本发明公开了一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法。其步骤为：1)在空心圆柱体中激励出超声导波，用导波接收器分别测得参考信号sref(θ,t)和周向缺陷回波信号sobj(θ,t)；2)根据两信号时间差和声速计算周向缺陷位置；3)对sref(θ,t)、sobj(θ,t)进行二维傅里叶变换、施加相移、做关于n‑θ变换对的一维逆傅里叶变换得到(θ,ω)域上的分布和4)以为参考对进行维纳滤波；5)计算sdec(θ,t)的幅值沿空心圆柱体周向转角θ的分布A(θ)和A(θ)的半高宽，即为空心圆柱体缺陷的周向尺寸。本发明实现了对空心圆柱体周向缺陷的位置及其尺寸的测量，且具有较高精度。
1.一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法，其特征在于方法的步骤如下：
1)在带有周向缺陷的目标空心圆柱体一端的外周环绕粘贴磁致伸缩材料(8)，并在磁致伸缩材料(8)外围绕上激励线圈(5)，然后在周向缺陷(7)和激励线圈(5)之间环绕粘贴磁致伸缩材料(8)；将激励线圈(5)与磁场激励控制器(1)相连，将接收线圈(6)通过导波信号接收器(2)与示波器(3)相连；
2)控制磁场激励控制器(1)发射电压脉冲信号至激励线圈(5)，在激励线圈(5)下方的磁致伸缩材料(8)表面产生交变磁场，进而在空心圆柱体(4)中激励出超声导波信号，接收线圈(6)分别先后接收到首次从激励线圈(5)传播来的参考信号sref(θ,t)和从周向缺陷(7)反射回来的回波信号sobj(θ,t)，其中θ为沿着空心圆柱体周向的角度变量，t为时间变量；
3)根据参考信号sref(θ,t)和回波信号sobj(θ,t)的到达接收线圈(6)的时间差Δt，以及空心圆柱体中导波模态T(0,1)的传播速度c计算出周向缺陷(7)相对于激励线圈(5)的轴向距离zx，计算公式为：式中z0为接收线圈(6)与激励线圈(5)相距的距离；
4)分别对参考信号sref(θ,t)和回波信号sobj(θ,t)进行二维傅里叶变换，得到参考信号sref(θ,t)在(n,ω)域的分布sref(n,ω)，和回波信号sobj(θ,t)在(n,ω)域的分布sobj(n,ω)，其中n为空心圆柱体中导波模态的周向阶数，ω为角频率；
5)对分布sref(n,ω)添加一个相移 对分布sobj(n,ω)添加一个相移 并对相移后的结果做关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换，得到sref(n,ω)在(θ,ω)域的分布 和sobj(n,ω)在(θ,ω)域的分布 其中kn(ω)为某一频率ω下n阶模态的波数；
6)以 为参考信号，对 进行维纳滤波，得到 经滤波后的分布
7)对 进行关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换，得到 在(θ,t)域的分布sdec(θ,t)；
8)计算sdec(θ,t)的幅值沿空心圆柱体周向转角θ的分布A(θ)：A(θ)＝max|sdec(θ,t)|
式中max|sdec(θ,t)|为关于变量θ对|sdec(θ,t)|求最大值；
9)计算出A(θ)的半高宽，即为空心圆柱体缺陷的周向尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤4)中，sref(n,ω)和sobj(n,ω)的计算公式为：sref(n,ω)＝FFT2[sref(θ,t)]sobj(n,ω)＝FFT2[sobj(θ,t)]式中FFT2[]为二维傅里叶变换。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤5)中 和 的计算公式为：
式中IFFTnθ[]为关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤7)中sdec(θ,t)＝式中IFFTωt[]为关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的磁致伸缩材料(8)为镍钴铬合金、铁铝合金、铁钴钒合金中任意一种。
一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及空心圆柱体周向缺陷的无损检测，尤其涉及一种使用导波频散补偿算法检测空心圆柱体周向缺陷位置及其尺寸的方法。
背景技术
[0002] 现今，管道在运输业的应用越来越多，管道事故也随之增多，给国民经济带来了巨大的损失和给人们生命安全带了威胁。所以，对管道进行经济适用、简单有效的无损检测显得特别重要。利用超声导波技术对管道缺陷进行无损检测的技术也吸引了越来越多的关注。
[0003] 在已有的研究中，Gazis等人给出了在线性各向同性弹性假设下的空心圆柱动力学分析计算表达式，他们的工作使得对于计算给定几何和力学参数的管道的色散曲线成为可能。Alleyne和Cawley等人在带有周向凹槽的管道中激发和接收了轴对称纵向导波，他们研究了不同深度和长度凹槽下的回波系数。Lowe和Cawley等人发展了有限元方法来模拟从凹槽反射的低阶回波，并且将仿真结果和实验结果进行对比，取得了比较好的一致性。凹槽深度和长度与导波回波系数有关，这为缺陷定征提供了指导。然而，对于大多数情况，从缺陷的回波信号的信噪比比较低。因此，导波聚焦技术被发展来增强对缺陷的识别能力。
[0004] 导波聚焦可以通过两种方式实现。首先，相控阵激发技术可以发射聚焦过的能量到一给定方向和距离的限定区域。John和Joseph提出了NME(NME,Normal mode expansion)技术来确定通过指定的表面载荷产生的任何模态的导波的幅值。通过在管道圆周上布置相控阵，使用合适的电压和相位延迟，来使被激发的振动能量的角度分布在规定的圆周位置聚焦。Takahiro Hayashi使用半解析有限元方法(SAFE)计算了一个元素的角度普。使用相控阵激发技术和适当的激发电压以及相位延迟可以产生聚焦声场，这大大提高了信号的信噪比。相控阵超声技术在管道无损检测领域有着重要应用，但是费用也很昂贵。
[0005] 除了相控阵技术，导波信号也可以通过色散扣除法聚焦。Takahiro Hayashi等人用磁致伸缩发射器产生了T(0,1)模态的振动，然后用在管道周向8个均布的传感器接收振动信号。周向不同阶数的振动成分是通过一个模式提取技术分离的，色散扣除技术被用来实现缺陷图像的重建。更高的超声频率可以在管道周向和轴向获得更高的分辨率。Jacob Davies和Peter Cawley使用一种叫做合成聚焦的模拟技术来对管道的缺陷进行成像。在Cawley等人的工作得到了不同深度和长度的周向裂纹类似缺陷的图像，同时证明了聚焦系统可以有能力检测尺寸大于1.5λS的周向缺陷。但是这需要在管道上完全对称的激发T(0,1)模态，实际中是很难做到的。除此之外，提高检测缺陷的分辨率往往需要更高的中心频率，然而这会导致失去有效的检测范围。
发明内容
[0006] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法。其具体方案如下：
[0007] 一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法，步骤如下：
[0008] 1)在带有周向缺陷的目标空心圆柱体一端的外周环绕粘贴磁致伸缩材料，并在磁致伸缩材料外围绕上激励线圈，然后在周向缺陷和激励线圈之间环绕粘贴磁致伸缩材料；将激励线圈与磁场激励控制器相连，将接收线圈通过导波信号接收器与示波器相连；
[0009] 2)控制磁场激励控制器发射电压脉冲信号至激励线圈，在激励线圈下方的磁致伸缩材料表面产生交变磁场，进而在空心圆柱体中激励出超声导波信号，接收线圈分别先后接收到首次从激励线圈传播来的参考信号sref(θ，t)和从周向缺陷反射回来的回波信号sobj(θ，t)，其中θ为沿着空心圆柱体周向的角度变量，t为时间变量；
[0010] 3)根据参考信号sref(θ，t)和回波信号sobj(θ，t)的到达接收线圈的时间差Δt，以及空心圆柱体中导波模态T(0,1)的传播速度c计算出周向缺陷相对于激励线圈的轴向距离zx，计算公式为：
[0011]
[0012] 式中z0为接收线圈与激励线圈相距的距离；
[0013] 4)分别对参考信号sref(θ，t)和回波信号sobj(θ，t)进行二维傅里叶变换，得到参考信号sref(θ，t)在(n，ω)域的分布sref(n，ω)，和回波信号sobj(θ，t)在(n，ω)域的分布sobj(n，ω)，其中n为空心圆柱体中导波模态的周向阶数，ω为角频率；
[0014] 5)对分布sref(n，ω)添加一个相移 对分布sobj(n，ω)添加一个相移 并对相移后的结果做关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换，得到sref(n，ω)在(θ，ω)域的分布 和sobj(n，ω)在(θ，ω)域的分布 其中kn(ω)为某一频率ω下n阶模态的波数；
[0015] 6)以 为参考信号，对 进行维纳滤波，得到 经滤波后的分布
[0016]
[0017] 式中 为 的共轭，Q2(θ)为降噪因子，且为不同变量ω下的 之和；
[0018] 7)对 进行关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换，得到 在(θ，t)域的分布sdec(θ，t)；
[0019] 8)计算sdec(θ，t)的幅值沿空心圆柱体周向转角θ的分布A(θ)：
[0020] A(θ)＝max|sdec(θ，t)|
[0021] 式中max|sdec(θ，t)|为关于变量θ对|sdec(θ，t)|求最大值
[0022] 9)计算出A(θ)的半高宽，即为空心圆柱体缺陷的周向尺寸。
[0023] 所述的步骤4)中，sref(n，ω)和sobj(n，ω)的计算公式为：
[0024] sref(n，ω)＝FFT2[sref(θ，t)]
[0025] sobj(n，ω)＝FFT2[sobj(θ，t)]
[0026] 式中FFT2[]为二维傅里叶变换。
[0027] 所述的步骤5)中， 和 的计算公式为：
[0028]
[0029]
[0030] 式中IFFTnθ[]为关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换。
[0031] 所述的步骤7)中 式中IFFTωt[]为关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换。
[0032] 所述的磁致伸缩材料为镍钴铬合金、铁铝合金、铁钴钒合金中任意一种。
[0033] 本发明相对于现有技术的有益效果为：克服现有管道或其他空心圆柱体缺陷检测技术不足，以信号 为参考，使用维纳滤波消除不可避免的非对称激发带来的影响，大大提高了测量结果的精度，对于管道或其他空心圆柱体周向缺陷的位置和周向尺寸的检测具有积极意义。
附图说明
[0034] 图1是导波频散补偿算法检测空心圆柱体周向缺陷检测系统示意图；
[0035] 图2是该检测系统激励线圈所在空心圆柱体截面示意图；
[0036] 图3是该检测系统接收线圈所在空心圆柱体截面示意图；
[0037] 图4是不同空心圆柱体周向位置接收到的时域信号在做频散补偿之前和之后的归一化幅值图。
[0038] 图中，激励线圈控制器1、导波信号接收器2、示波器3、空心圆柱体4、激励线圈5、接收线圈6、周向缺陷7和磁致伸缩材料8。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
[0040] 一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法，步骤如下：
[0041] 1)在带有周向缺陷的目标空心圆柱体4一端的外周环绕粘贴磁致伸缩材料8，磁致伸缩材料8可选用镍钴铬合金、铁铝合金或铁钴钒合金中的任意一种。在磁致伸缩材料8外围绕上激励线圈5，然后在周向缺陷7和激励线圈5之间环绕粘贴磁致伸缩材料8；将激励线圈5与磁场激励控制器1相连，将接收线圈6通过导波信号接收器2与示波器3相连(如图1～3所示)；
[0042] 2)打开磁场激励控制器1、导波信号接收器2和示波器3。控制磁场激励控制器1发射电压脉冲信号至激励线圈5，在激励线圈5下方的磁致伸缩材料8表面产生交变磁场，进而在空心圆柱体4中激励出超声导波信号，接收线圈6分别先后接收到首次从激励线圈5传播来的参考信号sref(θ，t)和从周向缺陷7反射回来的回波信号sobj(θ，t)，其中θ为沿着空心圆柱体周向的角度变量，t为时间变量；
[0043] 3)根据参考信号sref(θ，t)和回波信号sobj(θ，t)的到达接收线圈6的时间差Δt，以及空心圆柱体中导波模态T(0,1)的传播速度c计算出周向缺陷7相对于激励线圈5的轴向距离zx，计算公式为：
[0044]
[0045] 式中z0为接收线圈6与激励线圈5相距的距离；
[0046] 4)分别对参考信号sref(θ，t)和回波信号sobj(θ，t)进行二维傅里叶变换，得到参考信号sref(θ，t)在(n，ω)域的分布sref(n，ω)，和回波信号sobj(θ，t)在(n，ω)域的分布sobj(n，ω)，计算公式为：
[0047] sref(n，ω)＝FFT2[sref(θ，t)]
[0048] sobj(n，ω)＝FFT2[sobj(θ，t)]
[0049] 式中FFT2[]为二维傅里叶变换，其中n为空心圆柱体中导波模态的周向阶数，ω为角频率；
[0050] 5)对分布sref(n，ω)添加一个相移 对分布sobj(n，ω)添加一个相移 并对相移后的结果做关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换，得到sref(n，ω)在(θ，ω)域的分布和sobj(n，ω)在(θ，ω)域的分布 其中 和的计算公式为：
[0051]
[0052]
[0053] 式中IFFTnθ[ ]为关于n-θ变换对的逆向傅里叶变换，kn(ω)为某一频率ω下n阶模态的波数；
[0054] 6)以 为参考信号，对 进行维纳滤波，得到 经滤波后的分布
[0055]
[0056] 式中 为 的共轭，Q2(θ)为降噪因子，且为不同变量ω下的 之和；
[0057] 7)对 进行关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换，得到 在(θ，t)域的分布sdec(θ，t),其中
[0058]
[0059] 式中IFFTωt[]为关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换。
[0060] 8)计算sdec(θ，t)的幅值沿空心圆柱体周向转角θ的分布A(θ)：
[0061] A(θ)＝max|sdec(θ，t)|
[0062] 式中max|sdec(θ，t)|为关于变量θ对|sdec(θ，t)|求最大值
[0063] 9)计算出A(θ)的半高宽(FWHM，Full width at half maximum)，即为空心圆柱体缺陷的周向尺寸。
[0064] 实施例
[0065] 以上述方法对某304不锈钢管道进行检测，管道长为1500mm、外径为101mm、壁厚1mm，在管道一端贴上0.1mm厚、10mm宽的磁致伸缩材料8，磁致伸缩材料8为铁钴钒合金，并在磁致伸缩材料8外围绕上激励线圈5。然后在周向缺陷7和激励线圈5之间，与激励线圈5距离为322mm的地方也贴上磁致伸缩材料8；再控制磁场激励控制器1发射电压脉冲信号至激励线圈5，接收线圈6分别先后接收到首次从激励线圈5传播来的参考信号sref(θ，t)和从周向缺陷7反射回来的回波信号sobj(θ，t)，沿着管道圆周，每隔11°15‘采集一次数据，共采集
32组数据。数据处理过程如前所述，最后A(θ)沿空心圆柱体周向转角θ的归一化幅值(如图4所示)。
[0066] 最终测量结果及其相对误差如下表所示：
[0067]
[0068]
[0069] 从表中可以看出，本发明对于管道周向缺陷的位置和周向尺寸的检测相对误差在1％以内，具有很高的精度。本发明对于空心圆柱体周向缺陷的位置和周向尺寸的检测有很大提高。
