电陶瓷极化方向示意图。
图2是本发明的压电陶瓷激励相控阵和压电陶瓷接收阵布置方向示意图。
图3是本发明的检测装置安装示意图。
图4是本发明的检测装置组件构成示意图
图5是本发明的阵元模块阵列方式示意图。
图6是本发明的零号模块侧面结构透视图。
图7是本发明的紧固组件结构示意图。
图8是本发明的阵元模块与信号传感与信号处理***连接示意图。
图中：1、阵元模块；11、壳体；12、信号线束；13、接收传感器；14、激励传感器；15、零号模块；151、紧固棘轮转轮2、紧固组件；21、柔性齿条；22、柔性有机材料织物；3、管道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1-3所示，一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，包括阵元模块1，紧固组件2。阵元模块1根据检测需要均匀布置在一管道3外壁上，并在其中涂敷超声波耦合剂。
如图4所示，模块化安装的压电陶瓷传感器相控阵列，每阵元模块1包括一对沿长度方向伸缩的压电陶瓷，伸缩方向与管道轴向一致，分别为激励传感器14和接收传感器13，激励传感器14负责激发超声导波信号，接收传感器13负责传回反射信号。激励传感器14与接收传感器13通过耦合剂与管道3外壁接触保证能量转换的效率最大化；每对传感器嵌入有机材料制成的壳体11中，分别连接信号线束12，隔绝外部环境的影响，保证设备和信号的可靠性、稳定性。
如图5-7所示，紧固组件2穿过每个阵元模块1的吊耳，并通过旋转零号模块15上的紧固棘轮转轮151涨紧整个装置，使每个阵元模块1都能紧密贴合管道3。可以通过调整阵元模块1的数量以及，布置间距，来产生所需要激发的不同模态的超声导波，以及对超声导波聚焦的不同需求。
如图8所示，阵元模块1上的信号线束12，包含激励信号线束和接收信号线束，通过有屏蔽层的线缆引出，与信号传感与信号处理***连接。
所述信号传感与信号处理***，功能包含：计算待测管道导波频散曲线，控制多通道信号发生器各个通道的激发状态，接收超声导波接收传感器信号，滤波与反转信号，重激发聚焦信号等功能。
在上述技术方案的基础上，本发明进一步公开了一种基于时间反转聚焦超声导波检测管道方法，包括：
（1）根据待测管道的直径以及检测精度的要求，选用一定数量的阵元模块1，紧固组件2穿过每个阵元模块1的吊耳，并通过旋转零号模块15上的紧固棘轮转轮151涨紧整个装置，使每个阵元模块1都能紧密贴合管道3。每一阵元模块1上的信号线束12，包含激励信号线束和接收信号线束，通过有屏蔽层的线缆引出，与信号传感与信号处理***的每一通道连接。
（2）一次信号激发。计算机控制多通道信号发生器所有通道产生一定频率的一致信号，经过多通道功率放大器进行放大后施加到压电陶瓷超声导波激励相控阵元激励传感器14上，激励出第一次L模态非聚焦的超声导波，激励出的超声导波沿着管道轴向传播。
（3）一次信号采集。当超声导波遇到缺陷时产生反射回波，被压电陶瓷超声导波接收阵元接收传感器13接收捕捉，多阵元接收数据通过多通道信号采集卡进入计算机中进行滤波处理。
（4）对信号施加时间反转窗。对信号采用变分模态分解进行滤波，将滤波后的信号截取等同于一次激励信号时长的缺陷波包，最后对其施加时间反转窗并对每一通道信号幅值归一化。
（5）二次信号激励。计算机将时间反转后的信号加载至一次信号采集的对应通道，得益波导介质的互易性，时延信号在每个通道分别激发，导波能量在缺陷处聚焦。
（6）二次信号采集。同第三步。完成管道的缺陷检测或者结构健康监测。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，包括一组阵元模块（1）和紧固组件（2），其特征在于：所述阵元模块（1）包括壳体（11）、信号线束（12），以及一对伸缩方向与管道（3）轴向一致的压电陶瓷，所述压电陶瓷包括激励传感器（14）、接收传感器（13），激励传感器（14）和接收传感器（13）嵌入壳体（11）底面，并分别连接信号线束（12），阵元模块（1）周向均匀布置在管道（3）外壁上，并由紧固组件（2）串连拼接。
2.如权利要求1所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，其特征在于一组所述阵元模块（1）中包括设有紧固棘轮转轮（151）的零号模块（15），紧固组件（2）一端与零号模块（15）连接，包覆阵元模块（1）后，另一端与紧固棘轮转轮（151）配合设置，通过旋转紧固棘轮转轮（151）涨紧紧固组件（2）。
3.如权利要求2所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，其特征在于所述紧固组件（2）包括柔性有机材料织物（22）和柔性齿条（21），通过柔性有机材料织物（22）围绕并包裹阵元模块（1），柔性齿条（21）与紧固棘轮转轮（151）配合设置，通过旋转紧固棘轮转轮（151）涨紧紧固组件（2）。
4.如权利要求1所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，其特征在于所述阵元模块（1）上部设有安装吊耳，用于穿插紧固组件（2）。
5.如权利要求1所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，其特征在于所述信号线束（12）包括激励信号线束和接收信号线束，通过有屏蔽层的线缆引出，分别与信号传感与信号处理***连接。
6.如权利要求1所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测装置，其特征在于所述阵元模块（1）与管道（3）外壁之间涂敷超声波耦合剂，激励传感器（14）与接收传感器（13）通过超声波耦合剂与管道（3）外壁接触。
7.一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测方法，其特征在于采用一组周向均匀布置在管道（3）外壁上的阵元模块（1），所述阵元模块（1）包括一对伸缩方向与管道（3）轴向一致的压电陶瓷，分别为激励传感器（14）、接收传感器（13），检测方法包括如下步骤：
S1，根据计算待检测管道（3）的导波频散特性，选取导波激发参数；
S2，一次信号激发，信号传感与信号处理***对一组阵元模块（1）进行第一次信号输入，由激励传感器（14）激发的超声导波，沿管道（3）扫查；
S3，一次信号采集，接收传感器（13）采集由一次信号激发产生的超声导波回波，并将数据传入信号传感与信号处理***；
S4，一次信号时反处理，信号传感与信号处理***对获取的一次反射信号采用变分模态分解的方法进行滤波，并对滤波后的信号进行时间反转处理；
S5，二次信号激发，将一次信号时反处理后的信号，重新加载在该组阵元模块（1）上，进行导波聚焦；
S6，二次信号采集，接收传感器（13）采集由二次信号激发产生的超声导波回波，并将数据传入信号传感与信号处理***。
8.如权利要求7所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测方法，其特征在于所述步骤S1的具体内容，根据待测管道（3）的几何尺寸，材料力学参数，计算导波L模态的频散曲线，选取导波激发参数。
9.如权利要求7所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测方法，其特征在于所述步骤S2中信号传感与信号处理***控制多通道信号发生器所有通道产生一定频率的一致信号，经过多通道功率放大器进行放大后施加到激励传感器（14）上，激励出第一次L模态非聚焦的超声导波，激励出的超声导波沿着管道轴向传播；所述步骤S4中，信号传感与信号处理***对信号施加时间反转窗，将滤波后的信号截取等同于一次激励信号时长的缺陷波包，对其施加时间反转窗，并对每一通道信号幅值归一化。
10.如权利要求9所述的一种模块化阵元压电陶瓷超声导波检测方法，其特征在于所述步骤S5的导播聚焦，是将时间反转处理后的信号加载至一次信号采集的对应通道，得益波导介质的互易性，时延信号在每个通道分别激发，导波能量在缺陷处聚焦。
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