基于非对称超声导波模态的管道成像的方法
阅读说明：本技术 基于非对称超声导波模态的管道成像的方法 (Pipeline imaging method based on asymmetric ultrasonic guided wave mode ) 是由 方舟 黄宴委 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于非对称超声导波模态的管道成像的方法,其特征在于：在管道一端安装传感器,通过多次等角度A°地改变传感器在管道周向的位置以采集传感器在管道不同周向位置的信号,采集的信号数量等于360°/A°；通过所有采集的信号用以对整根管道成像；所述传感器包括柔性印刷线圈和磁致伸缩材料；所述磁致伸缩材料用于粘贴在管道上；所述柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上,其周向覆盖范围是管道整个周向的一半。本发明可以通过对管道的成像确定管道中缺陷的周向位置与轴向位置。(The invention provides a pipeline imaging method based on an asymmetric ultrasonic guided wave mode, which is characterized by comprising the following steps: installing a sensor at one end of the pipeline, and changing the circumferential position of the sensor in the pipeline by a plurality of times of equal angles of A degrees to acquire signals of the sensor at different circumferential positions of the pipeline, wherein the number of the acquired signals is equal to 360 degrees/A degrees; imaging the whole pipeline by all the acquired signals; the sensor comprises a flexible printed coil and a magnetostrictive material; the magnetostrictive material is used for being stuck on a pipeline; the flexible printed coil is adhered to the magnetostrictive material, and the circumferential coverage range of the flexible printed coil is half of the whole circumferential range of the pipeline. The present invention can determine the circumferential and axial location of defects in a pipe by imaging the pipe.)
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种基于非对称超声导波模态的管道成像的方法，用于实现在自激励自接收的测量模式下，对管道成像，从而获取管道中缺陷轴向、周向位置的信息。
背景技术
管道运输作为五大运输产业之一，被誉为国民经济的动脉。全国油气管网里程于2012年就已超过10万公里，其安全问题是社会公众、政府、企业关注的焦点。管道在服役期间由于工作环境较恶劣，如腐蚀、开挖等原因，管道容易发生破裂，产生缺陷导致管道泄漏，急需进行管道抢修。管道抢修的前提是能够准确地确定管道中由于各种原因发生破裂的具体位置。对于一些直径较大的管道，只确定管道破裂的轴向位置还是不够的，因此对管道中缺陷的同时进行周向与轴向定位十分必要。管道成像可以直观地观察管道中的缺陷，同时解决缺陷的周向与轴向定位的问题。
超声导波作为一种快速、长距离的检测方法，已经广泛应用于管道检测中，目前对管道检测的常用超声导波模态有两种：纵向超声导波模态与扭转超声导波模态。这两种模态由于振动方式不同，因此被应用于不同种类的缺陷检测中。然而常用的这两种超声导波模态由于都是对称激励方式，能量的周向分布是一致的，因此无法获得缺陷的周向信息。因此亟需一种管道缺陷周向与轴向定位的方法，能够同时检测出管道中缺陷的周向与轴向位置。同时能够满足在管道的同一端进行自激自收的测量方式，以适应现场测量时的要求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于利用非对称超声导波模态，对管道成像，以实现管道中的缺陷周向与轴向定位，因此提供一种基于非对称超声导波模态的管道成像的方法，利用非对称超声导波模态在传播过程中的能量周向分布的规律，采取理论模型与实验对比的方式来实现。另外，该方法支持自激励自接收的测量模式，能够适应工程测量中只有一端管道能够装载传感器的情况。本发明为了适应不同种类缺陷的检测，同时支持纵向非对称超声导波模态与扭转非对称超声导波模态对管道进行检测。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：1）将磁致伸缩材料粘贴在管道上，粘贴范围为整个管道的周向范围；2）用永磁铁对磁致伸缩材料进行磁化；3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围的一半；4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；5）等角度转动柔性印刷线圈在管道的周向位置，采集N（N≥8）次信号；6）读取采集的N个信号中的缺陷回波对应的时间t，利用V ∙ t / 2计算出缺陷的轴向位置L；7）在幅值与周向位置程序中输入缺陷的轴向位置L，得到非对称超声导波模态在轴向位置L处的幅值与周向位置的关系图；8）记录采集的N个信号中的缺陷回波的幅值，画出这N个信号的缺陷回波幅值与周向位置的关系图；9）将步骤8）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置对应于步骤7）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置。步骤8）得到的关系图中的其他周向位置因此确定。缺陷的周向位置就是步骤8）得到的关系图中0°的周向位置。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于非对称超声导波模态的管道成像的方法，其特征在于：在管道一端安装传感器，通过多次等角度A°地改变传感器在管道周向的位置以采集传感器在管道不同周向位置的信号，采集的信号数量等于360°/ A°；通过所有采集的信号用以对整根管道成像；所述传感器包括柔性印刷线圈和磁致伸缩材料；所述磁致伸缩材料用于粘贴在管道上；所述柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上，其周向覆盖范围是管道整个周向的一半。
进一步地，所述柔性印刷线圈上的导线互相连接形成四排对称的交替排列的两去两回的回折电路。
进一步地，所述磁致伸缩材料的铁含量为48.94%，钴含量为48.75%，碳含量为0.01%，硅含量0.05%，铌含量0.30%，锰含量0.05%，钒材料含量1.90%。
进一步地，所述柔性印刷线圈沿待测管道轴向的长度为48mm，沿待测管道周向的长度根据待测管道的直径确定；与沿待测管道轴向垂直的导线有40条，与沿待测管道周向垂直的导线有39条；所有导线的线宽与间距均分别为1mm与0.2mm；导线互相连接形成四段回折电路，每段回折电路的宽度均为12mm；所述柔性印刷线圈有两个焊盘，分别位于回折电路的两端。
进一步地，通过计算机程序模拟纵向非对称超声导波模态能量的周向分布和/或扭转非对称超声导波模态能量的周向分布，与管道成像进行对应，获得缺陷的位置。
进一步地，具体包括以下步骤：
步骤S1：将所述磁致伸缩材料粘贴在管道上，粘贴范围为整个管道的周向范围；
步骤S2：用永磁铁对所述磁致伸缩材料进行磁化；
步骤S3：将所述柔性印刷线圈粘贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围的一半；
步骤S4：采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
步骤S5：等角度转动柔性印刷线圈在管道的周向位置，采集N次信号，N≥8；
步骤S6：读取采集的N个信号中的缺陷回波对应的时间t，利用V ∙ t / 2计算出缺陷的轴向位置L；
步骤S7：根据缺陷的轴向位置L，利用建模获得的幅值与周向位置关系，得到非对称超声导波模态在轴向位置L处的幅值与周向位置的关系图。
步骤S8：记录采集的N个信号中的缺陷回波的幅值，画出这N个信号的缺陷回波幅值与周向位置的关系图；
步骤S9：将步骤S8得到的关系图中最大幅值所在的周向位置对应于步骤S7得到的关系图中最大幅值所在的周向位置，从而确定步骤S8得到的关系图中的其他周向位置；缺陷的周向位置就是步骤S8得到的关系图中0°的周向位置。
进一步地，在步骤S7中，采用Matlab程序建模获得的幅值与周向位置关系，包括：纵向非对称超声导波模态能量的周向分布和/或扭转非对称超声导波模态能量的周向分布。
进一步地，在步骤S2中，进行纵向非对称超声导波模态对管道缺陷周向与轴向定位时，通过磁化使磁致伸缩材料的磁场方向与管道的轴向一致；进行扭转非对称超声导波模态对管道缺陷周向与轴向定位时，通过磁化使磁致伸缩材料的磁场方向与管道的周向一致。
与现有技术方案相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：
1. 能够同时获知管道中缺陷的周向与轴向位置信息；
2. 能够用于评估缺陷的周向范围；
3. 能够支持振动方式不同的两种模态：扭转模态与纵向模态。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例基于纵向非对称超声导波模态的管道缺陷周向与轴向定位示意图；
图2为本发明实施例基于扭转非对称超声导波模态的管道缺陷周向与轴向定位示意图；
图3为本发明实施例传感器在不同周向位置的示意图；
图4为本发明实施例200kHz非对称纵向超声导波模态在钢制管道700mm轴向传播距离内的理论与仿真的能量周向分布图；
图5为本发明实施例120kHz非对称纵向超声导波模态在钢制管道500mm轴向传播距离内的理论与仿真的能量周向分布图；
图6为本发明实施例200kHz非对称纵向超声导波模态对450mm有缺陷的钢制管道的成像图；
图7为本发明实施例120kHz非对称纵向超声导波模态对450mm有缺陷的钢制管道的成像图；
图8为本发明实施例柔性印刷线圈结构示意图；
图9为本发明实施例柔性印刷线圈工作原理示意图。
其中：1-柔性印刷线圈，2-磁致伸缩材料。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1-图9所示，本实施例提供的方案主要包括：
考虑到激励非对称超声导波模态的传感器分为两种，一种为激励纵向非对称超声导波模态的传感器，另一种为激励扭转非对称超声导波模态的传感器。本发明提出的方法可以支持这两种不同超声导波模态对管道中缺陷的定位。
两种传感器的实现通过：1、高效激励非对称纵向和扭转超声导波模态柔性印刷线圈1；2、磁致伸缩材料2；3、纵向非对称超声导波模态能量的周向分布程序；4、扭转非对称超声导波模态能量的周向分布程序；5、基于非对称超声导波模态的管道成像程序。
其中，传感器在管道一端安装，传感器的周向覆盖范围是管道整个周向的一半。通过多次等角度(A°)地改变传感器在管道周向的位置来采集传感器在管道不同周向位置的信号。采集的信号数量等于360°/ A°。通过所有采集的信号用以对整根管道成像。本发明可以通过对管道的成像确定管道中缺陷的周向位置与轴向位置。各部分部件特征如下所述：
1.如图8、图9所示，本实施例提供的柔性印刷线圈设计，其宽度（沿待测管道轴向的长度）为48mm。长度（沿待测管道轴向）视待测管道的管直径而定。与宽度方向垂直的导线有40条，与长度方向垂直的导线有39条。所有导线的线宽与间距均为1mm与0.2mm。导线互相连接形成四段回折电路，使柔性印刷线圈上的导线互相连接形成四排对称的交替排列的两去两回的回折电路。每段回折电路的宽度均为12mm。柔性印刷线圈有两个焊盘，分别位于回折电路的两端。
2.对于磁致伸缩材料，其组分包括：铁含量为48.94%，钴含量为48.75%，碳含量为0.01%，硅含量0.05%，铌含量0.30%，锰含量0.05%，钒材料含量1.90%。厚度为0.152mm。
3.对于纵向非对称超声导波模态能量的周向分布程序，用于预测纵向非对称超声导波模态传播到不同轴向距离时能量的周向分布，通过Matlab进行建模。以34mm外径，4mm壁厚钢管的200kHz纵向非对称超声导波模态能量的周向分布Matlab程序为例，程序代码如下：
theta=0:(pi/100):(2*pi);
z=350;%% z为轴向位置
L=25;
M=1;
A=zeros(1,3);
f=200;
Ph0=5449.75;%% Ph0为管道200kHz L(0,2)模态相速度
Ph1=5697.13;%% Ph1为管道200kHz F(1,3)模态相速度
Ph2=6713.67;%% Ph2为管道200kHz F(2,3)模态相速度
z0=8.93E-09;%% z0为管道200kHz L(0,2)模态外径轴向的位移
z1=8.79E-09;%% z1为管道200kHz F(1,3)模态外径轴向的位移
z2=8.23E-09;%% z2为管道200kHz F(2,3)模态外径轴向的位移
ef0=0.420607534;%% ef0为管道200kHz L(0,2)模态的能流
ef1=0.420240843;%% ef1为管道200kHz F(1,3)模态的能流
ef2=0.419229827;%% ef2为管道200kHz F(2,3)模态的能流
circum0=cos(0*theta);
e0=exp((-i)*(2*pi*f/Ph0)*z);
vT0=ef0*2*pi;
p10=1;
p20=sin(2*pi*f/Ph0*L);
A0=z0*p10*p20/vT0;
Am0=e0*circum0*A0;
circum1=cos(1*theta);
e1=exp((-i)*(2*pi*f/Ph1)*z);
vT1=ef1*pi;
p11=2*sin(pi/M/2*1)/(pi/M*1);
p21=sin(2*pi*f/Ph1*L)*(2*pi*f/Ph0)/(2*pi*f/Ph1);
A1=z1*p11*p21/vT1;
Am1=e1*circum1*A1;
circum2=cos(2*theta);
e2=exp((-i)*(2*pi*f/Ph2)*z);
vT2=ef2*pi;
p12=2*sin(pi/M/2*2)/(pi/M*2);
p22=sin(2*pi*f/Ph2*L)*(2*pi*f/Ph0)/(2*pi*f/Ph2);
A2=z2*p12*p22/vT2;
Am2=e2*circum2*A2;
A(1)=A0;
A(2)=A1;
A(3)=A2;
A=abs(A);
B=mapminmax(A,0,1);
AP=Am0+Am1+Am2;
AAP=abs(AP);。
4.对于扭转非对称超声导波模态能量的周向分布程序，同理，可以预测扭转非对称超声导波模态传播到不同轴向距离时能量的周向分布。以34mm外径，4mm壁厚钢管的120kHz扭转非对称超声导波模态能量的周向分布Matlab程序为例，程序如下：
theta=0:(pi/100):(2*pi);
z=450;%% z为轴向位置
L=25;
M=1;
A=zeros(1,4);
f=120;
Ph0=3260;%% Ph0为管道120kHz T(0,1)模态相速度
Ph1=3468.07;%% Ph1为管道120kHz F(1,2)模态相速度
Ph2=4266.86;%% Ph2为管道120kHz F(2,2)模态相速度
t0=2.13E-08;%% t0为管道120kHz T(0,1)模态外径切向的位移
t1=2.12E-08;%% t1为管道120kHz F(1,2)模态外径切向的位移
t2=1.92E-08;%% t2为管道120kHz F(2,2)模态外径切向的位移
ef0=6.96E-01;%% ef0为管道120kHz T(0,1)模态的能流
ef1=0.697827402;%% ef1为管道120kHz F(1,2)模态的能流
ef2=0.710460431;%% ef2为管道120kHz F(2,2)模态的能流
circum0=cos(0*theta);
e0=exp((-i)*(2*pi*f/Ph0)*z);
vT0=ef0*2*pi;
p10=1;
p20=sin(2*pi*f/Ph0*L);
A0=t0*p10*p20/vT0;
Am0=e0*circum0*A0;
circum1=cos(1*theta);
e1=exp((-i)*(2*pi*f/Ph1)*z);
vT1=ef1*pi;
p11=2*sin(pi/M/2*1)/(pi/M*1);
p21=sin(2*pi*f/Ph1*L)*(2*pi*f/Ph0)/(2*pi*f/Ph1);
A1=t1*p11*p21/vT1;
Am1=e1*circum1*A1;
circum2=cos(2*theta);
e2=exp((-i)*(2*pi*f/Ph2)*z);
vT2=ef2*pi;
p12=2*sin(pi/M/2*2)/(pi/M*2);
p22=sin(2*pi*f/Ph2*L)*(2*pi*f/Ph0)/(2*pi*f/Ph2);
A2=t2*p12*p22/vT2;
Am2=e2*circum2*A2;
A(1)=A0;
A(2)=A1;
A(3)=A2;
A=abs(A);
B=mapminmax(A,0,1);
AP=Am0+Am1+Am2;
AAP=abs(AP);。
5.对于基于非对称超声导波模态的管道成像程序，用于对管道成像，同样可以通过Matlab进行实现，程序如下：
pname=fileparts(mfilename('fullpath'));
for index_n=1:1:16;
name_a='WFM';
b1=int2str(floor(mod(index_n,100)/10));
b2=int2str(mod(index_n,10));
name_b=strcat(b1,b2);
name_c='.csv';
fname=strcat(name_a,name_b,name_c);
read_temp=dlmread(strcat(pname,'\',fname),',',1,0);
Iamg(:,index_n)=read_temp(:,2);
Iamg(:,index_n)=abs(Iamg(:,index_n));
Iamg(1:3500,index_n)=0;
end
y_axis=read_temp(:,1);
x_axis=[0:(360/15):360];
for i=1:16
x0_axis(i)=abs(x_axis(i)-12);
end
x0_axis(1)=360-x0_axis(1);
figure(1);
pcolor(x_axis,y_axis,Iamg);
shading interp;。
本实施例方法具体采用的步骤流程如下：1）将磁致伸缩材料粘贴在管道上，粘贴范围为整个管道的周向范围；2）用永磁铁对磁致伸缩材料进行磁化；3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围的一半；4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；5）等角度转动柔性印刷线圈在管道的周向位置，采集N（N≥8）次信号；6）读取采集的N个信号中的缺陷回波对应的时间t，利用V ∙ t / 2计算出缺陷的轴向位置L；7）在幅值与周向位置程序中输入缺陷的轴向位置L，得到非对称超声导波模态在轴向位置L处的幅值与周向位置的关系图；8）记录采集的N个信号中的缺陷回波的幅值，画出这N个信号的缺陷回波幅值与周向位置的关系图；9）将步骤8）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置对应于步骤7）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置。步骤8）得到的关系图中的其他周向位置因此确定。缺陷的周向位置就是步骤8）得到的关系图中0°的周向位置。
以下结合两个具体实例对本发明方案进行进一步展示：
如图1所示，为纵向非对称超声导波模态对管道缺陷周向与轴向定位实施例：
1）首先将磁致伸缩材料粘贴在管道上，粘贴范围为整个管道的周向范围。一般而言，为了提高磁致伸缩材料的轴向磁场强度，需要增加磁致伸缩材料的轴向长度；
2）用永磁铁对磁致伸缩材料进行磁化，使磁致伸缩材料的磁场方向与管道的轴向一致。
3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围的一半；
4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
5）等角度转动柔性印刷线圈在管道的周向位置，采集N（N≥8）次信号；
6）读取采集的N个信号中的缺陷回波对应的时间t，利用V ∙ t / 2计算出缺陷的轴向位置L；
7）在基于纵向非对称超声导波模态的幅值与周向位置程序中输入缺陷的轴向位置L，得到纵向非对称超声导波模态在轴向位置L处的幅值与周向位置的关系图；
8）记录采集的N个信号中的缺陷回波的幅值，画出这N个信号的缺陷回波幅值与周向位置的关系图；
9）步骤8）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置对应于步骤7）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置，步骤8）得到的关系图中的其他周向位置因此确定。缺陷的周向位置就是步骤8）得到的关系图中0°的周向位置。
如图2所示，为扭转非对称超声导波模态对管道缺陷周向与轴向定位实施例：
1）首先将磁致伸缩材料粘贴在管道上，粘贴范围为整个管道的周向范围；
2）用永磁铁对磁致伸缩材料进行磁化，使磁致伸缩材料的磁场方向与管道的周向一致；
3）将柔性印刷线圈贴在磁致伸缩材料上，粘贴范围为管道的整个周向范围的一半；
4）采用自激励自接收模式，通过柔性印刷线圈输入5周期汉宁窗调制的正弦波信号，采集接收信号；
5）等角度转动柔性印刷线圈在管道的周向位置，采集N（N≥8）次信号；
6）读取采集的N个信号中的缺陷回波对应的时间t，利用V ∙ t / 2计算出缺陷的轴向位置L；
7）在基于扭转非对称超声导波模态的幅值与周向位置程序中输入缺陷的轴向位置L，得到扭转非对称超声导波模态在轴向位置L处的幅值与周向位置的关系图；
8）记录采集的N个信号中的缺陷回波的幅值，画出这N个信号的缺陷回波幅值与周向位置的关系图；
9）步骤8）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置对应于步骤7）得到的关系图中最大幅值所在的周向位置，步骤8）得到的关系图中的其他周向位置因此确定。缺陷的周向位置就是步骤8）得到的关系图中0°的周向位置。
如图5-图7所示，本实施例根据以上设计进行了相应的仿真和实现，测试结果均证明了本实施例方案的功效。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于非对称超声导波模态的管道成像的方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。