（检测技术与自动化装置专业论文）基于超声技术的海底管道检测系统的研究.pdf

， 1 燮型一删嬲 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 摘要 本课题是在国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标验及率定关键 技术研究 ( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) 的背景下，开发研制基于超声技术的海 底管道检测系统。管道运输已经成为输送石油、天然气等能源的主要运输手段， 近年来我国海底管道由于腐蚀、形变等原因造成的管道泄漏事故时有发生，为了 保障在役管道的安全运行，应对其进行定期检测，以便及时发现问题，采取措施。 超声波检测技术以其检测速度快、可靠、经济，已经成为无损检测领域现在使用 较为广泛的检测方法，基于此目的，本文研制基于超声技术的海底管道检测系统， 并对回波信号进行处理，最后设计一套友好的人机交互式界面，对管道缺陷进行 在线显示。 本文首先介绍了检测系统的工作原理，通过研究国内外检测系统的发展现 状，并且结合国家8 6 3 资助项目的要求指标，给出了本系统欲达到的一些性能参 数和指标，继而设计出整个检测系统的总体设计思想和结构框架。下一章中详细 介绍了硬件设计的核心部分。首先，超声探头的筛选是非常重要的一环，整个系 统的信号发射和接收都依赖探头进行。继而在满足精度要求的情况下一一介绍了 超声激励电路、发射电路、接收电路、回波放大电路以及高速a d 数据采集部 分。采集到海底管道的信号，完成了本课题的基础工作。本文选用小波理论对采 集的信号进行去噪、尖峰提取等一系列的处理流程，在设计的人机交互式界面上 真实直观的显示出来，完成海底管道缺陷的在线检测系统。 本课题在实验室设计出一套完整的检测系统，模拟实际的管道环境，运用本 课题设计的检测系统和超声回波信号处理方法，实时显示检测情况，实现了缺陷 在线检测和分析功能，达到本论文预期设定的性能参数和指标。本课题的研究具 有现实意义，不仅对在役长海岸线的管道检测奠定了基础，而且对超声回波信号 处理有一定的参考应用价值。 关键词：超声检测系统超声检测小波去噪小波包l a b v i e w 尖峰提取 i i 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo fs u b m a r i n ep i p e l i n ef l a wd e t e c t l 0 i n s y s t e mb a s e do fu l t r a s o n i ct e c h n i q u e a bs t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es t a t e8 6 3p l a np r o j e c t ”r e s e a r c ho ns t a n d a r d i z a t i o n a n dc a l i b r a t i o no fo i la n dg a sp i p e l i n ed e t e c t i o nd e v i c e ( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) t h e nd e v e l o pas e to fs u b m a r i n ep i p e l i n ed e t e c t i o ne q u i p m e n tb a s e do nu l t r a s o n i c t e c h n i q u e p i p e l i n eh a sb e c o m et h em a i nm e a n so ft r a n s p o r ts u c ha so i l ，g a sa n do t h e r e n e r g y i no r d e rt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fp i p e l i n es e r v i c e , w es h o u l dc a r r yo u t r e g u l a rt e s t i n g , f i n dp r o b l e m sa n dt a k em e a s u r e s u l t r a s o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yf o r i t s l l i g hs p e e d ，r e l i a b l ea n de c o n o m i c ，h a sb e e nb r o a d l yd e t e c t i o nm e t h o d i n n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gf i e l d f o rt h i sp u r p o s e , t h i sp a p e rd e v e l o p e das y s t e mb a s e do n u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e mo fs u b m a r i n ep i p e l i n e , t h e np r o c e s st h ee c h os i g n a l ， t h ef i n a ld e s i g no faf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew h i c hc a l ld i s p l a yt h e p i p e l i n ed i s p l a yo n l i n e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft e s t i n gs y s t e m ，t h e nb ys t u d y i n gt h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o 俪印，c o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n to ft h es t a t e 8 6 3f u n d e dp r o j e c t s ，t h ep a p e rg i v e st h es y s t e mr e a c h i n gt h ee x p e c t e dp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n di n d i c a t o r s ，t h e nd e s i g n st h eo v e r a l ld e s i g nt h i n k i n ga n ds t r u c t u r a l f r a m e w o r k t h en e x tc h a p t e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o r ec o m p o n e n t si n d e t a i l f i r s t ，t h eu l t r a s o n i cp r o b es e l e c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l e s y s t e mr e l i e so nt h es i g n a lt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gp r o b e i ns a t i s f i e do fa c c u r a c y r e q u i r e m e n t st h ep a p e rt h e nd e s c r i b e st h es i t u a t i o no fu l t r a s o n i ce x c i t a t i o nc i r c u i t , t r a n s m i t t e rc i r c u i t ，r e c e i v i n gc i r c u i t ，e c h oa m p l i f i e rc i r c u i ta n dh i g h s p e e da dd a t a a c q u i s i t i o np a r t i ts a m p l e ss u b m a r i n ep i p e l i n ee c h os i g n a lt oc o m p l e t et h eb a s i cw o r k o ft h i s t o p i c ，w e u s et h ew a v e l e tt h e o r yt o p r o c e s s e c h o s i g n a l ，s u c h a s d e n o i s i n g ，e x t r a c t i o ns p i k e t h e nd i s p l a yt h er e s u l ti nm a n m a c h i n ei n t e r f a c et os h o w u p t h u sc o m p l e t et h es u b m a r i n ep i p e l i n ed e f e c t so n l i n es y s t e m t h es u b j e c td e s i g n sac o m p l e t et e s t i n gs y s t e mi nl a b o r a t o r y i ts i m u l a t e st h er e a l p i p e l i n ee n v i r o n m e n t ，b yt h ep a p e rd e s i g n e du l t r a s o n i ce c h of l a wd e t e c t i o ns y s t e m a n du l t r a s o n i ce c h os i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，i tc a nr e a lt i m ed e t e c to ft h ef l a w i i i s i t u a t i o na n dr e a l i s et h el i n ed e t e c t i o na n da n a l y s i s c a p a b i l i t i e s t h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n di n d i c a t o r sb yt h ep a p e re x p e c t e dh a sb e e nc o m et u r e t h es t u d yo ft h e t o p i ch a st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e n o to n l yo nt h el o n gc o a s t l i n eo ft h ep i p e l i n ei n s e r v i c ei n s p e c t i o nb a s i s ，b u ta l s oi nt e r m s o fu l t r a s o n i ce c h os i g n a lh a sac e r t a i n r e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e mu l t r a s o n i c t e s t i n gw a v e l e t t h e o r yw a v e l e tp a c k e td e - n o i s i n gl a b v i e w s p i k ee x t r a c t i o n i v 青岛科技大学研究生学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 2 管道检测技术的现状1 1 3 超声检测技术与检测系统的发展趋势4 1 3 1 超声检测技术的发展趋势4 1 3 2 超声检测系统的发展趋势5 1 4 超声波检测系统5 1 5 本文的主要研究内容7 第二章管道缺陷超声检测系统的总体方案设计9 2 1 系统的基本工作原理9 2 1 1 超声波理论基础9 2 1 2 超声检测扫描方式及显示方法9 2 1 3 超声波检测系统工作原理1 0 2 2 系统的性能指标和功能需求1 2 2 3 系统的总体设计思想和设计框架1 2 2 4 本章小结1 3 第三章管道缺陷超声检测系统的硬件设计1 5 3 1 超声探头的选择与研制原则1 5 3 2 超声发射与接收电路的设计1 8 3 2 1c p l d 概述1 9 3 2 2x d 9 5 0 0 系列c p l d 的性能特点啪1 1 9 3 2 3 基于c p l d 的超声发射电路设计2 3 3 3 回波放大电路的设计2 8 3 4 高速a d 数据采集的设计2 9 3 4 1 采样定理3 0 3 4 2 量化3 l 3 4 3a d 数据采样频率的确定3 2 3 5 实验结果分析3 2 3 6 本章小结3 4 第四章超声回波信号的研究处理3 5 4 1 小波包分析3 6 4 1 1 小波包的定义3 6 4 1 2 小波包的分解与重构3 7 4 2 超声回波信号小波包去噪处理3 8 4 2 1 最优基的选取3 9 v 4 2 2 阈值的选取4 1 4 3 超声回波信号峰值提取4 2 4 4 本章小结4 5 第五章超声检测系统的交互式界面实现4 7 5 1 总体目标与任务4 7 5 2 软件总体设计4 7 5 3 软件主面板的设计4 8 5 3 1 信号采集模块5 l 5 3 2 信号分析模块5 4 5 3 3 信号存储模块5 7 5 3 4 信号显示模块5 8 5 4 软件的调试运行5 9 5 4 1 运行v i 5 9 5 4 2 调试v i 5 9 5 5 本章小结6 0 总结与展望6 l 参考文献6 3 致谢6 7 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况说明6 8 独创性声明6 9 关于论文使用授权的说明7 0 v i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 石油及天然气开采后，往往需要异地输送，其距离可达数千公里。输送管 道作为一种经济、高效而且安全的输送手段一直被人们所关注【i 】。但管道经过 长期的使用，金属管壁因受到流体冲刷、电化学腐蚀等作用会出现机械裂纹或 者腐蚀，最终导致输送效率降低或输送介质泄漏等恶性事故。由于多数管道都 铺设在地下或海底，所以一旦出现事故，管道的维修和抢修将会成本非常高。 因此，做好管道在役检测工作已经成为各国所关注的重大问题。 我国铺设的油气输送管道已达3 0 1 0 k m ，而且正在以每年1 0 0 0 - 2 0 0 0 k m 的速度铺设新管道。由于建成投入使用的年限长，大部分使用年限已经很长， 且由于原设计和施工标准不高，管道已经年久腐蚀，又缺乏检测和维修，已进 入事故多发期，或者接近事故多发期。 本论文是结合国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标验及率定 关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) 而进行的。项目的总目标是：根据 0 2 9 7 3 2 5 油气输送管道的使用要求，模拟实际的海底管道使用环境，在实验 室建立模拟试验系统，研究海底管道缺陷检测技术，探讨适合我国国情、可供 现场使用的管道在役检测技术和方法，以满足国内石油、天然气运输管道在役 检测需求。 1 2 管道检测技术的现状 管道长时间使用后，会发生腐蚀，通常表现为管道管壁变薄，出现局部的 凹坑和裂纹。管道检测技术就是主要检测壁厚来进行分析的。管道的缺陷大体 可分为三类：一、腐蚀。管道的内、外部由于自然、电化学因素造成的金属损 伤。所以又分为内腐蚀和外腐蚀两种情况。对于有包覆层的管道，外部腐蚀是 由于包覆层的缺损而造成的。内部腐蚀是由于管道运输腐蚀性的气体、液体或 者浆体造成的。二、机械破坏，主要包括弯曲变形等。这是由管道外力作用而 引起的，比如安装或埋藏时失误操作，都有可能引起机械破坏。三、制造缺陷。 有几种制造缺陷可以导致管道事故的发生。最为常见的一种是管道的纵向焊缝， 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 它就像轴向或是径向生长的裂纹一样。所以为了确保管道的运输安全，必须对 管道安全性进行有效评价。 无损检测是在不损坏产品的前提下运用各种物理和化学方法，对管道进行 有效地检测，发现被测对象内部和外部的缺陷，从而评估它们的完整性、可靠 性以及一些物理特性。迄今为止，无损检测经历了三个发展阶段，无损检测阶 段、无损检测阶段、无损评价阶段。无损检测技术正被广泛的应用于金属材料、 非金属材料、以及一些电子元器件的检测之中。 无损检测的方法有很多【1 6 1 ，在没有开挖管道的情况下进行管道内腐蚀检测 技术一般有漏磁通法、超声波法、激光法、涡流法、电视法等。其中激光检测 法和电视测量法需和其他方法配合使用才能得出有效准确的腐蚀数据，而涡流 检测法虽然可适用于多种黑色和有色金属，探测裂纹、蚀孔、局部腐蚀和全面 腐蚀，但是涡流对于铁磁材料的穿透能力很弱，只能用来检查表面腐蚀。而且， 如果金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或磁性氧化物，就会给测量结果带来难 以避免的误差。另外，由于涡流法的检测结果与被测金属的电导率有着密切的 关系，为了提高测量精度还要求被测系统最好保持恒温。所以，现在使用较为 广泛的管道检测方法是超声波检测法和漏磁检测法【2 5 】。 其中，超声波检测具有直接测量和定量化的特点，检测精度高。漏磁检测 则局限于材料表面和近表面的检测，被测管壁不能太厚，而且检测干扰因素多， 精度较低 6 - s 。 l 、漏磁检测 管内漏磁检测的工作原理如图1 1 所示，当对管道进行内检测时，线圈产 生交变磁场进入被测管道。此时，若被测管道没有受损，即不存在缺陷，则磁 力线将不外溢，若被测管道已受损减薄或存在裂缝，部分磁力线将外溢，此时 利用磁敏探头采集信号，通过对信号的分析，即可确定管道的受损情况。 无缺陷 管璧缺陷 探头管壁 图1 1 漏磁通法检测管道 f i gl - ld e t e c t i o np i p e l i n eo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g e 2 青岛科技大学研究生学位论文 由于漏磁法不是直接检测管壁厚度，而且漏磁信号和缺陷之间为非线性关 系，检测信号易受到管壁缺陷的长度、深度和缺陷形状的影响。因此，使用漏 磁法检测管壁厚度时要求被测管道薄厚较薄，它不适合于管壁较厚的无损检测。 当缺陷的面积大于探头的灵敏区时壁厚的检测精度高，而当缺陷的面积小于探 头的灵敏区时壁厚的检测精度难以得到保证。因此，漏磁检测法分为高分辨率 检测和低分辨率检测两种方法。高、低分辨率的划分以所用探头数的多少或各 探头间的周向间距而定，一般为8 - 6 0 m m 。探头数愈多，各探头之间的周向间 距愈小，分辨率越高，则检测精度就越高。高分辨率漏磁检测法对槽型缺陷有 良好的检测效果，对长宽比大于2 ，宽度小于探头周向间距的槽型缺陷( 约 3 0 x l o m m ) ，当用探头周向间距为3 0 - 4 0 m m 的漏磁检测法检测时，壁厚的检测 值明显偏小。而采用探头周向间距为8 m m 的漏磁检测法再次对这种缺陷进行检 测时，则能精确测量出管道壁厚【9 】。 2 、超声波检测 超声波检测法主要利用超声波的脉冲反射原理来测量管壁腐蚀后的厚度， 其检测原理如图1 2 所示，检测时垂直于管壁的超声探头对管壁发出一个超声 脉冲，探头首先接收由管壁内表面反射的回波，随后接收由管壁外表面反射的 回波。于是，探头至内壁的距离a 可以通过内表面反射回波的时间计算，而壁 厚t 则由内、外表面反射回波的时间差来确定。管道内、外壁受损时，仅仅根 据壁厚t 尚无法判别管道属内壁受损还是外壁受损，还需要参照探头至内壁的 距离a 。这种检测方法是管道缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理很简 单，而且对管道材料的敏感性小，检测时不受管道材料杂质影响。此外，超声 波法主要是利用超声波传播能量大、方向性好并在不同介质的界面上具有反射 的性质。超声波检测的优点主要有：灵敏度高、穿透力强、检测灵活、成本低、 效率高、对人体无损害，同时还能准确分辨管道的内外壁腐蚀、管道的变形、 腐蚀等缺陷，为确定管道的使用期限和维修方案提供了极大的方便1 9 。这种方 法的不足之处就是超声波在空气中衰减很快，检测时一般要有传播介质，如油 或水等【l o 】 3 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 外疃疑薄管照瞄瓒 与 城正比与t 成正比 图1 2 超声法检测管道原理图 f i g l 0 2d e t e c t i o np i p e l i n eo f u l t r a s o n i c 1 3 超声检测技术与检测系统的发展趋势 1 3 1 超声检测技术的发展趋势 近2 0 年来，由于计算机技术和高速器件的不断发展，超声检测技术也由模 拟检测发展到数字化检测，取了巨大的进步，超声检测技术日趋成熟。 超声检测使用的频率一般为数兆赫或更高，对其射频信号进行数字处理时的 电子元件的性能要求比较高，因此数字信号处理技术在超声检测方面的应用一直 到2 0 世纪8 0 年代初才开始，目前其实用性产品仍不多。近十年来，随着电子产 业的进步，各种现代数字信号处理引入超声检测研究，使得以往很难解决或只是 理论上可以解决的问题得到切实解决。定量化是数字信号处理用于超声检测的主 要目的之一。到目前为止，工业上超声无损检侧大多还停留在了解材料与构件内 是否有缺陷，或凭经验判断缺陷的大小与位置。近期的理论与实验研究表明，采 用多参量的超声数字信号处理可给出检测的量化结果，如缺陷的大小、位置、形 状或性质。数字信号处理与模式识别用于超声检测的主要目的是分离与识别一些 复杂的检测信号。如粗晶奥氏体钢超声检测由于信噪比很低，使各国学者不断探 索新解决途径，近期将现代数字信号处理与人工神经网络用于超声检测，人们己 能探测出各类奥氏体钢构件中的缺陷。类似的例子还有纤维增强复合材料、岩石 及混凝土等的超声无损检测。新型信号分离与识别技术使超声检测较好地适应了 新材料及其它工业发展的需求，计算机技术与电子技术的飞速发展及其成本的大 幅降低，加快了采用现代数字信号处理的超声检测仪器的工业应用步伐。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 2 超声检测系统的发展趋势 近年来，以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速的发展，与i t 技 术紧密关联的超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展n ，主要表现在以下几 个方面： 1 、随着半导体工艺的进步，大规模的数字集成电路有了长足发展，一些功 能复杂的电路都集成在一小芯片上。r a m 、f l a s h 等存储芯片的密度和容量越来越 大，计算机的运算速度、单片机和d s p 的控制运算能力越来越强，a d 转换速度 越来越快，精确度越来越高，这些都大大促进超声模拟信号处理的数字化进程。 2 、a s i c 技术和以f p g a 、c p l d 为代表的可编程器件的发展，使得集成电路的 设计发生了巨大变化。电子产品的研发过程，不再是单纯的使用集成电路，而是 将系统的某些功能或整个系统设计成用户定制的专用集成电路或者直接由f p g a 、 c p l d 来实现。 3 、计算机以其开放的总线结构为工业控制和测试仪器提供了硬件和软件平 台。特别是计算机外围接口的扩展，如传统串口、并口和现在流行的u s b 接口， 方便地为计算机与外围设备通信，将大量数据高速的传送到计算机内部，依靠其 强大的处理能力，对数据进行各种复杂运算。 1 4 超声波检测系统 由于超声波检测技术的自身优点，及其在国民经济领域的重要作用，因此， 研制和开发高性能的超声波检测系统成为了无损检测领域一个重要课题，系统 的性能直接影响着检测过程的时效性和检测结果的准确性。 1 、超声波检测系统的主要性能指标 超声波检测系统的性能包括仪器的电子设备性能和超声波探头性能。针对 这些性能，我国颁布了a 型脉冲反射式超声波检测仪通用技术条件和超声检测 探头性能测试方法等标准，这些标准对超声波检测系统的各项指标作了明确规 定，主要指标如下所示： 工作频率：即超声波探头频率。在很大程度上它决定了超声波检测系统的 能力。在一般接触法检测中，对晶体颗粒小的材料采用2 5 5 m h z ，对晶体颗粒 大的材料采用0 5 1 m h z 。 重复频率：即超声波脉冲的发射频率。由于发射脉冲的周期必需大于超声 波传播的时间，所以重复频率与检测距离成反比，一般在5 0 3 k h z 之间。 5 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 频带范围：即超声回波接收电路的通带范围。通常，频带范围越宽，对缺 陷回波的失真度就越小。该项参数取决于整个模拟电路的频率特性，如放大衰 减器、集成运放、d 转换等电路。 增益衰减和动态范围：回波信号的强度变化很大，通常需要8 0 1 0 0 d b 的 系统增益和衰减。动态范围指放大器最大不失真幅度范围，通常要大于4 0 d b 。 采样频率和分辨率：该性能取决于a d 转换器的性能，这对于数字式超声 波检测系统是一项非常关键的指标。a d 转换器的采样频率越高，超声回波的 失真就越小，回波峰值就不易被漏检：而采样分辨率越高，则缺陷峰值采样就 越精确，缺陷当量的估计越准确。 2 、超声波检测系统的现状和发展 电子技术和计算机技术的飞速发展，直接推动着超声波检测系统的研制， 当前超声波检测系统的研制，已经进入到数字化阶段：即将超声波探头的回波 信号经过接收部分放大后，由a d 转换器转变为数字信号传给微处理器，微处 理器再将随时间和位置变化的波形信号进行处理，得出进一步的超声波检测结 果【1 2 1 。但是，由于被检材料的不同，用户所使用的测量标准也是不同的，因此 相应的超声波检测系统也是种类各异。按超声波的连续性分为脉冲波检测仪、 连续波检测仪和调频波检测仪；按缺陷的显示方式分为a 型显示检测仪、b 型 显示检测仪和c 型显示检测仪；按检测工作通道分为单通道检测仪和多通道检 测仪【1 3 1 。这些数字超声波检测系统都具有数据存储和处理等功能，可以实现检 测过程中对缺陷的自动判别、定位、当量计算、存储等。比较过去的模拟超声 波检测系统，数字式超声波检测系统不但解决了缺陷的记录问题，而且还减少 了人为误差，提高了检测结果的可靠性【1 4 】。随着计算机和电子技术的进一步发 展，当前国际上超声波检测系统正朝着以下几个方面发展【1 8 】【1 5 】： 系统化和模块化：计算机技术的发展提供着越来越丰富的软硬件平台，使 得超声波检测仪系统正朝着系统化和模块化的方向发展，为系统整体结构的设 计和研制带来了重大的变革。 智能化检测系统：用户对超声波检测系统的重要要求就是提高检测的自动 化程度，缩短检测时间，因此，具有对管道的缺陷进行自动识别和评估的功能， 是当前超声波检测系统朝着智能化方面发展的目标。 高度的互动性：为了提供给人们友好的操作界面和清晰的超声波检测结果， 超声波检测系统需要性能先进的数据处理和显示模块，设计出更为出色的人机 交互式界面。 小型化：体积小、重量轻一直是超声波检测仪器应具备的重要特点，电子 技术的发展为研制出更为轻便的超声波检测系统提供了坚实的基础。 青岛科技大学研究生学位论文 1 5 本文的主要研究内容 本文在国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标验及率定关键技术 研究的背景下，开发设计一套基于超声技术的管道缺陷检测系统。 本文结构安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的选题背景、管道腐蚀检测技术的现状、超声波 检测系统主要指标和现状以及发展方向。 第二章：介绍了基于超声技术的海底管道检测系统的总体方案设计。 第三章：为了满足超声波检测系统的主要性能指标，设计完成本系统的硬 件电路。主要包括超声信号发射与接收电路、回波信号的放大电路设计和高速 a d 数据采集。 第四章：超声回波信号的研究处理。对采集的回波信号进行去噪处理，提 取尖峰，对缺陷情况进行分析。 第五章：本章采用图形化编辑语言l a b v i e w 设计一套友好的操作界面和 清晰生动的超声波检测结果。 7 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 8 青岛科技大学研究生学位论文 第二章管道缺陷超声检测系统的总体方案设计 2 1 系统的基本工作原理 2 1 1 超声波理论基础 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的特殊声波，除具有传统声波传输的基本物理 特性外，超声波还具有一些特殊的性能。 1 、方向性集中 超声波是频率很高、波长很短的机械波，在超声波检测中使用的超声波的 波长为毫米数量级。超声波与光波一样具有良好的方向性，可以定向发射【1 4 j 【l 刀。 2 、传递能量高 超声波检测频率远高于声波，而能量与频率平方成正比。因此，超声波的能 量远大于声波的能量。例如1 0 m h z 的超声波的能量相当于1 0 k h z 的声波的1 0 0 万倍。 3 、穿透力强 超声波能在大多数介质中传播，传播能量损失小、传播距离远、穿透能力 强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其它检测手段无法比拟的【1 2 1 。 因此，超声波检测技术在实时控制、高精度、无损伤等方面均具有明显优势， 广泛应用在工业无损检测等领域【1 9 1 。用于无损检测的超声波频率一般在0 5 1 0 m h z 之间，如金属材料的常用检测频率为1 - - - 5 m h z 。 2 1 2 超声检测扫描方式及显示方法 超声波检测法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类； 按声波传播方式可分为反射法和透射法两种；按超声波激励方式可分为脉冲波、 连续波和调频波等检测方法；按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。 在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。超声检测仪根据检测 结果显示方式的不同可分为a 、b 、c 型，其分别对应着点扫描、线扫描和面扫 描，a 型是b 、c 型的实现基础。 9 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 a 型b 型c 型 图2 1 超声检测仪显示方式 f i g2 一ld i s p l a ym o d eo f u l t r a s o n i cd e t e c t o r 2 1 3 超声波检测系统工作原理 管道缺陷超声检测系统是利用超声波在管道中传播的某些物理特性来发现 管道缺陷情况的一种方法。首先，通过激励超声发射换能器产生超声波脉冲， 然后再通过超声接收换能器，将工件中经过被检测材料自身或其缺陷所反射、 折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质 将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺 陷或材料的特性信息。 本课题所设计的超声检测系统采用纵波直探头，以a 型扫描方式对输送管 道进行检测。系统检测工作原理如图2 2 所示，一般只需要一个探头，兼做发 射和接收。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 壁 管道井麓完好，内蹙受蚀 d r d 1 d z t l 2 f i g2 - 2p r i n c i p l e so f u l t r a s o n i cd e t e c t i o n 检测时，将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲基波p 。首先，探头接收到 由管壁内表面反射的脉冲f ，然后，超声探头又会接收到由管壁外表面反射的 脉冲b ，f 与b 之间的间距d 2 是管壁的厚度。 即：d l = v l t i 2d 2 = ( t 2 - t o y 2 2 式中，毛一第一次反射回波时间 如一第二次反射回波( 底波或缺陷波) 时间 m 一超声波在介质中的速度 ，一超声波在管道中的速度 但是，仅仅根据管道壁厚度d 2 是无法判别属管道内壁缺陷还是外壁缺陷的， 还必须根据探头至管道壁内表面的距离d l 进行判别。当外壁腐蚀减薄时，d l 的 长度不变，壁厚d 2 减少；而当内壁腐蚀减薄时，d l 的长度减少，壁厚d 2 减少。 因此，根据d l 和d 2 ，即可确定管道缺陷，并判别管道是内壁缺陷还是外壁缺陷。 测厚是缺陷判定的基础，所利用的原理是根据超声波传播的时间及声波速度 来计算超声波传播的距离，进而确定被检测管道的剩余壁厚。对于一组超声波回 波数据来说，需要找出每个回波的峰值点，根据峰值点间的时间间隔，即可计算 出管道壁厚。在进行峰值处理前，需要对采集得到的原始超声信号进行滤波，剔 除掉噪声信号和无用信息，以便于准确找到回波中对应的峰值位置。如果壁厚缺 蜃蜃 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 陷为均匀腐蚀，峰值将等间距出现，计算出测点壁厚；如果壁厚缺陷为局部缺陷， 峰值出现的时刻就为非等间距的了。为了准确的定位缺陷边缘，以便判断缺陷的 大小及面积，需要根据回波出现的时刻及峰值大小进行判断。 2 2 系统的性能指标和功能需求 本课题的研究是在胜利石油管理局项目“油气输送管线检测装置标验及率 定关键技术研究 的背景下展开的。设计过程中，结合项目要求和目前处于国 内外领先地位的超声波检测系统的发展情况进行了充分的调研，最终确定本系 统需要以6 0 m h z 的频率对回波信号进行采样，采样时间间隔为2 0 m s 。通过对 采样后的回波数据进行计算和分析，得到缺陷的形状和位置，并在屏幕上实时 显示检测波形及参数。同时，通过峰值算法分析各种缺陷情况，运用先进的可 视化技术，用云图更直观的显示管道缺损状况。综合上述分析，最终本方案制 定了如下几项主要技术指标： 采样频率：最高6 0 m h z ，1 2 b i t 工作频率范围：0 5 1 0 mh z 重复频率：5 0 1 0 0 0 h z 可调 适应管径：0 2 9 7 3 2 5 ； 通道数：6 4 系统增益衰减范围：1 0 l l o d b 测量灵敏度：0 5 m m 缺陷定位精度：s3 r a m ： 发射电压：4 0 0 v 检测最小局部腐蚀面积为10 xl0 m m 2 ； 检测时间：实时； 检测数据提取方式：离线在线； 符合国家海洋工程有关标准：耐腐蚀、抗振动、防盐雾霉菌； 能检出内、外壁腐蚀、凹坑以及分层等缺陷； 2 3 系统的总体设计思想和设计框架 随着高速器件和计算机技术的不断发展，超声波信号的数字化采集和分析 已经代替了传统的超声检测方式。超声回波信号是高频信号，中心频率最高可 达2 0 m h z 。要对这样的高频信号进行数字化，对数据采集处理电路要求很高。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 目前，数字超声检测系统在体积、功耗、精度和处理速度等方面尚存在诸多不 足，而大规模集成电路与嵌入式控制技术的发展为设计高速、高可靠性、低功 耗和低成本的超声信号采集方案提供了可行性【2 0 】。c p l d 是近年来被广泛应用 的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，其高集成度、高速、可在线编程等优 点，为解决系统级设计问题提供了新的平台。我们将c p l d 和工业控制计算机 设计技术结合起来，设计了一种基于c p l d 的6 4 通道超声检测数据采集处理系 统。该系统由c p l d 配合高速的工业控制计算机并行地进行数据采集、处理和 存储，较好地解决了功耗和处理速度方面的矛盾。 检测系统结构上可分为三个部分，即超声信号预处理部分，包括发射激励电 路、接收电路以及增益放大电路；信号采集部分，包括a d 采样电路、编码器定 位电路；数据存储和显示部分，包含实时波形处理，交互式界面显示和数据存储 等。系统结构如图2 3 所示 脉冲控制模块 逻 叫非实时数据处理卜- 系 被 超 发射电路 信墅j _ l 统 测 亩 量制 的 材 波婢模 交 探- |增益放大电路 篓巷 互 料 勺 式 头p 界 上 口 叫 实时数据处理卜面 a d 采样电路 - 图2 3 系统工作原理 f i g2 - 3s y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l e 系统工作原理为：系统上电时，首先由c p l d 发出系统复位信号，将系统 中各相关硬件置成初始状态，同时发出频率为1 0 0 h z 到1 0 0 0 h z 可调、脉宽2 0 0 n s 的方波信号，为通道的超声换能器激励出高电压，使得探头工作发出超声波。 超声波通过耦合剂发射到管道壁上，并在管道内壁、外壁产生多次回波。当换 能器接收到管壁回波信号，此时的信号为包括噪声干扰的弱模拟信号。先对其 进行放大滤波预处理，再按照采样时钟对该模拟信号进行高速采样，并将数据 传送至工控机，进行存储和在线去噪处理，显示出实时的波形信号。通过进一 步分析，得到被测管道壁缺陷状况。 2 4 本章小结 本章介绍了本课题所设计的系统的基本工作原理、超声检测技术的理论基 1 3 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 础、扫描方式和显示方法，并研究了超声波检测系统的工作原理。结合胜利石 油管理局项目的要求和目前处于国内外领先地位的超声波检测系统的发展状 况，预定了本系统的一些性能指标和功能需求。给出了整个系统的设计框图， 并对工作原理进行了介绍。在接下来的一章中对主要的硬件电路设计进行进一 步的介绍。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 第三章管道缺陷超声检测系统的硬件设计 3 1 超声探头的选择与研制原则 在本系统的设计中。信号的发射与接收都是通过超声探头来实现的。探头 种类多而且特性各不相同，因此必须根据不同的测量对象选择恰当的探头。主 要从晶片尺寸、频率、角度等几个方面进行筛选。 1 、在近场处，探头晶片尺寸大时，覆盖范围大，探头晶片尺寸小时，近场 的覆盖范围小。但在远场处，由于指向性的因素，大尺寸晶片的覆盖范围可能 小于小尺寸晶片。 对于缺陷的定位和定量，选择探头的原则是声束尽可能的狭窄，声束要垂 直入射缺陷。小直径晶片探头在近场范围内声束较窄，有利于缺陷的定位，适 宜于较小厚度管道的检测。在某些情况下需要使能量更加的集中，可以采用线 聚焦或点聚焦探头。 由于所检测的海底管道管壁曲率比较大，而且表面常附有油污、泥沙等杂质， 为了减小耦合损失，选择晶片尺寸较小的探头。但是如果晶片直径过小，会导致 单个探头的扫查面积过小，为了满足对管道的无漏检检测，必须增加探头的数量， 这样会导致系统的复杂性和成本增加。 最后，根据系统达到的性能指标，即检测的最小缺陷尺寸为2 0 x 1 0 m m 2 ，探 头的检测面积应小于最小检测缺陷的面积。即n d 2 4 2 0 0 m m 2 ，可得d 1 5 9 6 m m 。我们选取晶片直径为1 4 m m 的探头，就可以满足系统的要求。 检测灵敏度方面，如果忽略了超声波在材料中的衰减，近场长度决定灵敏 度随缺陷至探头距离增大而下降的快慢，则近场越长灵敏度下降越慢。因此， 为使灵敏度随距离而变化较小，尽可能选择近场长度大于缺陷最大埋藏深度1 3 的探头。 超声探头分为平探头和发散探头两种【2 。在海底管道检测时，我们即可以使 用平探头又可以使用发散探头。比较各种探头的性能，发现发散探头发出的信号 在介质中是发散的，在管壁中是聚焦的，而且当管壁单直径远远大于探头晶片直 径时，声束覆盖的管道表面各点的声场是相同的，所以扫查面积要大于平探头。 为降低系统的漏检率，获得更好的检测效果，节省成本，我们选用发散探头。 2 、超声波频率决定超声波对缺陷的探测能力，必须选取合适的。 当超声波频率高时，波长短、扩张角小、声束窄、能量集中，其发现小缺 基于超声技术的海底管道检测系统的研究 陷能力强，分辨率好，缺陷定位较准确，但扫查空间小，只能发现声束轴线附 近的缺陷。而对于裂纹等面状缺陷，因其有反射指向性，假使超声波不是垂直 入射到裂面上，便不会产生足够大的回波，频率越高这种现象越明显。检测面 粗糙时，高频声波散射大，不容易射入。超声波波长约等于材料晶粒的大小或 者更小时，衰减很明显，往往没有足够的穿透力。另外，超声波反射会出现草 状回波，使得缺陷情况很难被检测到，很大程度上降低了信噪比。所以应根据 具体的检测对象选择适当的频率。