專利名稱：一種基于振動聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于振動聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測裝置及方法，屬于管道無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道作為生產(chǎn)系統(tǒng)、運輸和制造設(shè)備的重要組成部分，在機械、石油、化工、食品和城市供水等行業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，管道經(jīng)長期服役，由于使用環(huán)境惡劣等原因?qū)е聦?dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)損傷。這些損傷如不及時發(fā)現(xiàn)，很容易發(fā)生生產(chǎn)事故，給國家和人民造成重大損失。裂紋是管道主要的缺陷形式之一，經(jīng)常出現(xiàn)在管道焊接部位附近和彎角處。對于裂紋的檢測，目前傳統(tǒng)的超聲無損檢測方法是基于線性超聲原理的反射和衰減現(xiàn)象，對于開口裂紋傳統(tǒng)的超聲無損檢測方法可以很好的進行裂紋檢測。但是對于閉合裂紋，超聲波通過此種裂紋時并不會產(chǎn)生明顯的反射和衰減，導(dǎo)致傳統(tǒng)超聲檢測方法對閉合裂紋很難進行有效檢測。大量的理論分析和試驗研究表明，當(dāng)向一個試件中同時激勵頻率為&的連續(xù)低頻正弦振動和頻率為的連續(xù)高頻正弦超聲波時，如果試件中沒有裂紋則這兩列機械波不會發(fā)生振動聲調(diào)制現(xiàn)象，以各自獨立的頻率輸出；而如果試件中存在裂紋，由于低頻振動會使得管道中的裂紋出現(xiàn)張開和閉合的現(xiàn)象，從而使得這兩列機械波會發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象，使得高頻超聲波被低頻振動波互相調(diào)制，使接收信號中除了 fo和的頻率成分外，出現(xiàn)AinftlOi =1，2，3L)的頻率成分(如

圖1所示)。H F Hu等人對鋁板中閉合裂紋振動聲調(diào)制檢測方法進行了研究，提出在閉合裂紋處發(fā)生的振動聲調(diào)制現(xiàn)象主要包括幅值調(diào)制和頻率調(diào)制兩種，利用幅值調(diào)制信號對裂紋尺寸表征更為準確。所以如果要對裂紋尺寸進行表征，需要將幅值調(diào)制信號從原始接收信號中分離出來進行分析[H F Hu, W J Staszewski, N Q Hu, R B Jenal and G J Qin. Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis. Smart Materials And Structures· 2010，19 :1_10]。 焦敬品等在2009年34卷第3期《聲學(xué)學(xué)報》中發(fā)表了一篇關(guān)于振動聲調(diào)制與超聲導(dǎo)波相結(jié)合的接觸缺陷檢測研究的文章。利用振動聲調(diào)制技術(shù)與超聲導(dǎo)波技術(shù)相結(jié)合的方法，使用特定頻率高頻超聲脈沖信號在鋁板中產(chǎn)生對鋁板中的接觸類缺陷的檢測及定位方法做了研究。學(xué)者Dmitri Donskoy研究表明，目前常用的利用信號幅頻譜中旁瓣與主瓣之比MI表征裂紋不是很合適，在實際檢測中由于誤差的存在，很難對裂紋尺寸進行準確表 征[Dmitri， Alexander Ekimov, Emile Luzzato, Jean-Louis Lottiaux, Stanislav Stoupin andAndrei Zagrai. N-SCAN :New Vibro-Modulation System for Detection and Monitoring of Cracks and OtherContact-Type Defects. Smart Structures and Meterials. 2003，5057 :400-409]。
學(xué)者H F Hu提出利用頻率調(diào)制損傷系數(shù)(DIl)和幅值調(diào)制損傷系數(shù)(DI2)來表征裂紋尺寸，并通過試驗證明DI2會隨著裂紋尺寸的增加而線性增加，所以檢測中使用DI2表征裂紋尺寸會使得檢測結(jié)果較為準確[H F Hu, W J Staszewski, N Q Hu, R B Jenal and G J Qin. Crack detection using nonlinear acoustics and piezoceramic transducersinstantaneous amplitude and frequency analysis. Smart Materials And Structures. 2010，19 :1-10]DIl 和 DI2 的表達式如下所示
權(quán)利要求
1.一種基于振動聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測裝置，包括計算機(1)、函數(shù)發(fā)生器一 (2)和函數(shù)發(fā)生器二(3)、功率放大器一 G)、功率放大器二(5)、激振器(6)、加速度傳感器(7)、電荷放大器(8)、厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列一(9)和厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列二(10)、抗混疊濾波器(11)、數(shù)據(jù)采集卡(1 ；其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(1 與計算機(1) 連接；由函數(shù)發(fā)生器一( 和函數(shù)發(fā)生器二 C3)分別產(chǎn)生連續(xù)正弦信號；加速度傳感器(7) 粘在待測管道上，加速度傳感器(7)的輸出端口與電荷放大器(8)的輸入端口相連，電荷放大器(8)的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡(12)的CHl通道相連；函數(shù)發(fā)生器一(2)的輸出端口與功率放大器(5)的輸入端口相連，功率放大器(5)的輸出端口與激振器(6)的輸入端口相連，激振器(6)的輸出連接到待測管道上；函數(shù)發(fā)生器二(3)的輸出端口與功率放大器(4) 的輸入端口相連，功率放大器⑷的輸出端口與壓電陶瓷片陣列一(9)相連；壓電陶瓷片陣列二(10)與抗混疊濾波器(11)的輸入端口相連，抗混跌濾波器(11)的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡(12)的CH2通道相連；數(shù)據(jù)采集卡(12)與計算機(1)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測裝置，其特征在于其檢測方法包括如下步驟1)利用夾具將待測管道的一端固定，管道的另一端與激振器(6)固連；將加速度傳感器(7)固定在管道長度方向的中間位置；2)由函數(shù)發(fā)生器二(3)產(chǎn)生Is時間內(nèi)幅值IOOmV,頻率IHz到500Hz均勻變化的正弦掃頻信號，作為管道固有振動頻率獲取環(huán)節(jié)的激勵信號；加速度傳感器(7)獲取的加速度的信號通過電荷放大器(8)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡(1 將放大后的信號傳送給計算機；3)由計算機對數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送過來的加速度信號進行快速傅里葉變換得到橫軸表示頻率、縱軸表示幅值的幅頻譜圖，從幅頻譜圖中找出幅值極大值點，這些極大值點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值就是待測管道的各階彎曲振動固有頻率值，選取上述頻率值最小的一階彎曲振動模態(tài)所對應(yīng)的頻率為后續(xù)振動聲調(diào)制檢測中的低頻振動頻率。4)將壓電陶瓷片陣列一(9)環(huán)狀均勻貼在靠近夾具以內(nèi)的外管壁上作為激勵高頻超聲波的傳感器。5)將壓電陶瓷片陣列二(10)環(huán)狀均勻貼在管道的另一端的外管壁上作為接收傳感ο6)由函數(shù)發(fā)生器一(2)產(chǎn)生頻率為壓電陶瓷片中心頻率f2，幅值IOOmV的連續(xù)正弦波作為高頻超聲波激勵信號；7)由函數(shù)發(fā)生器二C3)產(chǎn)生與一階彎曲振動模態(tài)所對應(yīng)的頻率相同的連續(xù)正弦波信號作為低頻振動的激勵信號。8)壓電陶瓷片陣列(10)接收到的管道中傳播的超聲波信號經(jīng)抗混疊濾波器(11)濾波后，由數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送給計算機(1)。9)由計算機(1)對數(shù)據(jù)采集卡(1 傳送過來的信號進行快速傅里葉變換后得到信號的幅頻譜，判定幅頻譜中除了頻率值為和f2的頻率成分外，是否有頻率值為^inf1 (n = 1，2，3L)的附加頻率成分如果沒有上述的附加頻率成分出現(xiàn)，則可判定待測管道中不存在閉合裂紋；如果有上述的附加頻率成分出現(xiàn)，則可判定待測管道中存在閉合裂紋。10)利用希爾伯特黃變換中的經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸鈱⒉襟E(8)中計算機(1)得到的接收信號分解為若干個固有模態(tài)信號和一個殘余信號，選取峰峰值最大的一個固有模態(tài)信號作為新的調(diào)制信號，然后利用希爾伯特變換求出新調(diào)制信號的瞬時幅值信號。由式(3)和(4)可求出此瞬時幅值信號的幅值標(biāo)準差Qa和幅值平均值μ a，并帶入上述的( 式中求出DI2 的值，求出的DI2的值越大則表明管道損傷越劇烈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于振動聲調(diào)制技術(shù)的管道閉合裂紋檢測裝置及方法，屬于管道無損檢測領(lǐng)域。該裝置包括計算機、函數(shù)發(fā)生器一和函數(shù)發(fā)生器二、功率放大器一、功率放大器二、激振器、加速度傳感器、電荷放大器、厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列一和厚度伸縮型壓電陶瓷片陣列二、抗混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集卡。該方法通過掃頻激勵獲得管道一階彎曲振動固有頻率，并以此頻率作為振動聲調(diào)制檢測中低頻振動的頻率。向管道同時激勵低頻彎曲振動及高頻超聲波，通過接收信號頻譜圖中是否出現(xiàn)高頻超聲波頻率于低頻彎曲振動頻率相減或者相加的頻率成分來判斷管道內(nèi)是否存在閉合裂紋。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法檢測閉合裂紋較為困難的問題，可用于工業(yè)管道中閉合裂紋的檢測。
文檔編號G01N29/48GK102226783SQ20111007418
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 宋國榮, 焦敬品, 鄭磊 申請人:北京工業(yè)大學(xué)