基于LabVIEW的激光超声管道检测系统

摘 要：油气管道在日常生活和经济建设中发挥着重要作用，同时也存在着安全隐患，各种油气管道爆炸事件时有发生，给人们的生活和财产带来威胁。为保证油气管道的安全有效运行，应定期对其进行检测。激光超声检测技术相对于传统超声检测技术具有更高的空间分辨率，这一优点使其具有检测油气管道微小缺陷的潜力。该文根据激光超声检测原理，设计基于LabVIEW的激光超声燃气管道检测系统，重点介绍系统中数据采集、运动控制和数据分析模块，解决从激光超声信号的激励到数据采集、信号分析处理和缺陷识别等技术问题，实现油气管道各类缺陷的快速检测的目的。通过对带有周向裂纹管道做检测实验，结果表明：该系统具有良好的检测性能，对解决激光超声测量与诊断问题具有实际意义。

关键词：激光超声；LabVIEW；管道检测；系统设计；裂纹缺陷

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）10-0080-06

Abstract： 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 of various defects of oil-gas pipelines. After inspection test for pipelines with circumferential cracks， the results show that the system has excellent inspection performance， and it is practical for laser ultrasonic measurement and diagnosis.

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

0 引 言

激光超聲检测技术是利用激光脉冲激发并检测超声波，以实现无损检测的一种方法，已逐渐成为材料无损检测的一种重要手段和发展方向。相对于传统压电超声技术而言，激光超声具有更高的空间分辨率，即使是常用的激光系统，也能够实现微米量级的空间分辨率[1-2]，这一优点使得激光超声检测技术具有检测各类微小缺陷的巨大潜力。另外，它还具有无需耦合剂、远距离完全非接触检测、适合于高温高压与辐射等危险环境等优点[2-4]，因此在无损检测领域有广泛的应用前景。由于受激光超声本身、声传播介质、随机噪声等多种因素的影响，接收到的超声信号通常是比较复杂的叠加波形。从信号中提取有用的波形信息是管道缺陷检测的关键，因此需要研究有效、准确的管道检测激光超声信号处理方法。

本文基于LabVIEW设计了激光超声管道检测系统，该系统能有效实现数据采集和快速处理，利用步进电机控制管道的周向转动和轴向平动，实现对管道表面的全面检测。试验结果表明，该检测系统可以准确地检测出管道外表面的裂纹缺陷，能够满足管道缺陷检测需求，具有实际应用价值。

1 激光超声的基本原理

1.1 激光激发超声波

脉冲激光在物体表面通过热弹效应或烧蚀效应激发超声波[5-7]。当入射脉冲激光功率密度小于材料损伤阈值时，材料表面会形成瞬态热效应，导致表面材料快速膨胀形成应变和应力场而激励出超声波；当入射脉冲激光功率密度大于材料损伤阈值时，材料表面将有一薄层材料被瞬间烧蚀气化，并且伴随有小部分物质会从激光照射点高速喷射出，同时产生一个瞬间反作用力作用于物体表面激发出超声波。烧蚀效应与热弹效应相比，能激励出较强的横波、纵波、表面波等，但会造成材料表面几微米的损伤，仅适用于某些特殊场合。

1.2 激光干涉法检测超声波

激光干涉法检测超声波时，用一束单一频率、高相干长度的检测激光照射到被测物体的表面后被反射，被测物体的任何表面振动都会对入射激光进行调制，引起反射光频率或相位的变化，原理如图1所示。超声波在物体表面传播或者到达物体表面的体波都会引起物体表面的微小位移，该位移被调制进入反射光或散射光的相位中，使得连续激光中相位信息发生了相应变化。连续激光中的相位信息不能直接被光电传感器转换为相应的电压信号，为了提取连续激光中的相位信息，将反射的连续光送入干涉仪进行干涉。干涉仪会将反射的连续激光中的相位变化转变为相应幅值变化，其很容易利用光电传感器检测出来，并且输出电压信号[8-9]。

2 激光超声管道检测系统组成

激光超声管道缺陷检测系统如图2所示，包括硬件和软件两部分。脉冲激光达到管道表面后在其表面激发出多种模式的超声波，其传播过程中遇到缺陷会发生反射、衍射等现象；超声波引起管道表面振动，激光干涉检测系统接收后将位移信息转换为电压信号并输出给数据采集卡进行A/D转换；最后将采集到的数据在计算机里完成分析和图像显示。软件部分主要完成管道的转动和移动控制、数据采集保存、数据分析、图像显示等功能。

在硬件系统中，选用法国Quantel公司生产的Q开关Nd：YAG型脉冲激光器，其波长为532 nm，光斑直径为6 mm，脉冲宽度为6 ns，最大重复频率为20 Hz，单个脉冲最大能量为45 mJ，并且脉冲激光的重复频率和能量都可以根据需要进行调节。双波干涉激光超声检测器AIR-1550-TWM是美国IOS公司生产的工作波长为1 550 nm、检测带宽为125 MHz的激光超声检测器，配置紧凑的光纤耦合检测头，其传感器可以满足远程检测，适用于复杂的几何形状或难以接近检测区域的应用。高速数字化仪PCI-5114由美国NI公司生产，具有125 MHz带宽、250 MS/s最大实时采样率，能够满足激光超声管道检测系统的设计需求。设计的机械运动机构包括直线位移平台和钢管旋转机构两部分，实现管道最小步长6.3 μm的高精度轴向移动和转动。

3 检测系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

激光超声管道检测系统总体方案如图3所示，主要包括运动控制和信号采集与分析两大模块。其中运动控制模块主要是对两个步进电机的控制，实现管道的周向旋转运动和轴向移动；数据采集与分析模块主要功能是根据设置的相关参数实现对激光超声信号的采集、降噪、去噪、显示、分析成像等操作[10-13]。

3.2 数据采集模块设计

数据采集前面板如图4所示，主要实现采集初始化，包括设备编号选取、采用通道、采样率、采样点数以及触发模式的配置等。采用NI-SCOPE相关VI编写数据采集模块程序。双波混合干涉仪是利用激光干涉法检测超声波，它的灵敏度要比压电换能器低很多，而且特别容易受到外界干扰信号的影响。当采用热弹机理激发超声波时，脉冲激光单次激发产生的超声波很微弱，再加上超声波在材料中传播时自身的衰减以及各种干扰的存在，往往使得某些十分微弱超声波特征信号淹没在复杂的噪声当中。数字平均法可以将淹没在强噪声里的微弱激光超声信号识别出来，提高其信噪比[14-15]，故在设计数据采集程序模块时引入数字平均法。数据采集模块流程如图5所示。

3.3 运动控制模块设计

激光超声机械扫描机构运动控制的用户界面如图6所示，在主界面上主要实现扫描机构位置归零、运动到指定位置或角度、扫描起始位置、扫描点数、扫描步长等参数设置。

运动控制模块的设计流程为：两个步进电机的控制都采用绝对运动模式，扫描检测实验开始之前需要让扫描机构归零找到绝对零点，然后将扫描机构快速运动到扫描起始点的周向位置和轴向位置；当所有的参数设置好后开始扫描检测，首先采集数据，判断是否达到周向扫描点数，若没有达到周向扫描点数，管道周向步进旋转指定角度，在新的位置开始采集数据；若达到周向扫描点数，则判断是否达到轴向扫描点数，若没有达到轴向扫描点数，则管道轴向移动指定距离，开始新的一轮周向扫描；当达到轴向指定扫描点数后，扫描过程结束。

3.4 数据处理模块设计

在激光超声信号采集过程中会受到环境、电路、设备等多种不确定因素的共同影响，使得原始激光超声数据不能够及时直接地传递表征燃气管道缺陷相关的信息，因此需要将这些数据经过某些特定环节的分析处理。激光超声数据分析模块如图7所示，主要完成激光超声信號的数字滤波、小波去噪、幅值分析、时频分析、特征提取等功能，以便得到激光超声检测所需要的信息，用于管道缺陷的表征工作。

数据分析流程如图8所示，首先选择数据分析类型，根据需要对相关参数进行设置，然后程序自动根据参数设置进行相应的数据处理并显示成像，若成像效果满意，则结束数据分析。

4 管道缺陷检测实验及结果分析

4.1 实验试件

实验试件如图9所示，管道长度为180 mm，内径为41 mm，外径为46 mm（管道原始外径为48 mm，在车床上切削去掉表面的氧化皮，切削深度为1 mm）。在试件外表面利用线切割加工宽度为0.2 mm，径向最深处0.8 mm的周向裂纹。

4.2 实验方案

外表面周向裂纹的检测分为透射法周向扫描和轴向扫描2种方案，这2种扫描方案检测点和激发点之间的距离保持不变，如图10所示。周向扫描时管道旋转60°，没有轴向移动；轴向扫描时管道轴向移动距离为25 mm，没有周向转动。

4.3 信号分析

透射法在有缺陷和无缺陷位置的原始信号经过500 kHz高通滤波和15 MHz低通滤波后如图11（a）所示。由图可知在1 μs之前，两者波形基本一致，说明此时超声波还没有传播到检测点；在2.5 μs无缺陷信号表面直达波的幅值很大，幅度可达22 mV，而在有缺陷处的时域信号表面直达波的到达时间延迟了0.2 μs，幅值减弱许多，振动幅度约为11 mV。说明表面裂纹缺陷不仅对表面直达波有很大的削弱作用，而且还会使表面直达波到达时间延迟。

轴向扫描的原始信号经过900 kHz高通滤波和15 MHz低通滤波处理；当检测光还在缺陷同一侧时，对比分析检测光远离裂纹和在裂纹边缘时信号的区别，结果如图11（b）所示。当在2 μs之前两者信号区别不大，因为超声波还没有传播到检测点；2～7.5 μs之间，检测光靠近缺陷边缘表面直达波的幅度要大于远离缺陷处正常信号的直达波。这是因为在缺陷的边缘处，入射表面直达波与遇到缺陷会发生反射的反射波发生了叠加，所以该检测点的振动幅度远大于其他位置。

4.4 数据成像分析

管道外表面周向裂纹透射法B扫描检测成像结果如图12所示。由图可知在0～30°的无周向裂纹区域，声场处于正常状态；在30°～55°有周向裂纹区域内声场发生畸变，此区域内2.5 μs处表面波的幅值减小，而且其到达时间也产出延迟。

轴向扫描检测管道周向裂纹时的B成像结果如图13所示。由图可知在扫描开始位置缺陷回波的到达时间大约是7.5 μs，随着检测点向周向裂纹缺陷移动，缺陷回波的到达时间也慢慢提前，当检测点移动到裂纹缺陷边缘处时，缺陷回波与表面直达波重合，重合的时间点在2.5 μs。当只有检测点越过裂纹，激发点还处于裂纹另一侧时，其声场与透射法检测方案的声场基本类似；当检测点和激发点都越过裂纹时，随着距离缺陷变远，曲线回波的到达时间也逐渐延迟，轴向扫描得到的声场中的畸变区域以倒梯形形状分布。

5 结束语

本文利用激光超声检测原理，设计搭建了激光超声管道缺陷检测系统，基于LabVIEW开发设计了激光超声管道检测系统软件，软件界面友好，操作方便，且具有良好的开放性和扩展性。试验结果表明整个检测系统可靠性好，可以准确地检测出管道外表面的裂纹缺陷，能够满足管道缺陷检测需求，为后续研究提供试验基础。

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（编辑：商丹丹）