基于超声导波的小型管道检测系统

曲阜师范大学工学院 赵瑞昱 赵 明 周洪光

基于超声导波的小型管道检测系统

曲阜师范大学工学院 赵瑞昱 赵 明 周洪光

针对目前在管道检测系统上传统超声波存在成本消耗过大和超声导波计算过于缓慢的问题，设计开发一套基于超声导波的管道检测系统。该系统由MATLAB和LabVIEW联合处理技术、超声导波检测和信号特征处理分析等技术相结合，通过将超声导波信号置于MATLAB和LabVIEW联合处理环境中分析信号特征，实现管道损伤的位置、类型的检测，以及对损伤管道进行预警等功能。

超声导波；MATLAB和LabVIEW联合处理；管道损伤检测

传统的管道超声波检测技术已经应用多年，有着性能各异的的常规超声波探伤仪、超声波测厚仪、超声探头以及超声波检测配套应用的种类繁多的标准试块和对比试块。可是，由于管道结构和其使用环境的复杂性，传统的管道超声波检测技术在实际使用中有诸多限制。而超声导波管道检测技术采用脉冲回波原理，通过换能器激发超声导波，使其在管道边界面上多次反射并形成沿轴向进行传播的多种模态导波，在传播过程中，遇到不同不规则截面会形成不同的回波，通过对回波信号的特征进行提取和分析，可以得到管道截面的各种参数，如损伤的位置、深浅、形状等。

但是每一种管道由于其物理性质和所处环境的不同，很难快速得出频率响应曲线和其最优解。而且，在实际操作中，需要考虑时间成本，减少用户的成本消耗。因此，可以设计一种通用的管道检测系统，只需输入相关参数就可以快速对管道展开检测，使普通用户无需理解响应理论，就可以通过频散曲线获得激励信号，并从回波信号中快速分析圆管中的缺陷。

1.理论分析

圆管中的模态导波可分为纵向模态L(0,m)(m=1,2,3,4…)、扭转模态T(0,m)(m=1,2,3,4…)和非轴向模态F(n,m)(n=1,2,3,4…;m=1,2,3,4…)。

1.1 激励信号的选择与缺陷的定位

在管道检测中，最常用的为纵向模态L(0,2)和扭转模态T（0,2）。在各模态中，L(0,2)导波的群速度存在最小频段且其变化率相对较小，其性质可保证在多种模态的回波中，其最先到达接收器，不会发生大幅度畸变，易通过软件分析。普通下水管道为DN25到DN100之间，故采用L(0,2)作为激励信号。

不同型号的管道需要不同的激励信号频率，这里采用DN50无缝钢管，其外径76mm、壁厚13mm，长度10m，密度为7890kg/m3，泊松比为0.269，杨氏模量为209000GP。在ABAQUS中对其进行仿真，采用显示动力学分析（Dynamic，Explicit）。加载的激励信号为经汉宁窗调解的中心频率f0为70KHz、周期N为10的信号：

对于70KHz、10周期L(0,2)的调制信号，其频带范围可表示为：

其中k为常数。

导波激励信号中心频率f0的群速度为5.286m/ms，在频带内的范围为5.236～5.293m/ms。假设缺陷位于距导波激励信号发生处的位置，导波沿管道轴向前进遇缺陷处反射，反射后在激励信号发生处接收，则导波在频带范围内最大群速度和最小群速度传播时间分别为：

其中t0为激励信号在时域上的走行时间，其值为：

其中v0对应导波激励信号中心频率f0处的群速度。

1.2 回波信号特征的识别

回波信号的特征识别是基于超声导波的小型管道检测系统的重要部分。

1．2．1 优化波形字典的匹配追踪方法

匹配追踪法是一种自适应信号处理方法，也称MP方法。MP方法，先通过创建拥有海量数据的冗余波形字典，并将信号重复迭代投影到该字典中，选取与预分析信号最相匹配的波形，可将复杂的预分析信号进行分解并实现信号的去噪。传统的MP方法中的波形质点多采用Gabor或者Chirplet原子构建，并利用频率、脉冲宽度、幅值和相位等参数能够有效提高信号的分辨率，但对于复杂的导波反射信号仍显不足，因此，通过关联导波与波导结构的相互作用机理，并融入导波反射信号特征，构成一个优化的波形字典。

本文采用激励信号为经汉宁窗调解的中心频率f0为70KHz、周期N为10的正弦信号，为简化计算，仅考虑管道轴向存在连续单损伤或非连续双损伤的两种简单情况。用来表示这两种信号叠加结果的原子可表示为：

这里A和θ分别表示信号幅度和相位因子

1．2．2 管道损伤特征识别的流程

首先初始化各种参数，如选取激励信号周期、中心频率、采样频率以及导波的群速度等。依据所设定的参数构建在管道中激励所期望的模态导波，并采集回波信号，同时依据激励信号参数构建波形字典。在总体回波信号中截取损伤特征信号，利用建立的波形字典开展匹配追踪运算至定义的结束标准，同时提取各个最佳匹配原子的相关因子Ai、Si。利用Ai进行损伤类型识别。利用所提取的θi并结合导波波速计算损伤的轴向长度或轴向间距，其计算公式为：

其中Cg为导波激励信号中心频率f0处的群速度。

2.系统设计

2.1 系统框架

基于超声导波的小型管道检测系统，其组成部分分为：（1）由超声导波发生器、接收器、无线通信模块和数据采集卡组成的测量节点，主要用于激励信号的发生、回波信号的发送，方便无线网络故障时进行有线排查；（2）无线传感器网络体系，基于OSI结构设计，包括应用服务接口和网络管理接口，主要实现测量节点处信号的传输；（3）MATLAB和LabVIEW联合处理模块，主要实现对激励信号的回波信号进行预处理、特征提取、管道信息分析、缺陷定位、管道健康情况评测等，为企业、公司或相关部门提供第一手数据分析和解决方案，并保障用户的数据安全。

2.2 系统软件设计

2．2．1 系统测量节点设计

系统测量节点功能为实现激励、接收和数据的传送三项。其硬件主要由处理器、A/D和D/A转换器、功率放大器和产生超声导波激励信号的超声波换能阵列构成。其工作原理为，用户实现将管道数据输入进用户终端，通过计算得出最优响应频率，将最优响应频率通过无线网络传输至主处理器。主处理器在接收到最优响应频率后，产生超声导激励信号的数字编码。数字信号通过D/A转换器转换为模拟信号，再经过功率放大器，传输至超声导波换能器阵列。换能阵列产生适合管道响应频率的激励信号，在管道表面上进行传播。当遇到缺陷或法兰等时，会产生回波信号，对回波信号在接收器处进行接收。回波信号再经A/D模块转换为数字信号，并经无线传输模块传输至电脑端进行数据处理。与此同时，将相关数据记录到数据采集卡中，进行临时备份。在节点发生故障时，技术人员能以此作为参考，分析该节点可能出现的技术原因。

在试验室中该节点的硬件配置为微控制器MC9S12XS128，无线模块ZigBee:CC2430,换能阵列采用压电陶瓷换能器并使用数据采集卡采集数据。

2．2．2 LabVIEW和MATLAB的联合编程设计

为了弥补目前LabVIEW中没有对复杂信号算法的支持的缺陷，采用基于MATLAB的强大的数值处理功能和LabVIEW强大的数据采集功能的联合开发平台，应用MATLAB功能函数进行小波分析，在LabVIEW界面创立虚拟仪器，两者通过MATLAB Script节点传送参数，以实现管道健康检测系统的搭建。

在数据采集卡采集到缺陷信号的基础上，通过LabVIEW搭建的虚拟仪器读取电子文件形式的缺陷信号文件，在LabVIEW前面板中选择相应的小波消躁方法，应用MATLAB Script节点传送参数至MATLAB相应功能函数，进行基于MATLAB的超声探伤信号的小波分析以及消躁处理，处理完成后将最终的信号回传给虚拟仪器，转换成便于管理人员读取的信息，原理框图如图1所示。

图1 原理框图

基于本文主要研究的缺陷信号数值分析实现管道健康检测系统的搭建，开发者可自行选择并调试LabVIEW和MATLAB的联合编程环境。根据实测，开发者可使用labview2010a和MATLAB2012联合编程环境，用MATLAB的功能函数，实现对LabVIEW虚拟仪器中的超声导波缺陷信号的小波分析，利用此分析得到的数值，在LabVIEW界面编辑针对具体管道漏点定位、管道缺陷形态识别、管道健康评估的前面板及程序框图，以实现管道健康检测系统的搭建。

2．2．3 预警平台设计

对各种常见管道进行工作环境的信息采集后，建立起GA-BP网络预测模型。首先，要建立的是基于 BP网络的预测模型，在分析 BP 网络预测模型对管道工作环境信息预测的基础上。再针对该模型的不足，应采用遗传算法进一步去优化网络初始模型。通过使用 GA-BP 网络预测模型，预测管道是否应于更换。

3.结论

对于解决普通超声波探测器仅能探测出管道是否有损伤的问题，通过采用基于超声导波的管道检测系统，以LabVIEW和MATLAB的联合处理技术和系统测量节点为基石，可以检测出管道损伤的位置、类型，以及对损伤管道进行预警，并将信息发送给技术人员以进行管道维修和更换，减少了用户的成本消耗，提高了检测效率。

[1]马术义,武湛君,刘克海,王奕首．空心圆管中导波频散特性与检测频率选择[J]．机械工程学报,2014,50(20):8-17．

[2]陈志奎,贾少攀,赵亮,张清辰．基于物联网和超声导波的管道检测系统研究[J]．中国测试,2013,39(2):94-97．

[3]何存富,黄垚,刘增华．小型超声导波管道检测系统的研究和开发[J]．测控技术,2008,27(1):33-35．

[4]柳益君,吴访升,蒋红芬,等．基于GA-BP神经网络的环境质量评估方法[J]．计算机仿真,2010,27(7):121-124．

国家级大学生创新创业训练计划项目基金支持，项目编号：201610446075。