袁建鵬，武新軍，徐 江，從 明

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

在橋梁纜索、輸油管道等較長(zhǎng)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)中，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法單次檢測(cè)范圍小，需要移動(dòng)探頭進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)效率低。基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波檢測(cè)方法可單點(diǎn)激勵(lì)長(zhǎng)距離檢測(cè)，檢測(cè)效率高［1－3］。目前商業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)主要有TWI開(kāi)發(fā)的Teletest、超聲導(dǎo)波公司開(kāi)發(fā)的 Wavemaker和美國(guó)西南研究院開(kāi)發(fā)的MsSR3030及其配套的檢測(cè)軟件［4－6］。作者在已有的非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上［7］，根據(jù)近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需求，對(duì)其軟件進(jìn)行了升級(jí)。軟件包括頻散曲線、虛擬檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析等多個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)頻率選擇、傳感器布置設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集顯示與存儲(chǔ)、結(jié)果分析與報(bào)告等功能，同時(shí)具備采集卡連接狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、掃頻檢測(cè)等人性化功能。

1 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，檢測(cè)硬件包括便攜式計(jì)算機(jī)、檢測(cè)主機(jī)和傳感器。檢測(cè)主機(jī)由數(shù)據(jù)采集卡、門(mén)控電路、功率放大器、放大濾波電路和雙工電路組成。傳感器為雙工傳感器，雙工傳感器包含兩個(gè)通道的線圈，每個(gè)線圈既可作激勵(lì)也可以作接收。檢測(cè)時(shí)，軟件通過(guò)采集卡接口函數(shù)控制采集卡D／A模塊輸出一定周期的正弦脈沖，同時(shí)I／O模塊輸出高電平作為門(mén)信號(hào)，門(mén)控電路根據(jù)門(mén)信號(hào)控制功率放大器對(duì)正弦脈沖進(jìn)行功率放大，放大后的信號(hào)作用于雙工線圈，通過(guò)鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)在構(gòu)件中激勵(lì)出導(dǎo)波。當(dāng)導(dǎo)波通過(guò)線圈時(shí)，由于逆磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致線圈磁通量變化并感應(yīng)出電信號(hào)。雙工線圈的信號(hào)經(jīng)雙工電路后進(jìn)入放大濾波電路。濾波后的信號(hào)由A／D模塊采集并傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析處理，得到被檢構(gòu)件的缺陷信息。根據(jù)檢測(cè)方向可分為雙向檢測(cè)和單向檢測(cè)，雙向檢測(cè)時(shí)僅對(duì)一個(gè)線圈進(jìn)行激勵(lì)與采集，單向檢測(cè)時(shí)同時(shí)對(duì)兩個(gè)線圈進(jìn)行激勵(lì)與采集，通過(guò)控制兩個(gè)線圈激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間和相位實(shí)現(xiàn)單方向檢測(cè)［8］。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

軟件使用單文檔視圖結(jié)構(gòu)作為基本框架，通過(guò)自定義的抽屜控件實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入和操作控制，減小操作復(fù)雜性并提高人機(jī)交互水平。軟件主要由六個(gè)模塊組成，分別為頻散曲線、虛擬檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析和檢測(cè)報(bào)告模塊，軟件功能框圖如圖2所示。頻散曲線模塊用于圓柱體結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的相速度和群速度計(jì)算、顯示，計(jì)算結(jié)果可存儲(chǔ)、打開(kāi)；虛擬檢測(cè)模塊用于檢測(cè)回波預(yù)測(cè)和傳感器布置優(yōu)化；參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置檢測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)顯示參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)參數(shù)、檢測(cè)信息等。數(shù)據(jù)采集模塊用于控制導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)、采集、顯示與存儲(chǔ)；信號(hào)分析模塊用于檢測(cè)信號(hào)的處理與分析；檢測(cè)報(bào)告模塊用于根據(jù)分析處理結(jié)果生成檢測(cè)報(bào)告。軟件的主界面如圖3所示。下面對(duì)各個(gè)模塊加以詳細(xì)論述。

2.1 頻散曲線模塊

導(dǎo)波檢測(cè)的關(guān)鍵在于頻率的選擇，而頻率選擇依據(jù)是頻散曲線，實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)選擇頻散現(xiàn)象較小的頻率作為檢測(cè)頻率。為此，根據(jù)頻散方程開(kāi)發(fā)了基于二分法的頻散軟件。對(duì)于給定的圓柱體結(jié)構(gòu)，頻率ω和波數(shù)k之間滿(mǎn)足［9］：

式中：cij表示行列式｜c(diǎn)ij（ω，k）｜n中的第i行，第j列元素，是頻率ω和波數(shù)k的函數(shù)。

求解T模態(tài)時(shí)n＝2，L模態(tài)時(shí)n＝4，F(xiàn)模態(tài)時(shí)n＝6。若頻率ω固定，則行列式｜c(diǎn)ij（ω，k）｜是波數(shù)k的函數(shù)，給定一個(gè)初始波數(shù)k1和增量Δk，若k1處和k1＋Δk處行列式的符號(hào)發(fā)生改變則意味著Δk內(nèi)存在一個(gè)解，則取Δk的一半進(jìn)行下一次迭代，直到找到給定精度內(nèi)的根k0［10］。若波數(shù)k固定可用相同的方法迭代求解頻率ω。令波數(shù)k＝0可求解得到截止頻率foutoff，對(duì)于除 T（0，1）、L（0，1）和 F（1，1）模態(tài)外的導(dǎo)波均存在截止頻率。輸入計(jì)算參數(shù)和構(gòu)件參數(shù)后，先計(jì)算出各個(gè)模態(tài)的截止頻率，對(duì)于 T（0，1）、L（0，1）和F（1，1）模態(tài)可認(rèn)為其截止頻率為0。接著根據(jù)最小計(jì)算頻率、最大計(jì)算頻率、頻率步進(jìn)和截止頻率得到需要計(jì)算的頻率數(shù)組，根據(jù)截止頻率可得到頻率數(shù)組中各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)解的個(gè)數(shù)N，使用二分法迭代求解每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的N個(gè)解，得到N個(gè)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的波數(shù)。算出所有頻率下各模態(tài)的波數(shù)后即可得到頻散曲線。求解過(guò)程中的貝塞爾函數(shù)、貝爾斯托求根函數(shù)、高斯消元法求矩陣行列式函數(shù)等均通過(guò)C＋＋算法實(shí)現(xiàn)，通過(guò)抽屜控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算參數(shù)的輸入，計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示計(jì)算進(jìn)度，相速度和群速度曲線通過(guò)自定義的二維坐標(biāo)控件顯示，并可在坐標(biāo)控件上顯示曲線所對(duì)應(yīng)的模態(tài)名稱(chēng)。頻散曲線計(jì)算結(jié)果可保存到文件，若有相同結(jié)構(gòu)，直接打開(kāi)頻散曲線文件即可。

2.2 虛擬檢測(cè)模塊

虛擬檢測(cè)主要實(shí)現(xiàn)以下兩種功能：一是實(shí)驗(yàn)室研究時(shí)已知缺陷信息，可將實(shí)際檢測(cè)信號(hào)與虛擬檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，方便對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析；二是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)工況復(fù)雜干擾信號(hào)多，為了提高檢測(cè)精度對(duì)疑似缺陷采用虛擬檢測(cè)方法以指導(dǎo)傳感器布置。虛擬檢測(cè)方法根據(jù)激勵(lì)位置、接收位置、管長(zhǎng)、衰減系數(shù)、缺陷反射率、激勵(lì)方向等參數(shù)模擬采集獲得脈沖回波信號(hào)，同時(shí)可根據(jù)管長(zhǎng)、缺陷位置等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)激勵(lì)位置等參數(shù)。為了簡(jiǎn)化算法將回波分類(lèi)，根據(jù)激勵(lì)方向可分為向左激勵(lì)、向右激勵(lì)，根據(jù)接收方向可分為左側(cè)信號(hào)、右側(cè)信號(hào)，根據(jù)反射介質(zhì)可分為缺陷回波、通過(guò)信號(hào)和端部回波，組合起來(lái)共有8種信號(hào)。同時(shí)對(duì)工作方式進(jìn)行分類(lèi)，激勵(lì)方式可分為向左激勵(lì)、向右激勵(lì)和雙向激勵(lì)，接收方式可分為接收左側(cè)信號(hào)、接收右側(cè)信號(hào)和接收雙側(cè)信號(hào)，組合起來(lái)共有9種工作方式。某一工作方式下的虛擬信號(hào)是8種信號(hào)的線性和，給定采樣時(shí)間和采樣率可求得每一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的幅值，最終得到虛擬檢測(cè)信號(hào)。圖4是管長(zhǎng)5m，激勵(lì)位置0.3m，接收位置1m，缺陷位置2m，導(dǎo)波群速度5200m／s，衰減系數(shù)0.2dB／s，缺陷反射率10%，向左激勵(lì)，激勵(lì)頻率40kHz，激勵(lì)周期數(shù)3，雙側(cè)接收，采集時(shí)間4ms，采樣率5MHz下的虛擬檢測(cè)信號(hào)。同時(shí)，以缺陷信號(hào)便于識(shí)別為依據(jù)，可對(duì)傳感器布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)值顯示在參數(shù)設(shè)置區(qū)并同時(shí)在顯示區(qū)顯示布置示意圖。

2.3 參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置信號(hào)顯示參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)參數(shù)和檢測(cè)信息參數(shù)。

圖4 虛擬檢測(cè)信號(hào)

數(shù)據(jù)采集模塊是軟件的主要模塊，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)、采集、顯示與存儲(chǔ)。便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)USB2.0接口與主機(jī)連接，控制信號(hào)和檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)USB2.0接口傳輸，數(shù)據(jù)采集卡具有雙通道A／D采集和雙通道D／A輸出功能，最高采樣率20MHz，I／O模塊包括8路DI和16路DO，DO作為門(mén)信號(hào)控制接口。采集時(shí)首先判斷檢測(cè)參數(shù)、采集卡連接狀態(tài)等是否正常，接著初始化采集卡并進(jìn)入采集子線程，檢測(cè)人員選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，設(shè)置采集D／A和DO，接著循環(huán)執(zhí)行初始化A／D、采集數(shù)據(jù)、檢測(cè)緩沖區(qū)是否溢出、停止A／D和發(fā)送顯示更新消息直到完成所有采集次數(shù)，采集完畢后存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)并退出子線程。若采集過(guò)程中出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出則停止采集子線程結(jié)束采集。數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

2.4 信號(hào)分析與檢測(cè)報(bào)告模塊

信號(hào)分析模塊進(jìn)行分析時(shí)首先加載數(shù)據(jù)文件，讀取文件頭中的參數(shù)信息，將其顯示在左側(cè)的參數(shù)顯示區(qū)；然后從數(shù)據(jù)區(qū)讀取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中；數(shù)據(jù)讀取完畢后顯示信號(hào)分析主界面，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析主界面

默認(rèn)顯示模式為全屏顯示模式，將顯示采集時(shí)間內(nèi)的全部信號(hào)，調(diào)整顯示范圍滑塊可選擇要分析的數(shù)據(jù)區(qū)域，單擊分析顯示可進(jìn)入分析模式，分析模式下可對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、時(shí)頻分析、包絡(luò)顯示和DAC曲線繪制等，信號(hào)顯示的橫坐標(biāo)可以設(shè)置為距離坐標(biāo)，方便對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位，帶通濾波器為無(wú)限沖擊響應(yīng)濾波器，類(lèi)型有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器；時(shí)頻分析主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到信號(hào)的頻率譜，窗函數(shù)類(lèi)型可選擇凱撒窗、高斯窗、海明窗、漢寧窗等。信號(hào)分析完后可對(duì)回波進(jìn)行標(biāo)識(shí)同時(shí)可導(dǎo)出到圖片，圖7所示是信號(hào)分析結(jié)果。

檢測(cè)報(bào)告模塊用于生成檢測(cè)報(bào)告，包括報(bào)告內(nèi)容、預(yù)覽和打印3個(gè)部分，報(bào)告內(nèi)容用于加載分析結(jié)果、檢測(cè)參數(shù)等。報(bào)告內(nèi)容完成后可在顯示區(qū)進(jìn)行預(yù)覽，并通過(guò)打印機(jī)進(jìn)行打印。

3 結(jié)論

在深入研究磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于自主研制的硬件結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)軟件，該軟件具有頻散曲線計(jì)算、虛擬檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置與信號(hào)采集、檢測(cè)結(jié)果分析等功能，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，檢測(cè)軟件開(kāi)放性好、運(yùn)行穩(wěn)定，將推進(jìn)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

［1］COBB A C，KWUN H，CASERES L，et al.Torsional guided wave attenuation in piping from coating，temperature，and large－area corrosion［J］.NDT ＆ E International，2012，47：163－170.

［2］LIU Zeng－Hua，ZHAO Ji－Chen，WU Bin，et al.Temperature dependence of ultrasonic longitudinal guided wave propagation in long range steel strands［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，24（3）：487－494.

［3］XU Jiang，WU Xin－Jun，CHENG Cheng，et，al.A magnetic flux leakage and magnetostrictive guidedwave hybrid transducer for detecting bridge cables［J］.Sensors，2012，12（1）：518－533.

［4］高俊峰，關(guān)衛(wèi)和，梁春雷，等.長(zhǎng)距離超聲導(dǎo)波技術(shù)及典型模擬缺陷監(jiān)測(cè)［J］.壓力容器，2009，26（4）：5－9.

［5］孫士彬，孫乾耀，DEMMA A，等.采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)埋地管道進(jìn)行腐蝕缺陷的檢測(cè)［J］.無(wú)損探傷，2007，31（4）：6－9.

［6］徐書(shū)根，王威強(qiáng)，趙培征，等.磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道缺陷［J］.無(wú)損檢測(cè)，2008，30（7）：434－437.

［7］武新軍，徐江，沈功田.非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（3）：166－170.

［8］TANG Huan，XU Jiang，WU Xin－Jun.Research on unidirectional transmitting method for guided wave based on magnetostrictiveeffect［C］／／Proceedings of 2010the 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application（Volume 8）.Beijing：China Academic Journal Electronic Publishing House，2010：125－128.

［9］GAZIS D C.Three－dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders.I.Analytical Foundation［J］.J.Acoust.Soc.Am，1959，31（5）：568－573.

［10］GAZIS D C.Three－dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders.II.Numerical Results［J］.J.Acoust.Soc.Am，1959，31（5）：573－578.