基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法及装置，所述方法包括以下步骤：1)在管道一侧端面激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置；2)在距离激发端10mm处收集回波信号，并记录超声导波在管道中传播的时间历程曲线；3)利用杜芬混沌系统对检测回波信号进行计算得到超声导波信号的相轨迹，再利用圆窗对相轨迹进行分割，将相轨迹划分为圆窗内和圆窗外两部分，实现从二维相图到一维时间信号的转换，根据圆窗边界线方程判断是否有损伤，若有，则提取进入圆窗的第一个超声导波信号时间点，利用波速与时间公式计算得到管道缺陷位置信息。本发明可以提高管道缺陷的检测效率，降低维修成本，具有实际的工程应用价值。
【专利说明】基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管道中缺陷位置信息的识别方法，尤其是一种基于圆窗分割相轨 迹识别管道缺陷位置的方法，属于管道运输行业的损伤检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 管道运输被誉为继铁路、公路、航空、海运之后的第五大运输工具，是城市生命线 工程的重要组成部分，然而由于腐蚀、埋地（或架设）地区环境以及人为破坏等因素对管道 的安全服役形成了潜在威胁。为此有必要对管道的损伤状况进行分析识别。
[0003] 为防止管道恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修费用达数亿元，且逐年 增加。然而，由于受检测手段的制约，管道损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报 废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的巨大浪费。低频应力波在有界结构中的传播被 称为超声导波，上世纪末，超声导波被成功用于埋地管道及其它不易直接测量结构的无损 检测与评估中。超声导波检测可利用回波信号来分析，即当导波在传播过程中遇到管道缺 陷，会有部分导波发生反射，通过分析回波信号特征，可判断出在距离测试点多远的位置可 能存在缺陷。与传统超声波检测技术相比，超声导波沿着波导结构长度方向激发，其检测范 围是"线"而非"点"，其检测范围可达50?100m。由于应力波属于体波传播，因此它可以 实现对结构表面和内部的全面检测，且具有检测速度快，检测范围广且无需去除覆盖层等 优势。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决传统超声波检测技术的缺陷，提供一种基于圆窗分割相 轨迹识别管道缺陷位置的方法，该方法利用超声导波扫描整段管道，可以识别管道中的缺 陷位置信息，提高管道缺陷的检测效率，降低维修成本。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的装置。
[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0007] 基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在于包括以下步骤：
[0008] 1)任意波形信号发生器生成需要的调制信号，通过功率放大器放大，再作用于管 道一侧端面的压电环，激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置；
[0009] 2)在距离激发端10mm处通过多个压电陶瓷传感器收集回波信号，其中回波信号 包含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的缺陷回波信号；并通过数字示波器记录超 声导波在管道中传播的时间历程曲线，由数字示波器将记录的信息传输给计算机；
[0010] 3)利用杜芬混沌系统对检测回波信号进行计算得到超声导波信号的相轨迹，再利 用圆窗对相轨迹进行分割，将相轨迹划分为圆窗内和圆窗外两部分，实现从二维相图到一 维时间信号的转换，根据圆窗边界线方程判断是否有损伤，若有，则提取进入圆窗的第一个 超声导波信号时间点，利用波速与时间公式计算得到管道缺陷位置信息。
[0011] 具体的，所述超声导波信号的函数表达式为：
[0012]
【权利要求】
1. 基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 任意波形信号发生器生成需要的调制信号，通过功率放大器放大，再作用于管道一 侧端面的压电环，激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置； 2) 在距离激发端10_处通过多个压电陶瓷传感器收集回波信号，其中回波信号包含 端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的缺陷回波信号；并通过数字示波器记录超声导 波在管道中传播的时间历程曲线，由数字示波器将记录的信息传输给计算机； 3) 利用杜芬混沌系统对检测回波信号进行计算得到超声导波信号的相轨迹，再利用圆 窗对相轨迹进行分割，将相轨迹划分为圆窗内和圆窗外两部分，实现从二维相图到一维时 间信号的转换，根据圆窗边界线方程判断是否有损伤，若有，则提取进入圆窗的第一个超声 导波信号时间点，利用波速与时间公式计算得到管道缺陷位置信息。
2. 根据权利要求1所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：所述超声导波信号的函数表达式为：
(1) 其中，f。为施加信号的频率，t是时间，η是周期。
3. 根据权利要求1所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：步骤3)所述利用杜芬混沌系统对检测回波信号进行计算得到超声导波信号的相轨迹， 具体如下： a) 选取杜芬混沌系统，如下式：
(2) 其中k为阻尼比，Fcos (ω t)为驱动力项，只?)为待检测信号； b) 选取位移X和速度ν对式（2)进行改写，得到改进型杜芬混沌系统，如下式：
(3) c) 将归一化的检测回波信号输入式（3)，当有超声导波信号时，改进型杜芬混沌系统 的相轨迹会发生变化，由大周期状态变换为混沌状态。
4. 根据权利要求3所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：步骤b)中，通过Melnikov方法求得式（3)的阈值，表达式如下：
(4) 其中，F为驱动力，ω为驱动力频率，设置ω = 2 π 〇· 〇7rad/μ s ~ 0· 439823rad/μ s ;
时，系统可能会出现混沌。
5. 根据权利要求4所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：步骤b)中，使用高精度四阶龙格-库塔法对式（3)进行求解，计算初值设定为χ = 0， i = 0, k = 0. 5, ω = 〇. 439823。
6. 根据权利要求5所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：所述驱动力F的选取如下： 当驱动力F取值由0逐渐增大时，改进型杜芬混沌系统相轨迹经历不动点和各个周期， 逐渐进入混沌态、大周期态和奇怪吸引子，最终选取F = 0. 429,作为改进型杜芬混沌系统 位于大周期态与吸引子的临界值。
7. 根据权利要求3所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：步骤3)所述利用圆窗对相轨迹进行分割，将相轨迹划分为圆窗内和圆窗外两部分，实 现从二维相图到一维时间信号的转换，具体如下： a) 在杜芬混沌系统相轨迹内建立与该相轨迹不相交的圆窗，具体的圆窗边界线方程 为：
(5) 式中，R为圆窗的半径，高电平1表示有损伤，低电平0表示无损伤； b) 寻找合适的圆窗半径R，使得进入圆窗的超声导波信号数量充分多，并可捕捉到准 确的信号点，选取R = 〇. 1159。
8. 根据权利要求7所述的基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的方法，其特征在 于：步骤3)所述利用波速与时间公式如下： L = Ct/2 (6) 其中，L为缺陷位置，C为超声导波的波速，t为进入圆窗的第一个超声导波信号对应的 时间。
9. 基于圆窗分割相轨迹识别管道缺陷位置的装置，其特征在于：包括任意波形信号发 生器、功率放大器、压电环、数字示波器、计算机以及多个压电陶瓷传感器，所述压电环设置 在管道一侧端面，所述多个压电陶瓷传感器设置在距离压电环所在位置的1〇_处；所述任 意波形信号发生器、功率放大器和压电环依次连接，所述任意波形信号发生器和压电陶瓷 传感器分别与数字示波器的两个通道连接，所述数字示波器与计算机连接；其中： 所述任意波形信号发生器，用于生成需要的调制信号； 所述功率放大器，用于将任意波形信号发生器生成的调制信号放大，并作用于压电环， 激发超声导波信号； 所述压电陶瓷传感器，用于收集回波信号； 所述数字示波器，用于记录超声导波在管道中传播的时间历程曲线，并将记录的信息 传输给计算机； 所述计算机，用于利用杜芬混沌系统对检测回波信号进行计算得到超声导波信号的相 轨迹，再利用圆窗对相轨迹进行分割，将相轨迹划分为圆窗内和圆窗外两部分，实现从二维 相图到一维时间信号的转换，根据圆窗边界线方程判断是否有损伤，若有，则提取进入圆窗 的第一个超声导波信号时间点，利用波速与时间公式计算得到管道缺陷位置信息。
【文档编号】G01N29/44GK104155364SQ201410375078
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】杨飞, 严寅中, 马延鋆, 马宏伟 申请人:暨南大学