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管道导波无损检测回波信号处理方法研究

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管道导波无损检测回波信号处理方法研究王悦民,曾　帆,孙丰瑞(海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033)摘　要:简述了导波在管道中传播的频散特性,给出了管道导波无损检测实验信号特征。

对管道导波检测的回波信号首先进行Hilbert 变换,然后对变换后的信号分别进行加窗函数滤波和小波变换,处理后的缺陷信号明显易于辨别。

经过分析比较,结果表明了这两种组合方法用于管道导波无损检测信号处理的效果基本一样,在实际检测应用中,选取其中任一组合方法都是可行的。

关键词:导波;Hilbert 变换;Kaiser 窗;小波变换中图分类号:TB553 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2008)05-0018-05Study on a method of echo signal processing for guidedw aves nondestructive testing of pipesWAN G Yue 2min ,ZEN G Fan ,SUN Feng 2rui(College of Naval Architect ure and Power ,Naval Univ.of Engineering ,Wuhan 430033,China )Abstract :The dispersion characteristic of guided wave p ropagation in pipes was described and t he ex 2perimental signals feat ure of guided waves ND T of pipes was given.The Hilbert t ransform met hod was used for p rocessing t he echo signals detected by guided waves in pipe ,and t hen t he transformed signals were p rocessed respectively wit h digital window f unction filter and wavelet t ransform me 2t hods.The defect signals could be easily distinguished after being processed.The analysis and com 2pare result s show t hat t he effect by using two kinds of combined met hods to process t he signals of guided waves ND T of pipes are nearly t he same.So selecting eit her of t he combined signal p rocessing met hods is feasible in t he p ractical testing.K ey w ords :guided wave ;Hilbert t ransform ;Kaiser window ;wavelet t ransform利用超声导波对管道进行无损检测时,检测的信号会受到多个因素影响,如被检测管道表面或端头的反射、空间电磁干扰等,若不采取相应的措施,这些干扰信号甚至会淹没有用信号,检测效果不理想。

因此,除采取电磁屏蔽措施外,利用有效的信号处理方法对增强目标信号、滤除噪声是非常必要的。

超声导波在管道中传播时具有频散特性和多模式特征,虽然通过计算导波在管道中传播的频散曲线、选择合适的激励频率可以减弱频散现象,但对于任何给定的激励频率在管道中至少可产生两种模态的导波,并且随着频厚积的增加,产生的导波模态还会增加。

另外,导波在管道中传播时,遇到不连续处或者随传播距离的增加,波包都会发生改变,信号幅值也将减小等,这些因素导致管端和缺陷处产生的回波信号非常复杂。

目前,导波信号处理的方法主要有傅立叶变换、时频分析、小波变换、希尔波特变换等。

Alleyne D N 等[1]利用二维傅立叶变换将多种模式导波信号的重叠部分分离出来。

Kwun H 等[2]　第20卷　第5期　2008年10月 海军工程大学学报　J OURNAL OF NAVAL UN IV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G Vol.20　No.5　Oct.2008　3收稿日期:2008204208;修回日期:2008206230。

基金项目:中国博士后科学基金资助项目(20060390865);湖北省自然科学基金资助项目(2007ABA224)。

作者简介:王悦民(1969-),男,副教授,博士,主要研究方向为舰船动力及热力系统的监测、控制与故障诊断,E 2mail :yuemin_wang @ 。

利用时频分析的方法———短时傅立叶变换对圆管中纵向导波发散特性进行了分析,指出纵波存在“低通”或“高通”截止频率特性。

Siqueira M H S [3]等用小波分析方法对管道导波检测信号进行分析,指出经小波变换后信噪比得到改善,其值可达12dB 。

针对管道导波检测回波信号的特点,王悦民[4]选用Hilbert 变换对回波信号进行了处理,结果表明,Hilbert 变换法对导波信号的分辨比较有效。

吴斌等[5]综述了超声导波无损检测中的信号处理研究进展,指出信号处理在提高信号的可读性、提高缺陷的检测与识别能力、表征被检对象特性等方面具有重要作用。

文中首先简述了管道导波频散特性和实验检测信号特征,然后利用Hilbert 变换对检测信号进行处理,最后分别采用加窗函数滤波和小波变换方法对Hilbert 变换后的信号作进一步处理,分析了处理的效果。

1　管道导波频散特性和实验检测信号特征1.1　管道导波频散特性导波频散(dispersion )是指导波的传播速度随着频率、构件几何边界形状的变化而变化,以及导波会以多个模式同时传播,当遇到构件不连续处还会发生模式转换。

图1给出了长为6.72m ,外径为38mm ,壁厚为2.5mm 钢管的导波频散曲线。

为了标记导波在管道中存在的不同模态,图1中分别用L (0,n ),T (0,n )和F (m ,n )表示对应的纵向、扭转和弯曲模态导波,其中:m 表示导波沿圆管周向的位移和应力谐变量阶数;n 表示模数。

从图中频散曲线可看出,在频率小于100k Hz 的范围内,同时有L (0,1),L (0,2),T (0,1),F (1,1),F (1,2),F (1,3)模式导波出现;对于任一给定频率,至少存在两个以上的导波模态,随着频率的增大导波模态也迅速增多。

从图1(a )群速度频散曲线中,还可以看出L (0,1)和L (0,2)模式导波分别有“低通”和“高通”截止频率出现。

图1　钢管导波频散曲线Fig.1　Dispersion curves of guided wave in steel pipe在理想的情况下,希望在管道中仅产生单一模态的导波,若导波遇到缺陷产生反射,所得到的回波将较容易分析。

多模态的存在大大增加了导波技术应用于管道检测的复杂性。

在实际检测应用中,对于给定的被检测管道,选择适当的导波激励频率非常重要,这就要求选择的激励频率不在截止频率区。

另外,为了提高检测的灵敏度或信噪比,尽可能抑制其他模式导波的产生,从而激励出单一模式的导波,并且使激励的导波频率在非频散区域内。

1.2　实验检测信号特征取长为6.72m 、外径为38mm 、壁厚为2.5mm 的钢管为实验样本,在钢管上钻3个通孔,模拟通孔缺陷。

孔大小分别为<12mm 、<10mm 和<5mm ,其中,孔<12mm 位于钢管两端的中间处,而孔<10mm 和<5mm 分别位于钢管的三等分处,即与钢管两端的距离均为2.24m (见图2)。

该实验装置设置・91・　第5期　王悦民等:管道导波无损检测回波信号处理方法研究 的具体内容可参考文献[6],选用频率为33kHz 的纵向导波激励。

检测信号波形如图3所示。

从图3可看出,由于受空间磁场干扰以及接收传感器自身的噪声影响,接收的时域信号虽然能够反映出缺陷信号特征,但噪声信号很大,为了使缺陷信号更易于分辨并实现缺陷定量化研究,必须对检测信号作数字处理。

2　检测信号的H ilbert 变换基于磁致伸缩效应的管道无损检测技术得到的磁致伸缩脉冲回波信号是一种窄带信号,包含管道状态的重要信息,必须对这些窄带信号进行分析处理,以从中提取有用的信息。

在信号处理中,Hilbert 变换是获得窄带信号包络的有效方法。

利Hilbert 变换,可以构造出相应的解析信号,使其仅含正频率成分,从而可降低信号的抽样率。

还可以应用解析表达式中实部与虚部之间的关系,定义出任意时刻的瞬时包络、瞬时相位及瞬时频率,从而解决短信号和复杂信号瞬时特征的提取问题。

对于一实函数,f (t )的Hilbert 变换定义为f ∧(t )=H [f (t )]=1π∫+∞-∞f (τ)t -τd τ=f (t )31πt 。

(1)式中:H 为Hilbert 变换;f ∧(t )为f (t )的Hilbert 变换;3为卷积。

Hilbert 变换相当于通过一个冲激响应为1πt的线性网络,该网络也称为Hilbert 滤波器。

f (t )与其Hilbert 变换f ∧(t )正交。

图4　Hilbert 变换后的信号波形 Fig.4　Signals processed by Hilbert transform对于窄带信号x (t )=a (t )co s θ(t ),如果引入其正交分量x ∧(t )=a (t )sin θ(t ),可以将它们组成一个复信号:u (t )=a (t )co s θ(t )+ja (t )sin θ(t )=a (t )e j θ(t )。

(2)这样信号x (t )的瞬时包络a (t )、相位φ(t )、频率ω(t )可以分别表示如下:a (t )=x 2(t )+x ∧2(t ),(3)φ(t )=arctan x ∧(t )x (t ),(4)ω(t )=12π・d φ(t )d t。

(5) 对图3中有3个孔缺陷的钢管检测信号进行Hilbert 变换,变换后的信号如图4所示。

从信号变换结果可以看出,经过Hilbert 变换后的钢管缺陷信号分辨更清楚,而信号的幅值、相位和频率保持相对・02・海　军　工　程　大　学　学　报 第20卷　不变。

因此,在时域中对管道磁致伸缩脉冲回波信号的分析和识别,Hilbert 变换是一种非常简便和实用的方法。

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信号处理技术在无损检测中的应用研究

信号处理技术在无损检测中的应用研究

信号处理技术在无损检测中的应用研究无损检测是现代工业检测领域的一种重要技术手段，它主要应用于重要工业设备和工程结构的检测评估，能够有效地保证生产安全和质量。

而信号处理技术在无损检测中发挥着非常重要的作用。

本文将从常见的无损检测方法中，介绍信号处理技术在其中的应用研究。

一、超声波检测中的信号处理技术超声波检测是一种常用于金属材料和非金属材料检测的无损检测方法。

在超声波检测中，通过发送超声波信号，通过物体内部引起超声波的反射和散射，来判断材料内部的缺陷和杂质。

信号处理技术应用于超声波检测中，可以有效地提高检测的精度和效率。

1.信号滤波超声波检测信号包含了很多噪声。

在信号处理中，需要对这些噪声进行滤波，以减少干扰和提高信号的可靠性。

信号滤波的方法主要包括数字滤波和模拟滤波两种。

其中数字滤波方法基于数字信号处理技术，能够较好地抑制噪声，但需要对信号进行采样和量化；模拟滤波方法适用于非数字信号的滤波。

2.信号增强信号增强是超声波检测中的重要技术，它可以对检测到的信号进行增大，以便更好地分辨出材料中的缺陷和杂质。

超声波信号增强的方法主要包括时间域和频域两种。

其中时间域增强主要是通过增强信号幅度和对信号进行平滑处理；频域增强则是通过对信号进行频谱分析、滤波和复原来实现。

二、磁粉检测中的信号处理技术磁粉检测是一种常用的对金属表面脆性和粗糙度没有严格要求的检测方法。

在磁粉检测中，通过在金属表面涂抹铁粉并在金属表面施加磁场的方式，使得铁粉在磁场作用下向表面排列，从而显示出材料表面的缺陷和裂纹。

信号处理技术应用于磁粉检测中，可以提高检测的灵敏度和精度。

1.信号增强磁粉检测中信号的增强可以增大信号幅度，使得检测结果能够更加明显。

信号增强方法包括直接读出方式、扫描方式、滤波方式等。

其中，滤波方式能够有效地滤除噪声并提高信噪比。

2.数字化图像处理磁粉检测信号可以产生二维图像，通过数字化图像处理技术，能够更加清晰地分辨出材料表面的缺陷和裂纹，以便更好地进行检测。

超声导波技术在管道缺陷检测中的研究

超声导波技术在管道缺陷检测中的研究

超声导波技术在管道缺陷检测中的研究一、本文概述随着工业化的快速发展，管道作为各类流体输送的主要工具，其安全性和稳定性对于工业生产和社会生活至关重要。

然而，由于长期运行、外部环境和材料老化等多种因素的影响，管道往往会出现各种缺陷，如腐蚀、裂纹、焊接缺陷等。

这些缺陷如果不及时发现和处理，可能会导致严重的后果，甚至引发安全事故。

因此，对管道进行定期、有效的缺陷检测具有重要意义。

超声导波技术作为一种新兴的无损检测技术，近年来在管道缺陷检测领域受到了广泛关注。

该技术利用超声波在固体介质中传播的特性，通过对超声波的传播速度、幅度和波形等参数进行分析，可以实现对管道内部缺陷的精确识别。

与传统的检测方法相比，超声导波技术具有检测速度快、范围广、精度高等优点，且无需破坏管道结构，因此在管道缺陷检测领域具有广阔的应用前景。

本文旨在深入研究超声导波技术在管道缺陷检测中的应用。

我们将对超声导波技术的基本原理和检测方法进行介绍，包括超声波的传播特性、信号处理方法以及缺陷识别算法等。

我们将对超声导波技术在管道缺陷检测中的实际应用案例进行分析，探讨其在不同管道类型和缺陷类型下的检测效果和可靠性。

我们将对超声导波技术的发展趋势和前景进行展望，以期为管道缺陷检测领域的技术进步和实际应用提供参考和借鉴。

二、超声导波技术原理及特点超声导波技术是一种基于超声波在介质中传播特性的无损检测技术。

其原理在于利用高频振动产生的超声波在材料内部传播时，遇到缺陷或界面会产生反射、折射或散射等现象，通过接收并分析这些反射波、透射波或散射波，可以实现对材料内部缺陷的定性、定量和定位检测。

高灵敏性：超声导波技术能够检测到微小的缺陷，如裂纹、腐蚀、夹杂等，对于保障管道安全运行具有重要意义。

长距离传播：超声导波在管道中传播时，能够覆盖较长的距离，减少了检测点的设置数量，提高了检测效率。

实时在线监测：超声导波技术可实现对管道的实时在线监测，及时发现潜在的安全隐患，为管道的预防性维护提供有力支持。

超声导波管道无损检测技术及应用

超声导波管道无损检测技术及应用

超声导波管道无损检测技术及应用
超声导波管道无损检测技术是一种利用管道中固有传播的弹性波传递声波信号，从而检测管道内部状态的方法。

它具有高效、精确、无损、不需要管道开挖的优点，广泛应用于石油、化工、天然气、核电和航空等行业。

该技术在检测管道内部存在的裂缝、氧化、腐蚀、壁厚变化等缺陷方面具有广泛的应用。

超声导波管道无损检测技术的核心是管道内部传播的弹性波，将弹性波信号转化为电信号，并通过信号处理与分析，得出管道内部状态的相关信息。

该技术主要有三种探头类型：双向检测探头、单向检测探头和球形检测探头，以满足不同管道尺寸和形状的需求。

随着技术的发展，超声导波管道无损检测技术还可以与无损检测机器人和云计算等智能技术相结合，实现对可视化管道内部状态及历史数据的追踪和管理。

在应用方面，超声导波管道无损检测技术的主要优点是无需管道开挖或者拆除，以及高效、准确地识别出管道内部状态。

它可以精确地查找到管道壁的缺陷、管道环境内的氧化情况、均匀性变化、破损情况等，从而为维修保养、管道安全检测和材料选择提供有力支持。

此外，它还可以作为管道日常检测和维护的工具，能够节省成本、节约时间、提高效率。

综上所述，超声导波管道无损检测技术具有在管道安全、质量和效率方面带来的前所未有的优势，是现代工业的重要技术之一。

它的应用范围将会越来越广泛，并给相关工业领域带来巨大的经济效益和社会效益。

超声导波管道检测中伪缺陷信号识别及消除方法

超声导波管道检测中伪缺陷信号识别及消除方法

超声导波管道检测中伪缺陷信号识别及消除方法摘要：激光超声检测技术具有高灵敏度、非接触性、超声信号模式丰富、检测分辨率高等优点，是工业质量监测、工业生产安全的重要保障。

依据伪缺陷信号出现的特征规律，对超声导波管道检测信号中缺陷波包信号进行识别和提取，并利用匹配追踪方法和数值比对赋值法对伪缺陷信号进行消除。

研究结果表明:提出的超声导波管道检测伪缺陷识别及其消除方法行之有效，实现了超声导波检测缺陷信号去伪成真目的，解决了超声导波检测信号识别难点问题，极大促进了超声导波无损检测技术的工程应用。

关键词：超声导波；管道检测；伪缺陷信号；识别及消除方法随着科学技术的迅猛发展，高温、高压、高速度、高负荷成为现代工业的标志性特征，这无疑对工业产品的质量提出了更高的考验与挑战。

在工业生产建设中，无损检测技术是进行全面“质量管理”的重要环节，在质量和安全保障体系中具有至关重要的意义和作用。

然而，超声导波具有频散特性，在构件中传播的超声导波反射信号通常比较复杂，给缺陷检测信号的识别带来极大难度。

在工程应用过程中，由于受到被检测管道的壁厚、管径、表面状态以及材质特性等因素影响，另外，受仪器激发功率大小影响，超声导波检测信号在第1个反射期内幅值比较小。

对微小缺陷检测时，受到噪声信号影响，第1个反射周期内的检测信号往往不能给出明显的缺陷信息，而从第2个反射周期开始，因超声导波反射信号在缺陷处产生多次叠加，缺陷信号幅值得到加强，而在管端处受信号功率流衰减影响管端反射信号幅值慢慢减小，这种特征有助于缺陷信号的识别。

因此，在实际检测时，往往通过观察第2个、第3个反射周期的检测信号来判断缺陷情况。

对于有限长管道检测，超声导波经过管道中缺陷处和管道两端头的多次来回反射时，同一个缺陷在检测信号中会出现两个不同位置的回波信号，其中一个称之为伪缺陷信号，这让人难以根据回波信号确定缺陷在管道中的个数和具体位置。

目前，大部分超声导波管道缺陷检测的研究集中在信号处理和缺陷定量化方面，只有少量研究提到伪缺陷信号。