曹建樹，鐘 君，李家政，羅振興，張海超，王 慶

（1.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

基于LabVIEW的激光超聲管道檢測系統(tǒng)

曹建樹1，鐘 君1，李家政1，羅振興2，張海超1，王 慶1

（1.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

油氣管道在日常生活和經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，同時也存在著安全隱患，各種油氣管道爆炸事件時有發(fā)生，給人們的生活和財產(chǎn)帶來威脅。為保證油氣管道的安全有效運行，應(yīng)定期對其進行檢測。激光超聲檢測技術(shù)相對于傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)具有更高的空間分辨率，這一優(yōu)點使其具有檢測油氣管道微小缺陷的潛力。該文根據(jù)激光超聲檢測原理，設(shè)計基于LabVIEW的激光超聲燃氣管道檢測系統(tǒng)，重點介紹系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、運動控制和數(shù)據(jù)分析模塊，解決從激光超聲信號的激勵到數(shù)據(jù)采集、信號分析處理和缺陷識別等技術(shù)問題，實現(xiàn)油氣管道各類缺陷的快速檢測的目的。通過對帶有周向裂紋管道做檢測實驗，結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的檢測性能，對解決激光超聲測量與診斷問題具有實際意義。

激光超聲；LabVIEW；管道檢測；系統(tǒng)設(shè)計；裂紋缺陷

0 引 言

激光超聲檢測技術(shù)是利用激光脈沖激發(fā)并檢測超聲波，以實現(xiàn)無損檢測的一種方法，已逐漸成為材料無損檢測的一種重要手段和發(fā)展方向。相對于傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)而言，激光超聲具有更高的空間分辨率，即使是常用的激光系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)微米量級的空間分辨率[1-2]，這一優(yōu)點使得激光超聲檢測技術(shù)具有檢測各類微小缺陷的巨大潛力。另外，它還具有無需耦合劑、遠距離完全非接觸檢測、適合于高溫高壓與輻射等危險環(huán)境等優(yōu)點[2-4]，因此在無損檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。由于受激光超聲本身、聲傳播介質(zhì)、隨機噪聲等多種因素的影響，接收到的超聲信號通常是比較復(fù)雜的疊加波形。從信號中提取有用的波形信息是管道缺陷檢測的關(guān)鍵，因此需要研究有效、準確的管道檢測激光超聲信號處理方法。

本文基于LabVIEW設(shè)計了激光超聲管道檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和快速處理，利用步進電機控制管道的周向轉(zhuǎn)動和軸向平動，實現(xiàn)對管道表面的全面檢測。試驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)可以準確地檢測出管道外表面的裂紋缺陷，能夠滿足管道缺陷檢測需求，具有實際應(yīng)用價值。

1 激光超聲的基本原理

1.1 激光激發(fā)超聲波

脈沖激光在物體表面通過熱彈效應(yīng)或燒蝕效應(yīng)激發(fā)超聲波[5-7]。當(dāng)入射脈沖激光功率密度小于材料損傷閾值時，材料表面會形成瞬態(tài)熱效應(yīng)，導(dǎo)致表面材料快速膨脹形成應(yīng)變和應(yīng)力場而激勵出超聲波；當(dāng)入射脈沖激光功率密度大于材料損傷閾值時，材料表面將有一薄層材料被瞬間燒蝕氣化，并且伴隨有小部分物質(zhì)會從激光照射點高速噴射出，同時產(chǎn)生一個瞬間反作用力作用于物體表面激發(fā)出超聲波。燒蝕效應(yīng)與熱彈效應(yīng)相比，能激勵出較強的橫波、縱波、表面波等，但會造成材料表面幾微米的損傷，僅適用于某些特殊場合。

圖1 激光干涉法檢測超聲原理

1.2 激光干涉法檢測超聲波

激光干涉法檢測超聲波時，用一束單一頻率、高相干長度的檢測激光照射到被測物體的表面后被反射，被測物體的任何表面振動都會對入射激光進行調(diào)制，引起反射光頻率或相位的變化，原理如圖1所示。超聲波在物體表面?zhèn)鞑セ蛘叩竭_物體表面的體波都會引起物體表面的微小位移，該位移被調(diào)制進入反射光或散射光的相位中，使得連續(xù)激光中相位信息發(fā)生了相應(yīng)變化。連續(xù)激光中的相位信息不能直接被光電傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，為了提取連續(xù)激光中的相位信息，將反射的連續(xù)光送入干涉儀進行干涉。干涉儀會將反射的連續(xù)激光中的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)幅值變化，其很容易利用光電傳感器檢測出來，并且輸出電壓信號[8-9]。

2 激光超聲管道檢測系統(tǒng)組成

圖2 激光超聲管道檢測系統(tǒng)構(gòu)成

激光超聲管道缺陷檢測系統(tǒng)如圖2所示，包括硬件和軟件兩部分。脈沖激光達到管道表面后在其表面激發(fā)出多種模式的超聲波，其傳播過程中遇到缺陷會發(fā)生反射、衍射等現(xiàn)象；超聲波引起管道表面振動，激光干涉檢測系統(tǒng)接收后將位移信息轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸出給數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換；最后將采集到的數(shù)據(jù)在計算機里完成分析和圖像顯示。軟件部分主要完成管道的轉(zhuǎn)動和移動控制、數(shù)據(jù)采集保存、數(shù)據(jù)分析、圖像顯示等功能。

在硬件系統(tǒng)中，選用法國Quantel公司生產(chǎn)的Q開關(guān)Nd：YAG型脈沖激光器，其波長為532 nm，光斑直徑為6 mm，脈沖寬度為6 ns，最大重復(fù)頻率為20Hz，單個脈沖最大能量為45mJ，并且脈沖激光的重復(fù)頻率和能量都可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。雙波干涉激光超聲檢測器AIR-1550-TWM是美國IOS公司生產(chǎn)的工作波長為1550nm、檢測帶寬為125 MHz的激光超聲檢測器，配置緊湊的光纖耦合檢測頭，其傳感器可以滿足遠程檢測，適用于復(fù)雜的幾何形狀或難以接近檢測區(qū)域的應(yīng)用。高速數(shù)字化儀PCI-5114由美國NI公司生產(chǎn)，具有125MHz帶寬、250MS/s最大實時采樣率，能夠滿足激光超聲管道檢測系統(tǒng)的設(shè)計需求。設(shè)計的機械運動機構(gòu)包括直線位移平臺和鋼管旋轉(zhuǎn)機構(gòu)兩部分，實現(xiàn)管道最小步長6.3μm的高精度軸向移動和轉(zhuǎn)動。

圖3 激光超聲管道檢測系統(tǒng)總體方案圖

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

激光超聲管道檢測系統(tǒng)總體方案如圖3所示，主要包括運動控制和信號采集與分析兩大模塊。其中運動控制模塊主要是對兩個步進電機的控制，實現(xiàn)管道的周向旋轉(zhuǎn)運動和軸向移動；數(shù)據(jù)采集與分析模塊主要功能是根據(jù)設(shè)置的相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)對激光超聲信號的采集、降噪、去噪、顯示、分析成像等操作[10-13]。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集前面板如圖4所示，主要實現(xiàn)采集初始化，包括設(shè)備編號選取、采用通道、采樣率、采樣點數(shù)以及觸發(fā)模式的配置等。采用NI-SCOPE相關(guān)VI編寫數(shù)據(jù)采集模塊程序。雙波混合干涉儀是利用激光干涉法檢測超聲波，它的靈敏度要比壓電換能器低很多，而且特別容易受到外界干擾信號的影響。當(dāng)采用熱彈機理激發(fā)超聲波時，脈沖激光單次激發(fā)產(chǎn)生的超聲波很微弱，再加上超聲波在材料中傳播時自身的衰減以及各種干擾的存在，往往使得某些十分微弱超聲波特征信號淹沒在復(fù)雜的噪聲當(dāng)中。數(shù)字平均法可以將淹沒在強噪聲里的微弱激光超聲信號識別出來，提高其信噪比[14-15]，故在設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序模塊時引入數(shù)字平均法。數(shù)據(jù)采集模塊流程如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊前面板

3.3 運動控制模塊設(shè)計

激光超聲機械掃描機構(gòu)運動控制的用戶界面如圖6所示，在主界面上主要實現(xiàn)掃描機構(gòu)位置歸零、運動到指定位置或角度、掃描起始位置、掃描點數(shù)、掃描步長等參數(shù)設(shè)置。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖6 運動控制模塊前面板

運動控制模塊的設(shè)計流程為：兩個步進電機的控制都采用絕對運動模式，掃描檢測實驗開始之前需要讓掃描機構(gòu)歸零找到絕對零點，然后將掃描機構(gòu)快速運動到掃描起始點的周向位置和軸向位置；當(dāng)所有的參數(shù)設(shè)置好后開始掃描檢測，首先采集數(shù)據(jù)，判斷是否達到周向掃描點數(shù)，若沒有達到周向掃描點數(shù)，管道周向步進旋轉(zhuǎn)指定角度，在新的位置開始采集數(shù)據(jù)；若達到周向掃描點數(shù)，則判斷是否達到軸向掃描點數(shù)，若沒有達到軸向掃描點數(shù)，則管道軸向移動指定距離，開始新的一輪周向掃描；當(dāng)達到軸向指定掃描點數(shù)后，掃描過程結(jié)束。

3.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

在激光超聲信號采集過程中會受到環(huán)境、電路、設(shè)備等多種不確定因素的共同影響，使得原始激光超聲數(shù)據(jù)不能夠及時直接地傳遞表征燃氣管道缺陷相關(guān)的信息，因此需要將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過某些特定環(huán)節(jié)的分析處理。激光超聲數(shù)據(jù)分析模塊如圖7所示，主要完成激光超聲信號的數(shù)字濾波、小波去噪、幅值分析、時頻分析、特征提取等功能，以便得到激光超聲檢測所需要的信息，用于管道缺陷的表征工作。

圖7 數(shù)據(jù)分析模塊前面板

圖8 數(shù)據(jù)分析流程圖

數(shù)據(jù)分析流程如圖8所示，首先選擇數(shù)據(jù)分析類型，根據(jù)需要對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，然后程序自動根據(jù)參數(shù)設(shè)置進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理并顯示成像，若成像效果滿意，則結(jié)束數(shù)據(jù)分析。

4 管道缺陷檢測實驗及結(jié)果分析

4.1 實驗試件

實驗試件如圖9所示，管道長度為180mm，內(nèi)徑為41mm，外徑為46mm（管道原始外徑為48mm，在車床上切削去掉表面的氧化皮，切削深度為1mm)。在試件外表面利用線切割加工寬度為0.2 mm，徑向最深處0.8mm的周向裂紋。

圖9 實驗試件

圖10 實驗方案

4.2 實驗方案

外表面周向裂紋的檢測分為透射法周向掃描和軸向掃描2種方案，這2種掃描方案檢測點和激發(fā)點之間的距離保持不變，如圖10所示。周向掃描時管道旋轉(zhuǎn)60°，沒有軸向移動；軸向掃描時管道軸向移動距離為25mm，沒有周向轉(zhuǎn)動。

4.3 信號分析

透射法在有缺陷和無缺陷位置的原始信號經(jīng)過500kHz高通濾波和15MHz低通濾波后如圖11（a)所示。由圖可知在1μs之前，兩者波形基本一致，說明此時超聲波還沒有傳播到檢測點；在2.5μs無缺陷信號表面直達波的幅值很大，幅度可達22mV，而在有缺陷處的時域信號表面直達波的到達時間延遲了0.2μs，幅值減弱許多，振動幅度約為11mV。說明表面裂紋缺陷不僅對表面直達波有很大的削弱作用，而且還會使表面直達波到達時間延遲。

圖11 不同檢測位置信號分析

圖12 透射法周向掃描成像

圖13 軸向掃描成像

軸向掃描的原始信號經(jīng)過900 kHz高通濾波和15MHz低通濾波處理；當(dāng)檢測光還在缺陷同一側(cè)時，對比分析檢測光遠離裂紋和在裂紋邊緣時信號的區(qū)別，結(jié)果如圖11（b)所示。當(dāng)在2μs之前兩者信號區(qū)別不大，因為超聲波還沒有傳播到檢測點；2～7.5μs之間，檢測光靠近缺陷邊緣表面直達波的幅度要大于遠離缺陷處正常信號的直達波。這是因為在缺陷的邊緣處，入射表面直達波與遇到缺陷會發(fā)生反射的反射波發(fā)生了疊加，所以該檢測點的振動幅度遠大于其他位置。

4.4 數(shù)據(jù)成像分析

管道外表面周向裂紋透射法B掃描檢測成像結(jié)果如圖12所示。由圖可知在0～30°的無周向裂紋區(qū)域，聲場處于正常狀態(tài)；在30°～55°有周向裂紋區(qū)域內(nèi)聲場發(fā)生畸變，此區(qū)域內(nèi)2.5μs處表面波的幅值減小，而且其到達時間也產(chǎn)出延遲。

軸向掃描檢測管道周向裂紋時的B成像結(jié)果如圖13所示。由圖可知在掃描開始位置缺陷回波的到達時間大約是7.5 μs，隨著檢測點向周向裂紋缺陷移動，缺陷回波的到達時間也慢慢提前，當(dāng)檢測點移動到裂紋缺陷邊緣處時，缺陷回波與表面直達波重合，重合的時間點在2.5 μs。當(dāng)只有檢測點越過裂紋，激發(fā)點還處于裂紋另一側(cè)時，其聲場與透射法檢測方案的聲場基本類似；當(dāng)檢測點和激發(fā)點都越過裂紋時，隨著距離缺陷變遠，曲線回波的到達時間也逐漸延遲，軸向掃描得到的聲場中的畸變區(qū)域以倒梯形形狀分布。

5 結(jié)束語

本文利用激光超聲檢測原理，設(shè)計搭建了激光超聲管道缺陷檢測系統(tǒng)，基于LabVIEW開發(fā)設(shè)計了激光超聲管道檢測系統(tǒng)軟件，軟件界面友好，操作方便，且具有良好的開放性和擴展性。試驗結(jié)果表明整個檢測系統(tǒng)可靠性好，可以準確地檢測出管道外表面的裂紋缺陷，能夠滿足管道缺陷檢測需求，為后續(xù)研究提供試驗基礎(chǔ)。

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Inspection system of pipeline by laser ultrasonic based on LabVIEW

CAO Jianshu1，ZHONG Jun1，LI Jiazheng1，LUO Zhenxing2，ZHANG Haichao1，WANG Qing1
（1.College of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Oil-gas pipeline plays an important role in daily life and economic construction.At the same time，there are security risks in oil-gas pipeline and pipeline explosions have occurred sometimes， which brings threat to people’s life and property.Thus oil-gas pipeline shall be regularly inspected to ensure safe and effective operation.The laser ultrasonic inspection technology has higher spatial resolution compared with the traditional laser ultrasonic inspection technology，which makes it have the potential to detect micro defects.A laser ultrasonic pipeline inspection system based on Labview is designed according to the principle of laser ultrasonic inspection in this paper.This paper focuses on the introduction of data acquisition，motion control and data analysis module of the system and the design solves many technical problems covering incentive of laser ultrasonic signal，data acquisition，signal analysis and defect identification，which achieves rapid inspection ofvarious defects ofoil-gas pipelines.Afterinspection testforpipelines with circumferential cracks，the results show that the system has excellent inspection performance，and it is practical for laser ultrasonic measurement and diagnosis.

laser ultrasonic；LabVIEW；pipeline inspection；system design；crack defect

A

1674-5124（2017）10-0080-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.016

2016-11-20；

2016-12-18

曹建樹（1971-)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)市人，副教授，博士，研究方向為油氣管道檢測技術(shù)。

（編輯：商丹丹）