基于超聲導(dǎo)波的小型管道檢測(cè)系統(tǒng)

曲阜師范大學(xué)工學(xué)院 趙瑞昱 趙 明 周洪光

基于超聲導(dǎo)波的小型管道檢測(cè)系統(tǒng)

曲阜師范大學(xué)工學(xué)院 趙瑞昱 趙 明 周洪光

針對(duì)目前在管道檢測(cè)系統(tǒng)上傳統(tǒng)超聲波存在成本消耗過大和超聲導(dǎo)波計(jì)算過于緩慢的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于超聲導(dǎo)波的管道檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由MATLAB和LabVIEW聯(lián)合處理技術(shù)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)和信號(hào)特征處理分析等技術(shù)相結(jié)合，通過將超聲導(dǎo)波信號(hào)置于MATLAB和LabVIEW聯(lián)合處理環(huán)境中分析信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)管道損傷的位置、類型的檢測(cè)，以及對(duì)損傷管道進(jìn)行預(yù)警等功能。

超聲導(dǎo)波；MATLAB和LabVIEW聯(lián)合處理；管道損傷檢測(cè)

傳統(tǒng)的管道超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年，有著性能各異的的常規(guī)超聲波探傷儀、超聲波測(cè)厚儀、超聲探頭以及超聲波檢測(cè)配套應(yīng)用的種類繁多的標(biāo)準(zhǔn)試塊和對(duì)比試塊?？墒?，由于管道結(jié)構(gòu)和其使用環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的管道超聲波檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際使用中有諸多限制。而超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)技術(shù)采用脈沖回波原理，通過換能器激發(fā)超聲導(dǎo)波，使其在管道邊界面上多次反射并形成沿軸向進(jìn)行傳播的多種模態(tài)導(dǎo)波，在傳播過程中，遇到不同不規(guī)則截面會(huì)形成不同的回波，通過對(duì)回波信號(hào)的特征進(jìn)行提取和分析，可以得到管道截面的各種參數(shù)，如損傷的位置、深淺、形狀等。

但是每一種管道由于其物理性質(zhì)和所處環(huán)境的不同，很難快速得出頻率響應(yīng)曲線和其最優(yōu)解。而且，在實(shí)際操作中，需要考慮時(shí)間成本，減少用戶的成本消耗。因此，可以設(shè)計(jì)一種通用的管道檢測(cè)系統(tǒng)，只需輸入相關(guān)參數(shù)就可以快速對(duì)管道展開檢測(cè)，使普通用戶無(wú)需理解響應(yīng)理論，就可以通過頻散曲線獲得激勵(lì)信號(hào)，并從回波信號(hào)中快速分析圓管中的缺陷。

1.理論分析

圓管中的模態(tài)導(dǎo)波可分為縱向模態(tài)L(0,m)(m=1,2,3,4…)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,m)(m=1,2,3,4…)和非軸向模態(tài)F(n,m)(n=1,2,3,4…;m=1,2,3,4…)。

1.1 激勵(lì)信號(hào)的選擇與缺陷的定位

在管道檢測(cè)中，最常用的為縱向模態(tài)L(0,2)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)T（0,2）。在各模態(tài)中，L(0,2)導(dǎo)波的群速度存在最小頻段且其變化率相對(duì)較小，其性質(zhì)可保證在多種模態(tài)的回波中，其最先到達(dá)接收器，不會(huì)發(fā)生大幅度畸變，易通過軟件分析。普通下水管道為DN25到DN100之間，故采用L(0,2)作為激勵(lì)信號(hào)。

不同型號(hào)的管道需要不同的激勵(lì)信號(hào)頻率，這里采用DN50無(wú)縫鋼管，其外徑76mm、壁厚13mm，長(zhǎng)度10m，密度為7890kg/m3，泊松比為0.269，楊氏模量為209000GP。在ABAQUS中對(duì)其進(jìn)行仿真，采用顯示動(dòng)力學(xué)分析（Dynamic，Explicit）。加載的激勵(lì)信號(hào)為經(jīng)漢寧窗調(diào)解的中心頻率f0為70KHz、周期N為10的信號(hào)：

對(duì)于70KHz、10周期L(0,2)的調(diào)制信號(hào)，其頻帶范圍可表示為：

其中k為常數(shù)。

導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)中心頻率f0的群速度為5.286m/ms，在頻帶內(nèi)的范圍為5.236～5.293m/ms。假設(shè)缺陷位于距導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生處的位置，導(dǎo)波沿管道軸向前進(jìn)遇缺陷處反射，反射后在激勵(lì)信號(hào)發(fā)生處接收，則導(dǎo)波在頻帶范圍內(nèi)最大群速度和最小群速度傳播時(shí)間分別為：

其中t0為激勵(lì)信號(hào)在時(shí)域上的走行時(shí)間，其值為：

其中v0對(duì)應(yīng)導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)中心頻率f0處的群速度。

1.2 回波信號(hào)特征的識(shí)別

回波信號(hào)的特征識(shí)別是基于超聲導(dǎo)波的小型管道檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分。

1．2．1 優(yōu)化波形字典的匹配追蹤方法

匹配追蹤法是一種自適應(yīng)信號(hào)處理方法，也稱MP方法。MP方法，先通過創(chuàng)建擁有海量數(shù)據(jù)的冗余波形字典，并將信號(hào)重復(fù)迭代投影到該字典中，選取與預(yù)分析信號(hào)最相匹配的波形，可將復(fù)雜的預(yù)分析信號(hào)進(jìn)行分解并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪。傳統(tǒng)的MP方法中的波形質(zhì)點(diǎn)多采用Gabor或者Chirplet原子構(gòu)建，并利用頻率、脈沖寬度、幅值和相位等參數(shù)能夠有效提高信號(hào)的分辨率，但對(duì)于復(fù)雜的導(dǎo)波反射信號(hào)仍顯不足，因此，通過關(guān)聯(lián)導(dǎo)波與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理，并融入導(dǎo)波反射信號(hào)特征，構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化的波形字典。

本文采用激勵(lì)信號(hào)為經(jīng)漢寧窗調(diào)解的中心頻率f0為70KHz、周期N為10的正弦信號(hào)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮管道軸向存在連續(xù)單損傷或非連續(xù)雙損傷的兩種簡(jiǎn)單情況。用來表示這兩種信號(hào)疊加結(jié)果的原子可表示為：

這里A和θ分別表示信號(hào)幅度和相位因子

1．2．2 管道損傷特征識(shí)別的流程

首先初始化各種參數(shù)，如選取激勵(lì)信號(hào)周期、中心頻率、采樣頻率以及導(dǎo)波的群速度等。依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)構(gòu)建在管道中激勵(lì)所期望的模態(tài)導(dǎo)波，并采集回波信號(hào)，同時(shí)依據(jù)激勵(lì)信號(hào)參數(shù)構(gòu)建波形字典。在總體回波信號(hào)中截取損傷特征信號(hào)，利用建立的波形字典開展匹配追蹤運(yùn)算至定義的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提取各個(gè)最佳匹配原子的相關(guān)因子Ai、Si。利用Ai進(jìn)行損傷類型識(shí)別。利用所提取的θi并結(jié)合導(dǎo)波波速計(jì)算損傷的軸向長(zhǎng)度或軸向間距，其計(jì)算公式為：

其中Cg為導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)中心頻率f0處的群速度。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

基于超聲導(dǎo)波的小型管道檢測(cè)系統(tǒng)，其組成部分分為：（1）由超聲導(dǎo)波發(fā)生器、接收器、無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)采集卡組成的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，主要用于激勵(lì)信號(hào)的發(fā)生、回波信號(hào)的發(fā)送，方便無(wú)線網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)進(jìn)行有線排查；（2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系，基于OSI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)處信號(hào)的傳輸；（3）MATLAB和LabVIEW聯(lián)合處理模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、管道信息分析、缺陷定位、管道健康情況評(píng)測(cè)等，為企業(yè)、公司或相關(guān)部門提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)分析和解決方案，并保障用戶的數(shù)據(jù)安全。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．2．1 系統(tǒng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)功能為實(shí)現(xiàn)激勵(lì)、接收和數(shù)據(jù)的傳送三項(xiàng)。其硬件主要由處理器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器和產(chǎn)生超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)的超聲波換能陣列構(gòu)成。其工作原理為，用戶實(shí)現(xiàn)將管道數(shù)據(jù)輸入進(jìn)用戶終端，通過計(jì)算得出最優(yōu)響應(yīng)頻率，將最優(yōu)響應(yīng)頻率通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主處理器。主處理器在接收到最優(yōu)響應(yīng)頻率后，產(chǎn)生超聲導(dǎo)激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字編碼。數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過功率放大器，傳輸至超聲導(dǎo)波換能器陣列。換能陣列產(chǎn)生適合管道響應(yīng)頻率的激勵(lì)信號(hào)，在管道表面上進(jìn)行傳播。當(dāng)遇到缺陷或法蘭等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，對(duì)回波信號(hào)在接收器處進(jìn)行接收?；夭ㄐ盘?hào)再經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)無(wú)線傳輸模塊傳輸至電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。與此同時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)采集卡中，進(jìn)行臨時(shí)備份。在節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)人員能以此作為參考，分析該節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的技術(shù)原因。

在試驗(yàn)室中該節(jié)點(diǎn)的硬件配置為微控制器MC9S12XS128，無(wú)線模塊ZigBee:CC2430,換能陣列采用壓電陶瓷換能器并使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。

2．2．2 LabVIEW和MATLAB的聯(lián)合編程設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)目前LabVIEW中沒有對(duì)復(fù)雜信號(hào)算法的支持的缺陷，采用基于MATLAB的強(qiáng)大的數(shù)值處理功能和LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能的聯(lián)合開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用MATLAB功能函數(shù)進(jìn)行小波分析，在LabVIEW界面創(chuàng)立虛擬儀器，兩者通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)傳送參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)管道健康檢測(cè)系統(tǒng)的搭建。

在數(shù)據(jù)采集卡采集到缺陷信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過LabVIEW搭建的虛擬儀器讀取電子文件形式的缺陷信號(hào)文件，在LabVIEW前面板中選擇相應(yīng)的小波消躁方法，應(yīng)用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)傳送參數(shù)至MATLAB相應(yīng)功能函數(shù)，進(jìn)行基于MATLAB的超聲探傷信號(hào)的小波分析以及消躁處理，處理完成后將最終的信號(hào)回傳給虛擬儀器，轉(zhuǎn)換成便于管理人員讀取的信息，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

基于本文主要研究的缺陷信號(hào)數(shù)值分析實(shí)現(xiàn)管道健康檢測(cè)系統(tǒng)的搭建，開發(fā)者可自行選擇并調(diào)試LabVIEW和MATLAB的聯(lián)合編程環(huán)境。根據(jù)實(shí)測(cè)，開發(fā)者可使用labview2010a和MATLAB2012聯(lián)合編程環(huán)境，用MATLAB的功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LabVIEW虛擬儀器中的超聲導(dǎo)波缺陷信號(hào)的小波分析，利用此分析得到的數(shù)值，在LabVIEW界面編輯針對(duì)具體管道漏點(diǎn)定位、管道缺陷形態(tài)識(shí)別、管道健康評(píng)估的前面板及程序框圖，以實(shí)現(xiàn)管道健康檢測(cè)系統(tǒng)的搭建。

2．2．3 預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)各種常見管道進(jìn)行工作環(huán)境的信息采集后，建立起GA-BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。首先，要建立的是基于 BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型，在分析 BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)管道工作環(huán)境信息預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上。再針對(duì)該模型的不足，應(yīng)采用遺傳算法進(jìn)一步去優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)初始模型。通過使用 GA-BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)管道是否應(yīng)于更換。

3.結(jié)論

對(duì)于解決普通超聲波探測(cè)器僅能探測(cè)出管道是否有損傷的問題，通過采用基于超聲導(dǎo)波的管道檢測(cè)系統(tǒng)，以LabVIEW和MATLAB的聯(lián)合處理技術(shù)和系統(tǒng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)為基石，可以檢測(cè)出管道損傷的位置、類型，以及對(duì)損傷管道進(jìn)行預(yù)警，并將信息發(fā)送給技術(shù)人員以進(jìn)行管道維修和更換，減少了用戶的成本消耗，提高了檢測(cè)效率。

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金支持，項(xiàng)目編號(hào)：201610446075。