一种弯管结构超声导波检测方法及系统

本发明涉及无损检测，具体涉及一种弯管结构超声导波检测方法及系统。

背景技术：

1、现代工业管道系统因其跨度大、运输效率高、无需道路铺设等优点被广泛应用在各行业，包括能源化工、公共设施、远洋船舶等。大型管道系统中的管路繁多，流体在通过弯管时会产生离心力且伴随湍流发生，导致其内压差比直管更大，并影响其结构稳定性和使用寿命。采用长距离超声导波技术，可以高效地对整体结构进行检测，为弯管的预防性维护提供有效的技术支持。

2、因此，超声导波检测技术在弯管中的损伤检测具有很大的潜力。但目前在现场检测中，如船舱等狭窄区域，弯管的超声导波检测往往需要较小和较灵活的设备，存在难检漏检的现场检测问题。其次，超声导波在弯管上的传播特性和传播路径依旧是损伤定位任务的难点，更高的定位精度需要缺少准确的三维曲面上声波传播距离信息，影响检测作业过程的效率和准确性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种弯管结构超声导波检测方法及系统，本发明采用带特定角度楔块的高频线阵探头激励弯曲模态，构建弯管表面的测地线距离字典，利用检测信号中的回波到达时间和测地线距离字典，在弯管三维曲面上对损伤信号进行成像，获得损伤的具体位置。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种弯管结构超声导波检测方法，包括下述步骤：

4、构建弯管曲面的三角剖分网格和测地线距离字典；

5、在弯管上布置带楔块的线阵探头，采用脉冲反射法获取回波信号，对回波信号进行滤波处理和希尔伯特变换；

6、在阵元的回波信号中提取回波信号的最大幅值及其对应到达时间；

7、选用频散曲线中高频低阶弯曲模态的平均群速度计算各阵元中缺陷波包与阵元的距离；

8、记录阵元的位置，基于位置计算测地线字典中的相应测地线距离地图；

9、构建阵元的初始损伤函数，基于缺陷波包与阵元的距离在测地线地图中搜索距离等于各阵元中损伤分量的点集，对于点集中任意一点坐标都相应更新损伤函数；

10、通过多个阵元的计算得到多个损伤函数，叠加形成多个阵元下的多阵元损伤函数，归一化后基于阈值进行损伤三维成像。

11、作为优选的技术方案，所述构建弯管曲面的三角剖分网格和测地线距离字典，具体包括：

12、对弯管外表面进行三维建模；

13、生成曲面参数方程的三角剖分网格，获得包含n个顶点的原始数据点集p，用坐标矩阵x、y、z和三角划分矩阵记录模型网格；

14、对原始数据点集p进行最远点采样处理，在初始化时随机选择原始数据点集p中一个点生成s＝{s1}，迭代过程中选择距离最远的点，迭代过程中分别计算原始数据点集p中所有点到s的最短距离，将距离最远的点si加入s中，并将距离最远的点si与各点的距离值记录在距离矩阵中；

15、对距离矩阵进行对称化处理，得到对称化矩阵；

16、对对称化矩阵进行特征分解，获得特征向量矩阵和特征值组成的对角矩阵，表示为：

17、d′≈v×e×vt

18、其中，d′表示对称化矩阵，v表示对应于前n个最大特征值的特征向量构成的矩阵，e表示对角矩阵；

19、基于矩阵v和对角矩阵e构造低秩近似矩阵；

20、构建弯管的测地线距离近似字典，表示为：

21、g≈b×t×bt,b＝d

22、其中，t表示低秩近似矩阵，d表示距离矩阵。

23、作为优选的技术方案，迭代过程选择公式表示为：

24、

25、其中，n表示采样点数。

26、作为优选的技术方案，基于矩阵v和对角矩阵e构造低秩近似矩阵，具体表示为：

27、t＝v×e×vt。

28、作为优选的技术方案，在弯管上布置带楔块的线阵探头，具体包括：

29、根据目标激励弯曲模态相速度计算超声信号在楔块与工件接触界面上的入射角，结合楔块声速表示为：

30、

31、其中，cp表示目标激励弯曲模态相速度，β表示入射角，cw表示楔块声速。

32、作为优选的技术方案，记录阵元的位置，基于位置计算测地线字典中的相应测地线距离地图，具体表示为：

33、gi≈bi×t×bt

34、其中，bi为在距离矩阵b中代表阵元的位置pi的行向量，t表示秩近似矩阵。

35、作为优选的技术方案，记录阵元的位置，各阵元在管道表面映射位置的间隔表示为：

36、

37、其中，p为探头参数中的阵元间距，β表示入射角，θ表示楔块角度。

38、作为优选的技术方案，对于点集中任意一点坐标都相应更新损伤函数，具体表示为：

39、ai(xa,ya,za)＝aw

40、其中，(xa,ya,za)表示点集中任意一点坐标，ai表示损伤函数，aw表示各阵元中损伤分量。

41、作为优选的技术方案，所述损伤三维成像在三维模型中成像，所述三维模型基于三角剖分网格生成，根据多阵元损伤函数的映射关系在三维模型中成像。

42、本发明还提供一种弯管结构超声导波检测系统，用于实现上述权利要求1-9任一项所述的弯管结构超声导波检测方法，该系统包括：信号发生单元、功放单元、放大器、数模转换器、线阵探头和上位机；

43、所述信号发生单元与功放单元连接，所述功放单元与线阵探头连接，所述线阵探头内设有楔块，所述线阵探头与放大器连接，所述放大器与数模转换器连接，所述数模转换器与上位机连接；

44、所述信号发生单元用于产生高频信号，所述功放单元用于将高频信号进行功率放大，将放大后的激励信号传输到线阵探头，所述线阵探头用于接收放大后的激励信号，基于压电效应将电信号转化为振动信号，每个阵元作为一个波源产生超声波，通过楔块形成在弯管中传播的超声导波，超声导波在缺陷边缘转化为超声回波，回波在线阵探头处通过逆压电效应从振动信号转化为电信号，形成多阵元的回波信号，所述放大器用于对各阵元的回波信号进行放大，所述数模转换器用于将放大后的回波信号进行数字化处理，所述上位机用于对数模转换器输出信号进行处理，包括构建弯管表面的测地线距离字典、进行回波信号的滤波和希尔伯特变换、提取回波信号的最大幅值及其对应到达时间、在弯管三维曲面上进行损伤定位和三维成像。

45、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

46、(1)本发明通过最远点采样算法和低秩近似计算，构建两个较小的矩阵b和t来实现对原始大规模距离矩阵的近似计算，从而显著降低计算复杂度和存储需求。

47、(2)本发明构建了在弯管表面上任意两点的近似测地线距离，提供在弯管上两点间声波传播距离的信息，结合包含损伤信息的波包实现在复杂曲面上的损伤定位。

48、(3)本发明将检测结果通过三角剖分网格进行三维成像，更直观清晰地显示弯管中的缺陷位置。