專利名稱：基于導(dǎo)波聚集掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法和系統(tǒng)。涉及超聲波的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
成千上萬的長管道遍布全世界各地，其中許多管道由于長時(shí)間的服務(wù)存在如腐蝕之類的問題，在役管道的材料異常可能會導(dǎo)致災(zāi)難的故障。因此，定期的對管道的完整性進(jìn)行檢測成了維護(hù)這些管道不可或缺的指導(dǎo)。在過去的幾十年，相控陣聚焦掃描在無損檢測(NDT)已經(jīng)受到了相當(dāng)?shù)闹匾?，大多?shù)的相控陣的設(shè)備使用的體波，通過改變體波成導(dǎo)波，因?yàn)閷?dǎo)波的能量只限于邊界，并能夠沿邊界傳播很長的距離，有可能測試如鋼板、鋼管整個(gè)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的超聲波檢測(NDT)中通常用的是體波，因?yàn)樗鼈兒苋菀讓?shí)現(xiàn)。但是傳統(tǒng)的相控陣超聲波檢測技術(shù)檢測結(jié)構(gòu)是逐點(diǎn)進(jìn)行的，這使體波超聲檢測繁瑣，費(fèi)時(shí)，昂貴而且難以使用在有涂層和地下管線的結(jié)構(gòu)上。在有邊界的結(jié)構(gòu)中(如平板和圓筒)，超聲導(dǎo)波表現(xiàn)出了強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)跟隨趨勢而且可以傳播很長距離，這種沿結(jié)構(gòu)界面或靠近界面?zhèn)鞑ツ芰康牟ň褪菍?dǎo)波。由于其低衰減， 導(dǎo)波適合遠(yuǎn)距離無損檢測。導(dǎo)波通常比體波復(fù)雜得多，也正是這種復(fù)雜性給導(dǎo)波提供了更多的選擇性，導(dǎo)波技術(shù)給我們的檢測提供了更快更經(jīng)濟(jì)的方式。導(dǎo)波技術(shù)的探索在ー個(gè)世紀(jì)前已經(jīng)開始了，并在20世紀(jì)得到了發(fā)展(蘭姆波， 1917 ；勒夫波，1944 ；瑞利波，1945)。但是直到20世紀(jì)后期，導(dǎo)波技術(shù)才被應(yīng)用到了無損檢測和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測上。出版大量的導(dǎo)波檢測管道和油管的文獻(xiàn)(Alleyne Cawley, 1997 ； Guo Kundu, 2000 ；Mohr Holler, 1976 ；Na Kundu2002 ；Roseetal. ,1994 ；Thompson et al., 1972). 1959年(iazis首次獲得了空心圓柱體的完全自由振動模態(tài)。在前人的基礎(chǔ)上，2002 年Li和Roes發(fā)展了創(chuàng)新的管道導(dǎo)波技木，這種技術(shù)加強(qiáng)了傳播的能量并在管道檢測中提供了周向的分辨率。遠(yuǎn)程管道成像概念是非常新的，Hayashi和Murase在2005進(jìn)行了導(dǎo)波管道成像的第一次嘗試，他們把異常的信號分解到管道的正常模式上，信息處理以后構(gòu)建了異常的圖像。但是他們所采用的激發(fā)電壓低，所以檢測距離非常短。CN1521503A公開了ー種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)及方法，它對檢測區(qū)域進(jìn)行生束聚焦掃描檢測，數(shù)字化精確確定聚焦聲束掃描方案和缺陷反射源的位置，但不能多次聚焦，檢測距離短，精確度和定位還是不夠準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種激發(fā)能量更大、檢測距離更長、精度和定位更準(zhǔn)確的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法是利用換能器激發(fā)超聲信號并且調(diào)整振幅因素與時(shí)間延吋，使超聲波聚焦在管道中任何預(yù)定位置，并采用多通道相控陣陣列在每個(gè)檢測距離進(jìn)行多次聚焦，改變聚焦點(diǎn)在管道中的距離，將每個(gè)聚焦區(qū)的最大振幅記錄并構(gòu)建圖像，就可以得到整個(gè)管道的聚焦掃描。利用換能器將電能轉(zhuǎn)化為聲能發(fā)射超聲信號，電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，并在算法中為換能器陣列加入時(shí)序，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間延遲(以下簡稱時(shí)延)，通過不同延時(shí)和幅值的換能器陣列激發(fā)的聲信號相互作用組合，實(shí)現(xiàn)可在特定傳播方向和距離上得到最大特征反射信號，即聚焦。再通過算法和電路不斷改變幅值和延時(shí)，從而改變聚焦位置，在不同位置進(jìn)行多次聚焦，組合構(gòu)建圖像。整個(gè)檢測過程由兩個(gè)主要階段構(gòu)成時(shí)延測定階段；聚焦測試階段。其中時(shí)延測定階段為準(zhǔn)備階段，其過程為所有通道進(jìn)行無任何時(shí)延的導(dǎo)波檢測，形成多通道導(dǎo)波初始檢測曲線，其中含有缺陷對象的特征P，以及共有η通道的檢測裝置中的第i通道換能器到達(dá)該特征的時(shí)間<。Tp即通道導(dǎo)波曲線時(shí)間零位7；'到ρ特征峰值對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)7；的一半(傳至并傳回兩段)；t' =^- (1.1)p 2基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法如圖1所示，有管道包覆層4的兩端裸露為管端I 1和管端II 2，在其中的一管端I 1或管端II 2安裝超聲導(dǎo)波換能器3。本發(fā)明的成像流程(見圖3)，依次如下發(fā)送無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；信號調(diào)幅放大；接收無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；信號處理；形成無時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線；計(jì)算對象特征到各個(gè)通道的超聲導(dǎo)波傳播時(shí)間；計(jì)算各通道時(shí)延；根據(jù)時(shí)延信息發(fā)送帶有時(shí)延的超聲導(dǎo)波激勵信號；信號調(diào)幅放大；接收有時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；信號處理；形成有時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線；所得即為導(dǎo)波聚焦掃描結(jié)果；重復(fù)以上過程直至推出。所述信號處理是信號的放大、濾波；其中時(shí)間延遲的計(jì)算方法為 ' =Μωο( ·ρ)- ιρ(1.2)所得的^即為各個(gè)通道進(jìn)行導(dǎo)播聚焦所需的時(shí)延值。本發(fā)明中的遠(yuǎn)程管道成像采用相控陣把導(dǎo)波能量聚集到特定的圓周角度(周向角度)，并在管道軸向的不同位置進(jìn)行聚焦。這樣得到了管道的全部聚焦掃描，在得到的管道成像中，掃描區(qū)域最大的幅值標(biāo)記出來與掃描區(qū)域?qū)?yīng)，最重要的是，可以看出這種成像技術(shù)在測試中可以成像約2 !的距離，而且這種技術(shù)有能力在一個(gè)管道里面檢測出多個(gè)異常?；趯?dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像原理如圖2所示。根據(jù)導(dǎo)波的對稱性，導(dǎo)波在管道中傳播可以劃分為兩類軸對稱模態(tài)和彎曲模態(tài)。軸對稱模態(tài)導(dǎo)波在整個(gè)管道的圓周內(nèi)有規(guī)則的位移和應(yīng)力。它們可以分為縱向模式(與之對應(yīng)的是平板中的對稱模式)與扭轉(zhuǎn)模式(這與平板中的水平剪切模式類似)。軸對稱導(dǎo)波可以在軸對稱源產(chǎn)生。與軸對稱模態(tài)導(dǎo)波不同，扭曲模態(tài)導(dǎo)波在圓周內(nèi)有正弦曲線的位移和應(yīng)力的分布，扭曲模態(tài)將在管道的部分激發(fā)。軸對稱導(dǎo)波管道檢測通常用于那些快速長距離的檢測。軸對稱導(dǎo)波管道檢測技術(shù)檢測出與傳感器軸向平行的異常。近年來，導(dǎo)波聚焦技術(shù)被發(fā)展起來用于長距離的管道檢測(Li和Rose，2002)。這項(xiàng)技術(shù)關(guān)注于控制利用扭曲模態(tài)。它采用相控陣組成多通道，(通常是4到8個(gè))，通過發(fā)送超聲信號并且調(diào)整振幅因素與時(shí)間延時(shí)，超聲波可以聚焦在管道中任何一個(gè)事先確定好的位置。相比與軸對稱導(dǎo)波管道檢測，這種聚焦技術(shù)能提供大約兩倍的穿透能量，因此距離也將是兩倍，另外，由于波都聚焦在軸向和圓周，相干噪聲也被減低了，從而周向的分辨率就加強(qiáng)了。振幅因素和時(shí)間延時(shí)與管道尺寸、材料、頻率、傳感器和焦距都是相關(guān)的。因此，在應(yīng)用時(shí)這些參數(shù)都應(yīng)該首先加入到聚焦算法里(Li和Rose，200 。該通過具體案例，算法計(jì)算時(shí)間延時(shí)和振幅因素。然后把聚焦參數(shù)輸入到商業(yè)相控陣系統(tǒng)安裝在管道周邊發(fā)送信號并聚焦到指定地點(diǎn)。在一個(gè)圓周掃描，多個(gè)聚焦位置的時(shí)間延時(shí)和振幅因素都可以計(jì)算出來。在不同的聚焦位置的掃描就可以得到管道全部的掃描。在接收的部分，時(shí)間設(shè)置為每個(gè)收到的波形，最大振幅記錄了聚焦區(qū)域沿軸線的長度。在最終的管道掃描成像圖可以把這些最大振幅值標(biāo)記出來，與聚焦的區(qū)域?qū)ΨQ。在聚焦的角度還可以標(biāo)記出這些最大振幅值。圓周輪廓圖呈現(xiàn)了聚焦區(qū)域的異常的圓周分布，當(dāng)聚焦區(qū)域有異常時(shí)，這些重要映像都可以看到。對于有非軸對稱特征的異常(如不連續(xù))，它的周向輪廓圖也是非軸對稱的。如果異常是軸對稱的(如焊縫)，它的周向輪廓圖也是軸對稱的，通知這種方式，不連續(xù)的異?？梢院芎玫呐c焊縫區(qū)分開來。本發(fā)明的系統(tǒng)組成如圖4所示，它由超聲導(dǎo)波傳感器、激勵(功率放大)模塊、接收(前置放大)模塊、主處理單元組成，主處理單元輸出接激勵模塊的輸入，激勵模塊輸出接超聲導(dǎo)波傳感器，超聲導(dǎo)波傳感器輸出接接收模塊的輸入，接收模塊的輸出接主處理單元的輸入，主處理單元的輸入有信息輸入，主處理單元的輸出有數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、特征提取、缺陷識別。有信息輸入的主處理單元輸出控制信號至激勵(功率放大)模塊，激勵模塊輸出大激發(fā)能量的電信號，由超聲導(dǎo)波傳感器轉(zhuǎn)化為聲能發(fā)射超聲信號作用于管道；由超聲導(dǎo)波傳感器接收的信號經(jīng)接收(前置放大)模塊將功率放大及濾波后送主處理單元進(jìn)行處理，主處理單元將處理的結(jié)果輸出，輸出有數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、特征提取、缺陷識別。所述主處理單元為微處理器；所述激勵(功率放大)模塊包括放大電路和激發(fā)電路，接主處理單元的數(shù)據(jù)輸出端DataBus的放大電路輸出接激發(fā)電路后，由激發(fā)電路輸出接超聲導(dǎo)波傳感器端；
其中激發(fā)電路如圖5所示，它由DAC8820 U7和運(yùn)算放大器U8A、運(yùn)算放大器U8B、運(yùn)算放大器U9A、運(yùn)算放大器U9B組成；U7的Rl、Rofs端經(jīng)電阻R9接+5V電源，Rl、Rofs端經(jīng)穩(wěn)壓二極管D7與電容C53并聯(lián)接地；U7的Rcom端接運(yùn)算放大器U8B的“-”輸入端6，“ + ”輸入端5接地，運(yùn)算放大器U8B的輸出端7接U7的REF端；U7的Rof端接運(yùn)算放大器U8A的“_”輸入端2，“ + ”輸入端3接地，運(yùn)算放大器U8A的輸出端一路接U7的Iout并在U7的Iout與Rof端之間接電容C52，另一路經(jīng)電阻RlO、電阻Rll與電容C56組成的“T”形電路接運(yùn)算放大器U9A的“-”輸入端2，“ + ”輸入端3接地，運(yùn)算放大器U9A的輸出端1 一路經(jīng)并聯(lián)的電阻R12與電容C59后接回“-”輸入端2，另一路接運(yùn)算放大器U9B的“-”輸入端6，“ + ”輸入端5接地，運(yùn)算放大器WB的輸出端7接超聲導(dǎo)波傳感器的高電壓輸入端；運(yùn)算放大器U9B和運(yùn)算放大器WA兩個(gè)輸出均并聯(lián)至放大器的輸出接起來是通用的濾波電路；其中放大電路如圖8所示，它由運(yùn)算放大器TO06A、運(yùn)算放大器TO06B和兩只ADC604YRUZ的TO07、U608組成，由濾波電路中的TO05 D端經(jīng)電容C620接運(yùn)算放大器TO06A的“ + ”輸入端3，運(yùn)算放大器TO06A的“-”輸入端2接TO07的D端，U607的Sl端接運(yùn)算放大器TO06A的輸出端1，且運(yùn)算放大器TO06A的輸出端1與“_”輸入端2之間接有電容C624 ；運(yùn)算放大器TO06A的輸出端1經(jīng)電容C625接運(yùn)算放大器TO06B的“ + ”輸入端5，運(yùn)算放大器TO06B的“-”輸入端6接TO08的D端，U608的Sl端接運(yùn)算放大器TO06B的輸出端7，且運(yùn)算放大器TO06B的輸出端7與“-”輸入端2之間接有電容；所述接收(前置放大)模塊包括接收電路、放大電路和濾波電路，接超聲導(dǎo)波傳感器輸出的接收電路之輸出依次串接放大電路和濾波電路，濾波電路輸出接主處理單元；其中接收電路如圖6所示，輸入JLANCE接KR9的4端，KR9的2端接+12V，3端一經(jīng)二極管DlOl也接+12V，二經(jīng)電阻RlOl接Q17的3端，Q17的2端接地，1端接273U3/Q1 ；另一 JLANCE接KRl的4端，KRl的2端接+12V，3端一經(jīng)二極管D102也接+12V，二經(jīng)電阻R102接Q9的3端，且Q9的3端經(jīng)電阻R103與發(fā)光二極管LED9至+12V，Q9的2端接地，1端接273U2/Q1 ；KR9的1端與KRl的1端連接后經(jīng)電阻R104接UlOl的2端，而UlOl的2端還有第一路接二極管D103和D104正向串聯(lián)及反向串聯(lián)到地，還有第二路接正反向并聯(lián)的二極管D105后一路接UlOl的3端，二再接并聯(lián)的電阻R105與電容C102到地，第三路接并聯(lián)的電阻R106與電容C103到UlOl的6端；UlOl的4端接_5V，7端接+5V，5端和14端輸出；其中放大電路如圖8所示，與功率放大模塊中所用放大電路相同；其中濾波電路如圖7所示，它由兩只ADC608YRUZ的U502、U602、三只LTC1562的U503、U504、U604 和兩只 ADC604YRUZ 的 U505、U605 組成；2734U4/Q1、2734U4/Q2、2734U4/Q3分別接U502的A0、A1、A2端，U502的Si、S2端各接電容C506、電容507后共同接TO03的1端，S3、S4端各接電容C508、電容C509后共同接TO03的10端，S5、S6端各接電容C510、電容C511后共同接TO04的20端，S7、S8端各接電容C512、電容C513后共同接TO04的1端；U602的Si、S2端各接電容C606、電容C607后共同接TO04的1端，S3、S4端各接電容C608、電容C609后共同接TO04的10端，S5、S6端各接電容C610、電容C611后共同接TO04的11端，S7、S8端各接電容C612、電容C613后共同接TO04的10端⑴503的19端、12端與U504的19端、2端分別接TO05的S1、S2、S3、S4端；U604的19端、12端與TO04的12端、9端分別接 U605 的 Si、S2、S3、S4 端；U505 的 AO、Al 端輸出 2734U4/Q2、2734U4/Q3，U605 的AO、Al 端輸出 27;34U4/Q2、2734U4/Q3。本發(fā)明利用換能器激發(fā)超聲信號，使激發(fā)能量更大，檢測距離更長，精度和定位更準(zhǔn)確。


圖1基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法2基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像原理3基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法流程4基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)原理框5功率放大模塊電原理6前置放大模塊電原理7濾波電路電原理8放大電路電原理9T(m，1)扭曲波聚焦在離管道端6. 32m時(shí)的波形103. 35m距離的間隔的波形11管道的圓周剖面圖(異常位于508mm處270° )圖12有間隔的管道圓周剖面圖(3. 35m)圖13有焊縫的12. 78m處的圓周剖面圖其中1-管端I2-管端II3-超聲導(dǎo)波換能器 4-管道包覆層
具體實(shí)施例方式實(shí)施例.本例是一實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，系統(tǒng)組成如圖4所示，它由超聲導(dǎo)波傳感器、激勵(功率放大)模塊、接收(前置放大)模塊、主處理單元組成，主處理單元輸出接激勵模塊的輸入，激勵模塊輸出接超聲導(dǎo)波傳感器，超聲導(dǎo)波傳感器輸出接接收模塊的輸入，接收模塊的輸出接主處理單元的輸入，主處理單元的輸入有信息輸入，主處理單元的輸出有數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、特征提取、缺陷識別。所述主處理單元為微處理器，可選；DSP (Digital Signal processor，業(yè)界共知處理器類型)，如TMS320C5&低功耗系列DSP ；或者ARM (業(yè)界共知微處理器架構(gòu)類型)系列處理器如TI AM37x系列。所述激勵(功率放大)模塊包括放大電路和激發(fā)電路，接主處理單元的數(shù)據(jù)輸出端DataBus的放大電路輸出接激發(fā)電路后，由激發(fā)電路輸出接超聲導(dǎo)波傳感器端；其中激發(fā)電路U7 選 DAC8820 ；U8A、U8B、U9A、U9B 選 0P262 ；R8、RllitlOK;R9 選 300K;R10、R12、R13 選 20K ；C51、C52、C53、C54、C55、C57、C58 選選 104 ；
C56、C59、C60 選 103 ；
其中放大電路
U605、U607、U608 選 ADG604YRUZ ；
U606A、U606B 選 0P262GS ；
R625、R630 選 IOK ；
R626.R631 選 22K ；
R627、R632 選 6. 8K ；
R628.R633 選 2. 7K ；
R629、R634 選 330K ；
所述接收(前置放大)模塊包括接收電路、放大電路和濾波電路，接超聲導(dǎo)波傳感器輸出的接收電路之輸出依次串接放大電路和濾波電路，濾波電路輸出接主處理單元；
其中接收電路
UlOl選 LT1792LS8 ；
D101、D102、D103、D104、D105、D106、D107 選 DAV99 ；
KRl 選 36K ；
Q9、Q17 選 K72 ；
RlOU R102 選 100K ；
R103 選 33K ；
R104 選 20K ；
R105 選 IOK ；
R106 選 350K ；
C101、C104、C128 選 104 ；
C102、C103 選 103 ；
其中濾波電路
U503、U504、U604 選 LTC1562 ；
U502、U602 選 ADG608BRUZ ；
R513 選 300K ；
R514 選 4M;
R515 選 300K ；
R516 選 4M ；
R517 選 150K ；
R518 選 IM ；
R519 選 150K ；
R520 選 IM ；
R521 選 75K ；
R522 選 250K ；
R523 選 43K ；
R524 選 82K ；
R613 選 300K ；
R614 選 4M;R615 選 300K;R616 選 4M;R617 選 150K;R618 選 1M;R619 選 150K;R620 選 1M;R621 選 75K;R622 選 250K;R623 選 43K;R624 選 82K;C504、C505、C506、C507、C508、C509、C510、C511、C512、C513、C514、C515、C516、C517、C518、C519、C520、C521、C604、C605、C606、C607、C608、C609、C610、C611、C612、C613、C614、C615、C616、C617、C618、C619、C620、C621 均為默認(rèn)的 103 電容；其他未標(biāo)注電阻(R)均為默認(rèn)的100K。導(dǎo)波聚焦掃描在508mm直徑，2 !長的40s鋼管道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，相控陣分為四個(gè)通道。理論上四通道可以覆蓋90°的區(qū)域，四次測量足夠覆蓋整個(gè)圓周，但是為了確保有充分的能量覆蓋整個(gè)圓周，在每一個(gè)聚焦距離用四通道陣列進(jìn)行了 8次聚焦掃描。把換能器陣列放置在離管端1#1.細(xì)的地方，管道的兩端傳送縱向L(m，2)模態(tài)波和扭曲(m，1)模態(tài)波，按照如下流程進(jìn)行了一些樣本波形的測試
0125]發(fā)送無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；0126]信號調(diào)幅放大；0127]接收無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；0128]信號處理(放大濾波等)；0129]形成無時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線；0130]計(jì)算對象特征到各個(gè)通道的超聲導(dǎo)波傳播時(shí)間；0131]計(jì)算各通道時(shí)延；0132]根據(jù)時(shí)延信息發(fā)送帶有時(shí)延的超聲導(dǎo)波激勵信號；0133]信號調(diào)幅放大；0134]接收有時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號；0135]信號處理(放大濾波等)；0136]形成有時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線；0137]所得即為導(dǎo)波聚焦掃描結(jié)果；0138]重復(fù)以上過程直至推出；0139]并得到它們相應(yīng)的環(huán)形回波剖面圖，結(jié)論如下，圖9顯示的是相控陣得到的T(m，
1)扭曲波聚焦在離管道端6. 32m時(shí)的波形，每個(gè)波形圖中兩條垂直線之間的區(qū)域就是聚焦區(qū)，可以很清楚的看到在這些波形圖里面聚焦區(qū)回波最大的是270°時(shí)的回波。通過最大回波的到達(dá)時(shí)間也可以準(zhǔn)確地確定軸向位置。 在每個(gè)聚焦區(qū)的最大振幅記錄下來并與聚焦的角度對應(yīng)構(gòu)建了圓周圖。這個(gè)剖面圖清楚的顯示了異常位置在270°。也注意到了在315°也有小的回波，這可能是聚焦束的寬帶正好是兩倍于我們掃描的圓周。為了說明不同的異常有不同的回波，圖10提供了 3. 35m距離的間隔的波形圖，這些波形同樣也是扭轉(zhuǎn)波聚焦實(shí)驗(yàn)采集的。不同于異常，間隔分散在管道的圓周上。因此，當(dāng)聚焦束在圓周上移動是，在多個(gè)角度上都有明顯的回波。圖10中相應(yīng)的在圓剖面圖9中也顯示出來了。圖12中可以明顯的觀察到間隔(spacer s)的回波幅度比異常的回波幅度大，這可能有兩種可能一、多個(gè)間隔可能存在與一個(gè)聚焦掃描束的范圍內(nèi)；二、這些間隔的位置更接近換能器陣列。從而比起圖11所示異常的回波來說，當(dāng)聚焦到間隔時(shí)聚焦束的衰減較小。另一種值得關(guān)注進(jìn)行調(diào)查的異常是焊縫，一個(gè)好的焊縫在超聲導(dǎo)波回波顯示了非常好的軸對稱特性，圖13顯示了有焊縫的12. 78m處的圓周剖面圖，這是L(m，2)縱向波在管端2聚焦掃描得到的圖?？梢钥闯鲞@個(gè)圓周剖面圖幾乎是軸對稱的。通過聚焦掃描的回波圓周圖，可以很好的把焊縫與間隔分別出來。結(jié)合不同掃描距離的圓周剖面圖可以得到管道的圖像，圖9顯示了一個(gè)沒有包裹的管道的圖像，圖9的縱軸表示的是管道圓周的角度，從0°到360°。橫軸表示聚焦的距離?；夭ǖ姆狄灶伾姆绞皆趫D上顯示，3D的表示出來。在圓周角度和軸線方向上進(jìn)行插值平滑圖像。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是從兩邊進(jìn)行的，圖像綜合了從管端1的扭轉(zhuǎn)波和管端2的縱向波，因此圖像比單一端的圖像有更高的信噪比。此外，由于導(dǎo)波沿著管道傳播衰減，放大了信號軸線方向的管道圖像。衰減的Sehz，這里的a是衰減因素，ζ是聚焦距離，2表示導(dǎo)波在每次回波時(shí)傳播了兩個(gè)聚焦距離。衰減因素可以從實(shí)驗(yàn)中計(jì)算出來。在本文中，a是從經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出來，如圖9顯示，管道的聚焦掃描圖像是相當(dāng)?shù)那宄恕Ｒ恍┊惓Ｇ闆r和管道特征都可在發(fā)現(xiàn)并在圖上標(biāo)記出來。表1中簡要介紹了軸向和圓周位置的各種特征。異常1#到異常4#都可以清晰地在聚焦掃描圖里面看到，注意到異常3#和人工缺陷都在同一個(gè)間斷面，這說明當(dāng)換能器接受到異常的回波之后，導(dǎo)波依舊在管道中傳播，當(dāng)遇到人工缺陷時(shí)回波依舊可以被換能器陣列所接收到。有時(shí)這個(gè)反射信號會很強(qiáng)，如本文中的例子。因此這可能有兩個(gè)異常而不是一個(gè)，這個(gè)反射信號很難被完全確定下來。然而，通過從另一端放置陣列或改變陣列的位置，反射的回波會改變它的軸向位置，通過這種方式，異常的真正位置就可以確定了。根據(jù)之前的討論，從它非常規(guī)則的圓周方向的分布可以判斷出來焊縫1#。間隔1#也可以從它規(guī)則軸向位置和很不規(guī)則的圓周回波大小判斷出來。表1管道異常部位信息匯總
權(quán)利要求
1.一種基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法，其特征是利用換能器將電能轉(zhuǎn)化為聲能發(fā)射超聲信號，由電路實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，并在算法中為換能器陣列加入時(shí)序，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間延遲，所述時(shí)間延遲的計(jì)算方法為t'd=Max(t'p)-t'p通過不同延時(shí)和幅值的換能器陣列激發(fā)的聲信號相互作用組合，在特定傳播方向和距離上得到最大特征反射信號，即聚焦；再通過算法和電路不斷改變幅值和延吋，從而改變聚焦位置，在不同位置進(jìn)行多次聚焦，組合構(gòu)建圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法，其特征是成像流程依次如下發(fā)送無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號； 信號調(diào)幅放大；接收無時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號； 信號處理；形成無時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線；計(jì)算對象特征到各個(gè)通道的超聲導(dǎo)波傳播時(shí)間；計(jì)算各通道時(shí)延；根據(jù)時(shí)延信息發(fā)送帶有時(shí)延的超聲導(dǎo)波激勵信號； 信號調(diào)幅放大；接收有時(shí)延超聲導(dǎo)波激勵信號； 信號處理；形成有時(shí)延超聲導(dǎo)波曲線； 所得即為導(dǎo)波聚焦掃描結(jié)果； 重復(fù)以上過程直至推出。
3.ー種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是它由超聲導(dǎo)波傳感器、激勵模塊、接收模塊、主處理單元組成，主處理單元輸出接激勵模塊的輸入，激勵模塊輸出接超聲導(dǎo)波傳感器，超聲導(dǎo)波傳感器輸出接接收模塊的輸入，接收模塊的輸出接主處理單元的輸入，主處理單元的輸入有信息輸入，主處理單元的輸出有數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、特征提取、缺陷識別；有信息輸入的主處理單元輸出控制信號至激勵模塊，激勵模塊輸出大激發(fā)能量的電信號，由超聲導(dǎo)波傳感器轉(zhuǎn)化為聲能發(fā)射超聲信號作用于管道；由超聲導(dǎo)波傳感器接收的信號經(jīng)接收模塊將功率放大及濾波后送主處理單元進(jìn)行處理，主處理單元將處理的結(jié)果輸出，輸出有數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、特征提取、缺陷識別。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述主處理單元為微處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述激勵模塊包括放大電路和激發(fā)電路，接主處理單元的數(shù)據(jù)輸出端DataBus的放大電路輸出接激發(fā)電路后，由激發(fā)電路輸出接超聲導(dǎo)波傳感器端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述放大電路由運(yùn)算放大器U606A、運(yùn)算放大器U606B和兩只ADC604YRUZ的TO07、U608組成，由濾波電路中的U605D端經(jīng)電容C620接運(yùn)算放大器U606A的“ + ”輸入端( ，運(yùn)算放大器U606A 的“-”輸入端( 接U607的D端，U607的Sl端接運(yùn)算放大器TO06A的輸出端(1)，且運(yùn)算放大器TO06A的輸出端⑴與“-”輸入端(2)之間接有電容C6M;運(yùn)算放大器TO06A的輸出端(1)經(jīng)電容C625接運(yùn)算放大器TO06B的“ + ”輸入端(5)，運(yùn)算放大器TO06B的“-”輸入端(6)接TO08的D端，U608的Sl端接運(yùn)算放大器TO06B的輸出端(7)，且運(yùn)算放大器 U606B的輸出端(7)與“-，，輸入端(2)之間接有電容C6沈。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述激發(fā)電路由DAC8820U7和運(yùn)算放大器U8A、運(yùn)算放大器U8B、運(yùn)算放大器U9A、運(yùn)算放大器U9B 組成 ’U7的Rl、Rofs端經(jīng)電阻R9接+5V電源，RU Rofs端經(jīng)穩(wěn)壓ニ極管D7與電容C53并聯(lián)接地；U7的Rcom端接運(yùn)算放大器U8B的“-”輸入端(6)，“ + ”輸入端(5)接地，運(yùn)算放大器U8B的輸出端(7)接U7的REF端；U7的Rof端接運(yùn)算放大器U8A的“-”輸入端(2)，“ + ” 輸入端C3)接地，運(yùn)算放大器U8A的輸出端一路接U7的Iout并在U7的Iout與Rof端之間接電容C52，另一路經(jīng)電阻R10、電阻Rll與電容C56組成的“T”形電路接運(yùn)算放大器U9A 的“-”輸入端⑵，“ + ”輸入端⑶接地，運(yùn)算放大器U9A的輸出端⑴一路經(jīng)并聯(lián)的電阻 Rl2與電容C59后接回“-”輸入端(2)，另一路接運(yùn)算放大器U9B的“-”輸入端(6)，“ + ”輸入端( 接地，運(yùn)算放大器U9B的輸出端(7)接超聲導(dǎo)波傳感器的高電壓輸入端；運(yùn)算放大器U9B和運(yùn)算放大器WA兩個(gè)輸出均并聯(lián)至放大器的輸出接起來是通用的濾波電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述接收模塊包括接收電路、放大電路和濾波電路，接超聲導(dǎo)波傳感器輸出的接收電路之輸出依次串接放大電路和濾波電路，濾波電路輸出接主處理單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述接收電路為輸入JLANCE接KR9的(4)端，KR9的⑵端接+12V，(3)端一經(jīng)ニ極管DlOl也接 +12V，ニ經(jīng)電阻 RlOl 接 Q17 的(3)端，Q17 的(2)端接地，(1)端接 273U3/Q1 ’另一 JLANCE 接KRl的(4)端，KRl的(2)端接+12V，(3)端一經(jīng)ニ極管D102也接+12V，ニ經(jīng)電阻R102 接Q9的(3)端，且Q9的(3)端經(jīng)電阻R103與發(fā)光二極管LED9至+12V，Q9的⑵端接地， ⑴端接273U2/Q1 ；KR9的⑴端與KRl的⑴端連接后經(jīng)電阻R104接UlOl的⑵端，而 UlOl的( 端還有第一路接ニ極管D103和D104正向串聯(lián)及反向串聯(lián)到地，還有第二路接正反向并聯(lián)的ニ極管D105后一路接UlOl的93)端，ニ再接并聯(lián)的電阻R105與電容C102 到地，第三路接并聯(lián)的電阻R106與電容C103到UlOl的96)端；UlOl的(4)端接-5V，(7) 端接+5V，(5)端和(14)端輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述放大電路由運(yùn)算放大器U606A、運(yùn)算放大器U606B和兩只ADC604YRUZ的U607、U608組成， 由濾波電路中的U605D端經(jīng)電容C620接運(yùn)算放大器TO06A的“ + ”輸入端(3)，運(yùn)算放大器 TO06A的“-”輸入端( 接TO07的D端，U607的Sl端接運(yùn)算放大器TO06A的輸出端(1)， 且運(yùn)算放大器TO06A的輸出端(1)與“-”輸入端( 之間接有電容C624 ；運(yùn)算放大器TO06A 的輸出端(1)經(jīng)電容C625接運(yùn)算放大器TO06B的“ + ”輸入端5，運(yùn)算放大器TO06B的“-” 輸入端6接TO08的D端，U608的Sl端接運(yùn)算放大器TO06B的輸出端(7)，且運(yùn)算放大器 U606B的輸出端(7)與“-”輸入端(2)之間接有電容C6沈。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像系統(tǒng)，其特征是所述濾波電路由兩只ADC608YRUZ的U502、U602、三只LTC1562的U503、U504、U604和兩只 ADC604YRUZ 的 U505、U605 組成；2734U4/Q1、2734U4/Q2、2734U4/Q3 分別接 U502 的 AO、Al、 A2端，U502的Si、S2端各接電容C506、電容C507后共同接TO03的(1)端，S3、S4端各接電容C508、電容C509后共同接TO03的(10)端，S5、S6端各接電容C510、電容C511后共同接TO04的QO)端，S7、S8端各接電容C512、電容C513后共同接TO04的(1)端；U602的 S1、S2端各接電容C606、電容C607后共同接TO04的(1)端，S3、S4端各接電容C608、電容 C609后共同接TO04的(10)端，S5、S6端各接電容C610、電容C611后共同接TO04的911) 端，S7、S8端各接電容C612、電容C613后共同接TO04的(10)端；U503的(19)端、(12) 端與U504的(19)端、(2)端分別接U505的Si、S2、S3、S4端；U604的(19)端、(12)端與 U504 的(12)端、(9)端分別接 U605 的 S1、S2、S3、S4 端；U505 的 AO,Al 端輸出 2734U4/Q2, 2734U4/Q3, U605 的 AO、Al 端輸出 2734U4/Q2、2734U4/Q3。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于導(dǎo)波聚焦掃描的遠(yuǎn)距離管道成像方法和系統(tǒng)。涉及超聲波的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它是利用換能器將電能轉(zhuǎn)化為聲能發(fā)射超聲信號，由電路實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，并在算法中為換能器陣列加入時(shí)序，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間延遲。通過不同延時(shí)和幅值的換能器陣列激發(fā)的聲信號相互作用組合，在特定傳播方向和距離上得到最大特征反射信號，即聚焦；再通過算法和電路不斷改變幅值和延時(shí)，從而改變聚焦位置，在不同位置進(jìn)行多次聚焦，組合構(gòu)建圖像。本發(fā)明利用換能器激發(fā)超聲信號，使激發(fā)能量更大，檢測距離更長，精度和定位更準(zhǔn)確。
文檔編號G01N29/06GK102565193SQ20101061099
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者佟文強(qiáng), 馮展軍, 劉哲, 劉廣文, 王禹欽, 王維斌, 艾慕陽, 蔣先堯, 趙丑民, 陳健峰 申請人:中國石油天然氣股份有限公司