阅读说明：本技术 一种基于超声导波的管道弯曲检测方法 (Pipeline bending detection method based on ultrasonic guided waves ) 是由 周文松 李惠 张鑫 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：一种基于超声导波的管道弯曲检测方法,涉及结构健康监测和无损检测技术领域。本发明是为了解决现有管道变形检测方法需要布设大量传感器,或者每次只测管道上一个点的深度,费时费力、探测精度不高,进而导致具有很大局限性的问题。本发明所述的一种基于超声导波的管道弯曲检测方法,首先在管道某一位置激励产生纯纵向导波模态,然后将至少两个面剪切型超声换能器布设于距激励一定距离的管道表面。通过一段距离两端的换能器形成激励接收一体化系统,测量得到管道顶部和侧面位置超声导波透射信号,来检测激励与接收换能器间管道的弯曲情况。同时,通过对同一截面两个微型接收换能器信号的波包特征和差异进行分析,即可识别弯曲部位和弯曲方向。(A pipeline bending detection method based on ultrasonic guided waves relates to the technical field of structural health monitoring and nondestructive testing. The invention aims to solve the problem that the existing pipeline deformation detection method needs to arrange a large number of sensors or only detects the depth of one point on a pipeline every time, thereby being time-consuming, labor-consuming and low in detection precision, and further having great limitation. The invention relates to a pipeline bending detection method based on ultrasonic guided waves, which comprises the steps of firstly exciting at a certain position of a pipeline to generate a pure longitudinal guided wave mode, and then arranging at least two surface shear type ultrasonic transducers on the surface of the pipeline at a certain distance away from the excitation. An excitation and reception integrated system is formed by transducers at two ends of a distance, and ultrasonic guided wave transmission signals at the top and side positions of the pipeline are obtained through measurement to detect the bending condition of the pipeline between the excitation transducer and the reception transducer. Meanwhile, the bending position and the bending direction can be identified by analyzing the wave packet characteristics and the difference of the signals of the two miniature receiving transducers with the same section.)

一种基于超声导波的管道弯曲检测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测和无损检测技术领域，尤其涉及管道弯曲检测。

背景技术

由大变形引起的应力破裂是管道损伤中较为常见的情况，这些大变形通常是由各种复杂的载荷引起的，例如由于地震、交通重载、地下挖空等造成的土壤沉降。另外，由于人为机械作业产生的剧烈冲击、管道内部长期结垢导致局部压强变大形成的鼓涨、管道下方土质或岩石拱起导致的局部内凹或整体变形等都可能导致管道局部区域的应力破裂，进而导致严重的事故和灾难，因此，及时进行管道弯曲变形监测和检测非常必要。

目前的管道变形检测方法主要是通过附加在管道表面的传感器进行应变测量，但这种方法需要预先安装传感器，且需要沿管道长度布设大量传感器，在很多实际情况下并不可行。另外，针对管道的弯曲变形监测中也有使用到探地雷达的方法，根据探测到的管道各部分深度、弯曲方向来判断其弯曲程度。但该方法每次只测管道上一个点的深度，费时费力、探测精度不高，而且在炎热和严寒环境下人员很难长时间工作。

发明内容

本发明是为了解决现有管道变形检测方法需要布设大量传感器，或者每次只测管道上一个点的深度，费时费力、探测精度不高，进而导致具有很大局限性的问题，现提供一种基于超声导波的管道弯曲检测方法。

一种基于超声导波的管道弯曲检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在被测管道的位置A处激发纵波模态超声导波，该纵波模态超声导波能够在被测管道内部沿其轴向传播；

步骤二：在被测管道的位置B处采集被测管道中传播的导波信号；

步骤三：判断位置B采集到的导波信号是否存在弯曲模态超声导波，是则位置A至位置B之间存在弯曲，否则位置A至位置B之间不存在弯曲。

进一步的，上述方法还包括：

根据位置B采集到的导波信号判断被测管道的弯曲方向，具体为：在位置B处沿被测管道同一圆周面的周向设置多个信号采集组，每组包括两个周向位置相差90°的采集点，将所有信号采集组中，电压响应最小的采集点所在直径方向作为被测管道弯曲方向。

进一步的，上述方法还包括：

利用下式获得位置A至弯曲位置之间的距离x，从而确定弯曲位置：

其中，y为弯曲位置至位置B之间的距离，L为位置A与位置B之间的距离，c_gL为纵波模态超声导波的群速度，c_gF为弯曲模态超声导波的群速度，Δt＝t₂-t₁，t₁为位置A激发纵波模态超声导波时刻，t₂为位置B采集导波信号时刻。

进一步的，上述方法还包括：

首先，采用实验或仿真的方式获得管道不同弯曲程度所对应的导波信号，并建立弯曲程度与导波信号幅值之间的对应关系；然后，将位置B处采集到的导波信号通过衰减补偿的方式还原获得导波信号幅值，最后，采用上述补偿后的导波信号幅值，通过上述对应关系来标定被测管道弯曲的程度。

进一步的，上述步骤一具体为：

在被测管道的位置A处设置纵向导波激励探头，利用高频信号发生模块输出窄带短时超声脉冲电压施加在纵向导波激励探头上，使得纵向导波激励探头产生轴对称的纵波模态超声导波。

进一步的，上述步骤二中，利用能够检测面内剪切变形的面剪切型超声换能器采集导波信号，并利用示波器接收面剪切型超声换能器的电压响应信号。

本发明提出一种基于超声导波的管道弯曲检测方法，首先在管道某一位置激励产生纯纵向导波模态，然后将至少两个面剪切型超声换能器布设于距激励一定距离的管道表面。通过一段距离两端的换能器形成激励接收一体化系统，测量得到管道顶部和侧面位置超声导波透射信号，来检测激励与接收换能器间管道的弯曲情况。同时，通过对同一截面两个微型接收换能器信号的波包特征和差异进行分析，即可识别弯曲部位和弯曲方向。大范围的实现了管道的检测，提高了检测精度。

本发明适用于管道由于内、外力等因素作用导致的弯曲变形的检测和监测。

附图说明

图1为被测管道中第一组弯曲模态(m＝1)的位移角轮廓图；

图2为

具体实施方式

一中管道弯曲检测方法示意图；

图3为面剪切压电换能器的示意图；

图4为实施例1的结构示意图；

图5为实施例1的检测信号曲线图。

具体实施方式

超声导波是一种可在薄板、管道、杆件等具有有限边界的结构构件内传播的超声波，在管道这种波导中传播的超声导波称为管中导波。超声导波可以在管道中长距离传播，在遇到管道缺陷或损伤时，除了继续传播的部分之外，还会在缺陷处发生波的散射或反射，对上述散射或反射的导波特征进行分析可以识别出管道内缺陷或损伤。进一步地分析可以对缺陷进行定位、定量甚至对其进行成像。管中导波检测对多种微小缺陷和损伤敏感，相对传统超声无损检测，可以检测更大范围和距离，是目前得到广泛关注、研究和应用的结构无损检测方法之一。本实施方式首次通过分析管道弯曲对超声导波传播特征的影响来提取表征管道弯曲的导波特征指标，以此识别管道弯曲程度和方向。

沿管道传播的轴对称的纵波模态超声导波(L波，其位移分量主要为径向位移u_r和轴向位移u_z)，在遇到管道弯曲部分时，会发生模态转换，生成新的非对称的弯曲模态超声导波(F波)。与轴对称的纵波相比，弯曲模态导波具有新的环向位移分量u_θ。本实施方式拟通过检测环向位移分量u_θ，并分析波形特征，实现对管道弯曲的识别。

具体如以下实施方式。

具体实施方式一：参照图2至3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于超声导波的管道弯曲检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在被测管道1的位置A(通常选取管道的一端)处设置纵向导波激励探头2，纵向导波激励探头2为沿被测管道1周向均匀布置的多个超声换能器(可采用环形阵列方式布置)，多个超声换能器均粘贴在被测管道1的外表面。所述超声换能器为基于磁致伸缩原理的伸缩型压电传感器，或者基于电磁感应原理、由多块永磁铁和线圈组成的电磁超声换能器。

利用高频信号发生模块4输出窄带短时超声脉冲电压，进而施加在纵向导波激励探头2上，使得纵向导波激励探头2激发出轴对称的纵波模态超声导波，该纵波模态超声导波能够在被测管道1内部沿其轴向传播。

上述窄带短时超声脉冲电压的表达式如下：

其中，t为时间，K为信号峰值，H(t)为赫维赛德阶跃函数，n为波形包含周期数，f为窄带短时超声脉冲的中心频率。

具体的，在窄带短时超声脉冲电压被施加在纵向导波激励探头2之前，需要通过功率放大器进行信号增强。超声换能器采用两圈换能器进行激励以形成单一方向的信号传播模式，从而减少不必要的干扰，简化数据分析。

步骤二：在被测管道1的位置B处沿被测管道1同一圆周面的周向设置至少一组信号采集组，每组包括两个周向位置相差90°的采集点，并保证其中至少有一组采集点设置在最有可能弯曲的方向，采集点处设有面剪切型超声换能器3，利用面剪切型超声换能器3采集被测管道1中传播的导波信号，并利用示波器5接收面剪切型超声换能器3的电压响应信号。所述面剪切型超声换能器3由锆钛酸铅(PZT)材料制成，如图3所示，沿z方向极化后，切割时将y方向作为厚度方向，将电极制作于与x方向垂直的面上，形成面剪切型压电传感器。或者，面剪切型超声换能器也可以是其他类型传能器，如剪切型电磁超声换能器。

一般的压电类超声换能器或其他类型的超声换能器对环向位移分量u_θ不敏感，无法独立检测到u_θ，其接收到的电压信号主要由位移分量u_r和u_z转换得到。而面剪切型超声换能器只对u_θ敏感。因此，本实施方式使用面剪切型超声换能器，能有效检测管道弯曲产生的弯曲模态。

步骤三：纵波模态超声导波在管道中传播，利用透射波测量激励位置A与接收位置B之间存在的弯曲变形，具体的，由位置B的面剪切型超声换能器3接收导波并输出电压信号，如果管道弯曲，会生成由纵波模态超声导波转换得到的弯曲导波。因此，判断位置B采集到的导波信号是否存在弯曲模态超声导波，是则位置A至位置B之间存在弯曲，然后执行步骤四，否则位置A至位置B之间不存在弯曲。

步骤四：将同一信号采集组中，电压响应最小的采集点所在直径方向为被测管道1弯曲方向。

具体的，当同一信号采集组中两个采集点分别位于位置B横截面的顶点和侧面时，同一时间侧面采集点接收到了弯曲模态，而顶部没有接收到信号，则说明有竖向弯曲的发生；而侧面采集点没有接收到弯曲模态，而顶部接收到弯曲模态信号，则说明有横向弯曲的发生。

针对除了竖向和横向以外的非常规弯曲方向而言，还可以通过在管道位置B截面周向均匀布置多个面剪切超声换能器3来判断管道弯曲的方向，当某一方向存在弯曲变形时，其垂直方向的位移响应进而示波器得到的电压响应会比较大，而其所在方向上弯曲模态的位移很小。

本实施方式中，根据管中超声导波的位移角轮廓特性，其周向阶数m＝1时，位移角轮廓如图1所示。从图1中可看出，在管道侧面(即图中角度为0度的位置)，位移响应幅值最大，在管道顶部(即图中角度为90度的位置)，位移响应幅值为零。因此，在这两个位置分别布设面剪切型超声传感器，如果侧面传感器检测到弯曲波，顶部传感器没有响应，可以认为管道发生了图1中0-180度轴向下平移的弯曲变形。进一步地，如果在0度和90度之间布设传感器，根据传感器采集到信号提取的角轮廓形状，可以区分出弯曲变形和其他损伤引起的弯曲波。

步骤五：根据管中频散曲线或试验得到的纵波模态超声导波的群速度c_gL和弯曲模态超声导波的群速度c_gF，利用下式获得位置A至弯曲位置之间的距离x，从而确定弯曲位置：

其中，其中，y为弯曲位置至位置B之间的距离，L为位置A与位置B之间的距离，Δt＝t₂-t₁，t₁为位置A激发纵波模态超声导波时刻，t₂为位置B采集导波信号时刻。

步骤六：首先，采用实验或仿真的方式获得管道不同弯曲程度所对应的导波信号，并建立弯曲程度与导波信号幅值之间的对应关系；

然后，将位置B处采集到的导波信号通过衰减补偿的方式还原获得导波信号幅值；

最后，采用上述补偿后的导波信号幅值，通过上述对应关系来标定被测管道1弯曲的程度。

实施例1

如图4所示，使用高频信号发生模块4作为高频信号发生模块，信号功率被放大后施加于由四个周向均匀分布的永磁体7和双排多匝闭合线圈8组成的电磁超声纵波单向激励探头，以产生轴对称的纵向导波L(0,2)模态。

采用两个d₁₅型面剪切压电换能器3作为本实施例的接收传感器，用环氧树脂胶将两个该类型传感器分别布置于管道弯曲后任一横截面的顶端和侧面，面剪切换能器3接收的响应信号通过示波器5进行采集、存储、显示。

图4给出了该检测方法用于检测一根含有局部弯曲的6m长钢管6的结构示意图。通过管中频散曲线选取某一频散较小的中心频率(如φ108、厚度4mm管道可选取f_c＝150kHz)，在该中心频率下激励窄带短时超声脉冲(如电压峰值400Vpp、5波峰的波形)，通过示波器5绘制两个面剪切超声换能器接收的电压信号，并比较分析两者差异。

图5为示波器接收的检测结果，可以看到侧面换能器接收的响应信号较大，因此判断出弯曲方向为竖向弯曲。