陳 明，潘紅兵，尹 明

（海軍工程大學電子技術(shù)教研室，武漢 430033）

0 引 言

鋼管是一種重要的流體傳輸工具，特別是在石油石化企業(yè)，其應(yīng)用非常廣泛，然而隨著使用時間的增加，鋼管內(nèi)部的腐蝕和破損會加劇，為了確保安全生產(chǎn)，加強對鋼管傳輸系統(tǒng)的損傷檢測是必要的[1]。本文采用美國NI公司的LabVIEW軟件，研制了一種基于虛擬儀器技術(shù)的回聲探傷儀器——GWNDT-I超聲導波無損檢測儀。該儀器系統(tǒng)具有脈沖激勵信號產(chǎn)生，脈沖激勵信號采集，采集數(shù)據(jù)分析處理等功能，并具有良好的人機交互界面。

本系統(tǒng)采用聯(lián)合時頻分析（JTFA）來對采集得到的脈沖信號進行降噪并提取其中的有用信息，系統(tǒng)在對采集得到的信號進行的分析處理中運用了缺陷波形識別法判斷缺陷的類型，運用數(shù)組抽值的方法確定缺陷的精確位置。該超聲導波無損檢測儀可以方便，快速的檢測到管道上的損傷，并對管道損傷進行精確定位，并能提取缺陷的特征，這為后期缺陷類型自動識別系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

GWNDT-I超聲導波無損檢測儀由一臺儀器箱以及配套的一個傳感器線圈和一套安裝在PC上的控制分析軟件組成。儀器箱內(nèi)安置激勵單元，濾波單元，數(shù)據(jù)采集卡，并通過箱體上的串口和USB接口與PC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其安裝在PC上的控制分析軟件是系統(tǒng)的最重要組成部分，GWNDT-I超聲導波無損檢測儀的功能主要依靠該控制分析軟件來實現(xiàn)和擴展。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

按照該檢測儀設(shè)計時的功能模塊來劃分，超聲探傷系統(tǒng)軟件主要分為6個模塊：激勵發(fā)生單元，數(shù)據(jù)采集單元，缺陷降噪單元，缺陷定位單元，缺陷特征分析單元，數(shù)據(jù)保存單元。

圖1 GWNDT-1超聲導波無損檢測系統(tǒng)示意圖

2.1 激勵發(fā)生單元

本系統(tǒng)中的脈沖激勵發(fā)生功能是可以由用戶根據(jù)實際的應(yīng)用情況來設(shè)定的。用戶在控制分析軟件的操作界面上將激發(fā)的各個參數(shù)輸入選擇框中，如激發(fā)頻率，脈沖個數(shù)等。然后當用戶點擊操作界面上的“激勵”按鈕運行該程序時，系統(tǒng)將用戶設(shè)定的各個參數(shù)發(fā)送到儀器箱中的激勵發(fā)生電路，該命令通過計算機上的串口發(fā)送到儀器箱中。激勵發(fā)生電路在接到指令后使發(fā)射傳感器在鋼管中產(chǎn)生一個脈沖彈性導波。

圖2 指令串口發(fā)送程序

圖2所示為指令串口發(fā)送部分的程序。本系統(tǒng)中使用VISA實現(xiàn)串口通信[2]。在程序中首先用“VISA配置串口”函數(shù)將用戶指定的串口按預定設(shè)置初始化，用戶可以在前面板操作界面上選擇框內(nèi)選擇系統(tǒng)搜索到的串口。然后程序清空指定的I/O緩沖區(qū)，將用戶設(shè)置好的各個激發(fā)參數(shù)連接成激勵發(fā)生電路（下位機）可以識別的字符串結(jié)構(gòu)并傳遞給“VISA寫入”函數(shù)，“VISA寫入”函數(shù)將字符串指令發(fā)送給激勵發(fā)生電路。等參數(shù)指令發(fā)送完后系統(tǒng)即關(guān)閉VISA，釋放資源。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是應(yīng)用荷蘭TiePie engineering公司生產(chǎn)的HS4便攜式數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)的。由于是第三方的硬件產(chǎn)品，用LabVIEW對HS4數(shù)據(jù)采集卡進行了功能上的再開發(fā)，調(diào)用了該公司提供的動態(tài)鏈接庫(DLL)，以LabVIEW為平臺設(shè)計了數(shù)據(jù)的采集程序。

HS4便攜式數(shù)據(jù)采集卡的主要性能如下：最大采樣頻率為5M samples/S，輸入信號的范圍是±0.2v到±80v， 單通道最大存儲容量128K個采樣點。

數(shù)據(jù)采集卡有一個觸發(fā)系統(tǒng)，在觸發(fā)系統(tǒng)中有兩種電平參數(shù)可以控制信號的觸發(fā)采集時刻，分別是預觸發(fā)電平和開始觸發(fā)電平。當輸入信號超過預觸發(fā)電平，觸發(fā)系統(tǒng)準備觸發(fā)，當輸入信號電平超過開始觸發(fā)電平，觸發(fā)系統(tǒng)開始觸發(fā)并捕捉脈沖。預觸發(fā)電平和開始觸發(fā)電平結(jié)合為觸發(fā)滯后電平，這些電平由觸發(fā)電平?jīng)Q定。開始觸發(fā)電平相當于觸發(fā)電平。觸發(fā)滯后電平可定義為能被觸發(fā)的信號大小的變化，這個變化必須是兩個被通過的電平之差足夠大，在小信號上，一個小的觸發(fā)滯后導致觸發(fā)也是可能的，所以觸發(fā)延時電平一般應(yīng)大于噪音電平。

用戶在前面板操作界面上設(shè)置好接收的控制參數(shù)，這些參數(shù)會在程序運行時傳遞到調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點的輸入端，通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點將控制參數(shù)傳遞給HS4數(shù)據(jù)采集卡，控制數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)和采集模式。

當激勵發(fā)生單元產(chǎn)生的脈沖彈性導波到達接收傳感器時，將導致接收傳感器鐵磁體內(nèi)磁感應(yīng)強度發(fā)生變化，變化的磁感應(yīng)強度引起接收傳感器線圈中的電壓變化[3]，數(shù)據(jù)采集單元即采集此變化的電壓信號。在軟件的操作界面上用戶可以設(shè)置0到128K的任意長度的數(shù)據(jù)的采樣，并且可以選擇原始采樣數(shù)據(jù)的保存位置。

2.3 缺陷降噪單元

采集到的回波信號中難免會包含環(huán)境噪聲以及系統(tǒng)硬件自己產(chǎn)生的噪聲，為了消除噪聲對缺陷信號的干擾，必須盡量去除噪聲[4]。本系統(tǒng)中使用了兩種方法來去除噪聲，數(shù)字濾波的方法和小波去噪的方法。對于數(shù)字濾波的方法操作界面給用戶提供了多種選擇，本文中選用了Butterworth濾波器，通帶寬度選擇10kHz，中心頻率設(shè)置為跟隨激勵頻率變化，實驗證明去噪效果較好。本系統(tǒng)在進行小波去噪時調(diào)用了MATLAB已經(jīng)比較成熟的小波去噪程序，將保存的原始采樣數(shù)據(jù)在MATLAB中進行小波去噪分析。原始數(shù)據(jù)如圖3所示，處理后的結(jié)果如圖4和圖5。

圖3 帶有噪聲的回波信號

圖4 Butterworth濾波后的回波信號

圖5 經(jīng)過matlab小波去噪后的回波信號

2.4 缺陷定位單元

為了更精確的定位缺陷，我們試圖對采集的數(shù)據(jù)點進行逐點分析，抽取其中最有可能是缺陷的點，找到該點對應(yīng)的實際位置。本文截取了任意兩個脈沖之間的數(shù)據(jù)進行分析。

在鋼管中彈性導波遇到管端截面后會發(fā)生反射，在接收端接收到后會產(chǎn)生一個大的脈沖電壓；導波在鋼管內(nèi)傳播時遇到腐蝕，裂紋等缺陷時也會發(fā)生反射，而這部分反射回來的導波被接收端接收后也會產(chǎn)生一個相對較小的脈沖電壓。由于導波在鋼管的兩端來回反射，故我們在采集這些電壓信息后會得到一組脈沖的信號圖。如圖6所示即為采集得到的一組脈沖信號圖，它是激勵頻率為77K的導波在6.5m長的鋼管中產(chǎn)生的一組回波。

圖6 缺陷示意圖

本文先對這組脈沖信號進行了一次“波峰檢測”，得到2101個峰值點，然后對這些峰值點進行樣條插值的曲線擬合，得到這組脈沖信號的包絡(luò)波形，對獲得的擬合包絡(luò)波形本文再截取其中兩個脈沖之間的數(shù)據(jù)，調(diào)用LabVIEW的“波峰檢測”函數(shù)提取出這兩個脈沖之間的所有的波峰點，共找到峰值點24個。分別將這些波峰點的幅值和相對位置以數(shù)組的形式列出，如圖7所示。從包絡(luò)波形上可以看到有兩處缺陷，它們必然是除兩個管端脈沖之外幅值較大的兩個。于是我們就找到了這兩個缺陷相應(yīng)的相對位置：82.3976，129.086，以及兩個管端脈沖的相對位置：22.4213，188.507。

圖7 抽取缺陷位置程序前面板

兩處缺陷的絕對位置計算如下：

實驗中實際缺陷位置距離管端為2.350m處，以及4.200m處。最大誤差不超過厘米級。

2.5 缺陷特征分析單元

本文對采集得到的回波信號先進行了一次聯(lián)合時頻的分析(joint time frequency analysis，JTFA)。利用短時傅里葉變換的基本原理，同時對信號進行時域和頻域的分析。 該方法將信號的時域分析擴展為信號的能量對時間和頻率的分布，從其時頻分布圖上可以直觀的看到信號中各脈沖的數(shù)目，強度，在時頻面上的分布，以及信號中包括的各頻率分量的組成[5-6]。用LabVIEW實現(xiàn)的聯(lián)合時頻分析前面板如圖8所示。

在超聲探傷的實際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)不同類型的缺陷，其包絡(luò)波形的上升斜率，下降斜率不同，可以用來分析缺陷的性質(zhì)[7-8]。如圖9所示兩個游標縱軸所夾即為該缺陷的上升沿部分，我們將缺陷峰值的20%作為波形上升沿的起始點和下降沿的終止點。

圖8 聯(lián)合時頻分析

圖9 缺陷包絡(luò)測量

本文中所測缺陷上升斜率a1：

一般對于裂紋類缺陷其上升斜率和下降斜率都較大，波形較陡峭；而對于含較疏松雜質(zhì)的缺陷其上升和下降斜率都較小，波形平坦。

2.6 數(shù)據(jù)保存單元

本文對采集得到的未經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的原始波形進行了一次保存，用到了LabVIEW中的“導出波形至電子表格文件”函數(shù)。將采集的數(shù)據(jù)保存為電子表格文件，便于以后進行更進一步的數(shù)據(jù)分析和處理。

同時在得到缺陷的最終分析結(jié)果后，本文將缺陷的精確位置，缺陷的類型保存為文本文檔的格式，提供給使用者方便地查看。軟件的操作界面如圖10所示。

圖10 GWNDT-I超聲導波無損檢測儀軟件系統(tǒng)操作界面

3 結(jié)論

本文介紹了GWNDT-I超聲導波無損檢測儀，及其各組成部分的功能實現(xiàn)。該檢測儀已經(jīng)通過項目驗收，獲得了專家的好評。利用本系統(tǒng)對無縫鋼管進行實驗檢測，對長度5.98m，外直徑42mm，1/3處有13mm通孔；長度6.72m，外直徑38mm，中間有12mm通孔，鋼管1/3，2/3處分別有5mm，10mm通孔鋼管進行了檢測，對采集到的信號進行數(shù)據(jù)的分析與處理，對缺陷進行實際的位置和特征的檢測，發(fā)現(xiàn)兩者很吻合，對缺陷的定位精度較高。實驗表明該儀器已具備了良好的性能，具有方便，快捷，可擴展，便攜式的優(yōu)點，具有很大的應(yīng)用前景。同時本系統(tǒng)對缺陷的軟件分析和處理方法還有提高和優(yōu)化的空間，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)的軟件處理手段可以更進一步提高系統(tǒng)的性能。

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