基于超聲導波的小型管道檢測系統

曲阜師范大學工學院 趙瑞昱 趙 明 周洪光

基于超聲導波的小型管道檢測系統

曲阜師范大學工學院 趙瑞昱 趙 明 周洪光

針對目前在管道檢測系統上傳統超聲波存在成本消耗過大和超聲導波計算過于緩慢的問題，設計開發一套基于超聲導波的管道檢測系統。該系統由MATLAB和LabVIEW聯合處理技術、超聲導波檢測和信號特征處理分析等技術相結合，通過將超聲導波信號置于MATLAB和LabVIEW聯合處理環境中分析信號特征，實現管道損傷的位置、類型的檢測，以及對損傷管道進行預警等功能。

超聲導波；MATLAB和LabVIEW聯合處理；管道損傷檢測

傳統的管道超聲波檢測技術已經應用多年，有著性能各異的的常規超聲波探傷儀、超聲波測厚儀、超聲探頭以及超聲波檢測配套應用的種類繁多的標準試塊和對比試塊。可是，由于管道結構和其使用環境的復雜性，傳統的管道超聲波檢測技術在實際使用中有諸多限制。而超聲導波管道檢測技術采用脈沖回波原理，通過換能器激發超聲導波，使其在管道邊界面上多次反射并形成沿軸向進行傳播的多種模態導波，在傳播過程中，遇到不同不規則截面會形成不同的回波，通過對回波信號的特征進行提取和分析，可以得到管道截面的各種參數，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和所處環境的不同，很難快速得出頻率響應曲線和其最優解。而且，在實際操作中，需要考慮時間成本，減少用戶的成本消耗。因此，可以設計一種通用的管道檢測系統，只需輸入相關參數就可以快速對管道展開檢測，使普通用戶無需理解響應理論，就可以通過頻散曲線獲得激勵信號，并從回波信號中快速分析圓管中的缺陷。

1.理論分析

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

1.1 激勵信號的選擇與缺陷的定位

在管道檢測中，最常用的為縱向模態L(0,2)和扭轉模態T（0,2）。在各模態中，L(0,2)導波的群速度存在最小頻段且其變化率相對較小，其性質可保證在多種模態的回波中，其最先到達接收器，不會發生大幅度畸變，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)作為激勵信號。

不同型號的管道需要不同的激勵信號頻率，這里采用DN50無縫鋼管，其外徑76mm、壁厚13mm，長度10m，密度為7890kg/m3，泊松比為0.269，楊氏模量為209000GP。在ABAQUS中對其進行仿真，采用顯示動力學分析（Dynamic，Explicit）。加載的激勵信號為經漢寧窗調解的中心頻率f0為70KHz、周期N為10的信號：

對于70KHz、10周期L(0,2)的調制信號，其頻帶范圍可表示為：

其中k為常數。

導波激勵信號中心頻率f0的群速度為5.286m/ms，在頻帶內的范圍為5.236～5.293m/ms。假設缺陷位于距導波激勵信號發生處的位置，導波沿管道軸向前進遇缺陷處反射，反射后在激勵信號發生處接收，則導波在頻帶范圍內最大群速度和最小群速度傳播時間分別為：

其中t0為激勵信號在時域上的走行時間，其值為：

其中v0對應導波激勵信號中心頻率f0處的群速度。

1.2 回波信號特征的識別

回波信號的特征識別是基于超聲導波的小型管道檢測系統的重要部分。

1．2．1 優化波形字典的匹配追蹤方法

匹配追蹤法是一種自適應信號處理方法，也稱MP方法。MP方法，先通過創建擁有海量數據的冗余波形字典，并將信號重復迭代投影到該字典中，選取與預分析信號最相匹配的波形，可將復雜的預分析信號進行分解并實現信號的去噪。傳統的MP方法中的波形質點多采用Gabor或者Chirplet原子構建，并利用頻率、脈沖寬度、幅值和相位等參數能夠有效提高信號的分辨率，但對于復雜的導波反射信號仍顯不足，因此，通過關聯導波與波導結構的相互作用機理，并融入導波反射信號特征，構成一個優化的波形字典。

本文采用激勵信號為經漢寧窗調解的中心頻率f0為70KHz、周期N為10的正弦信號，為簡化計算，僅考慮管道軸向存在連續單損傷或非連續雙損傷的兩種簡單情況。用來表示這兩種信號疊加結果的原子可表示為：

這里A和θ分別表示信號幅度和相位因子

1．2．2 管道損傷特征識別的流程

首先初始化各種參數，如選取激勵信號周期、中心頻率、采樣頻率以及導波的群速度等。依據所設定的參數構建在管道中激勵所期望的模態導波，并采集回波信號，同時依據激勵信號參數構建波形字典。在總體回波信號中截取損傷特征信號，利用建立的波形字典開展匹配追蹤運算至定義的結束標準，同時提取各個最佳匹配原子的相關因子Ai、Si。利用Ai進行損傷類型識別。利用所提取的θi并結合導波波速計算損傷的軸向長度或軸向間距，其計算公式為：

其中Cg為導波激勵信號中心頻率f0處的群速度。

2.系統設計

2.1 系統框架

基于超聲導波的小型管道檢測系統，其組成部分分為：（1）由超聲導波發生器、接收器、無線通信模塊和數據采集卡組成的測量節點，主要用于激勵信號的發生、回波信號的發送，方便無線網絡故障時進行有線排查；（2）無線傳感器網絡體系，基于OSI結構設計，包括應用服務接口和網絡管理接口，主要實現測量節點處信號的傳輸；（3）MATLAB和LabVIEW聯合處理模塊，主要實現對激勵信號的回波信號進行預處理、特征提取、管道信息分析、缺陷定位、管道健康情況評測等，為企業、公司或相關部門提供第一手數據分析和解決方案，并保障用戶的數據安全。

2.2 系統軟件設計

2．2．1 系統測量節點設計

系統測量節點功能為實現激勵、接收和數據的傳送三項。其硬件主要由處理器、A/D和D/A轉換器、功率放大器和產生超聲導波激勵信號的超聲波換能陣列構成。其工作原理為，用戶實現將管道數據輸入進用戶終端，通過計算得出最優響應頻率，將最優響應頻率通過無線網絡傳輸至主處理器。主處理器在接收到最優響應頻率后，產生超聲導激勵信號的數字編碼。數字信號通過D/A轉換器轉換為模擬信號，再經過功率放大器，傳輸至超聲導波換能器陣列。換能陣列產生適合管道響應頻率的激勵信號，在管道表面上進行傳播。當遇到缺陷或法蘭等時，會產生回波信號，對回波信號在接收器處進行接收。回波信號再經A/D模塊轉換為數字信號，并經無線傳輸模塊傳輸至電腦端進行數據處理。與此同時，將相關數據記錄到數據采集卡中，進行臨時備份。在節點發生故障時，技術人員能以此作為參考，分析該節點可能出現的技術原因。

在試驗室中該節點的硬件配置為微控制器MC9S12XS128，無線模塊ZigBee:CC2430,換能陣列采用壓電陶瓷換能器并使用數據采集卡采集數據。

2．2．2 LabVIEW和MATLAB的聯合編程設計

為了彌補目前LabVIEW中沒有對復雜信號算法的支持的缺陷，采用基于MATLAB的強大的數值處理功能和LabVIEW強大的數據采集功能的聯合開發平臺，應用MATLAB功能函數進行小波分析，在LabVIEW界面創立虛擬儀器，兩者通過MATLAB Script節點傳送參數，以實現管道健康檢測系統的搭建。

在數據采集卡采集到缺陷信號的基礎上，通過LabVIEW搭建的虛擬儀器讀取電子文件形式的缺陷信號文件，在LabVIEW前面板中選擇相應的小波消躁方法，應用MATLAB Script節點傳送參數至MATLAB相應功能函數，進行基于MATLAB的超聲探傷信號的小波分析以及消躁處理，處理完成后將最終的信號回傳給虛擬儀器，轉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數值分析實現管道健康檢測系統的搭建，開發者可自行選擇并調試LabVIEW和MATLAB的聯合編程環境。根據實測，開發者可使用labview2010a和MATLAB2012聯合編程環境，用MATLAB的功能函數，實現對LabVIEW虛擬儀器中的超聲導波缺陷信號的小波分析，利用此分析得到的數值，在LabVIEW界面編輯針對具體管道漏點定位、管道缺陷形態識別、管道健康評估的前面板及程序框圖，以實現管道健康檢測系統的搭建。

2．2．3 預警平臺設計

對各種常見管道進行工作環境的信息采集后，建立起GA-BP網絡預測模型。首先，要建立的是基于 BP網絡的預測模型，在分析 BP 網絡預測模型對管道工作環境信息預測的基礎上。再針對該模型的不足，應采用遺傳算法進一步去優化網絡初始模型。通過使用 GA-BP 網絡預測模型，預測管道是否應于更換。

3.結論

對于解決普通超聲波探測器僅能探測出管道是否有損傷的問題，通過采用基于超聲導波的管道檢測系統，以LabVIEW和MATLAB的聯合處理技術和系統測量節點為基石，可以檢測出管道損傷的位置、類型，以及對損傷管道進行預警，并將信息發送給技術人員以進行管道維修和更換，減少了用戶的成本消耗，提高了檢測效率。

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國家級大學生創新創業訓練計劃項目基金支持，項目編號：201610446075。