如何提高检测信号：检测周期与积炭层分析

为测定检测周期和炉管有无积炭层对检测信号的影响，特进行如下试验：激励信号周期为5周期、10周期、50周期；频率500kHz；峰峰值200mV。接收传感器布置于与激励传感器同一条母线上，探头间距为15～40cm，探头间距每变化5cm采集一次数据，具体进行的试验组数和试验参数见表3-7。

（1）超声导波信号中的成分分析

为了研究信号周期选取对积炭检测的影响，试验中激励出三个不同检测周期数，但中心频率均为500kHz的单音频信号，对长为2m管道中的3mm积炭层进行检测。探头布置间距40cm、频率500kHz时积炭层模拟物附着试验分别得到超声导波波形。给出这些波形的短时傅里叶变换如图3-25所示。其中，图3-25a为空管中，5周期，探头间距为40cm时接收到的时域信号的短时傅里叶变换图；图3-25b为积炭层3mm，5周期，探头间距40cm时接收到的时域信号短时傅里叶变换图；图3-25c为积炭层3mm，15周期，探头间距40cm时接收到的时域信号短时傅里叶变换图；图3-25d为积炭层3mm，50周期，探头间距40cm时接收到的时域信号的短时傅里叶变换图。

表3-7 激励信号试验参数选取

图3-25 在不同管道中得到的超声导波信号的傅里叶变换图

对频率500kHz，不同探头布置间距时积炭层模拟物附着试验接收信号进行差值法计算得到群速度见表3-8。

表3-8 不同周期、积炭有无与群速度的变化关系

（2）检测周期对检测信号的影响

通过接收信号的时域试验图，并对比图3-25b、图3-25c和图3-25d的结果发现：

1）随着周期数的增加，时域信号的持续时间越长。5个周期接收信号的时间为0.8308μs；10个周期接收信号的时间为1.732μs；15个周期接收信号的时间为4.2095μs。信号的周期数越多，波形越易叠加，不利于积炭层的检测和识别。

2）频率500kHz时，尽管炉管积炭层中5周期、10周期、15周期三种周期均激励出的主要模态为L（0，2），但是信号的能量和信噪比不尽相同，相比较而言5周期时，信噪比比后两种情况更好，信号能量更大，信号成分更为清晰。

3）频率500kHz、5周期时积炭层炉管中激励出L（0，2）模态和L（0，3）模态，在频率1.6MHz时激励出部分L（0，4）和L（0，5）模态，这与空管中的导波模态有很好的一致性。

对表3-8不同检测周期中测得的群速度进行比对分析，一方面部分探头间距和检测周期未获得接收信号的群速度，是因为波形之间相互衍射、干涉等影响导致接受信号无法确认接收信号的峰值点；另一方面发现在15～35cm探头间距时，不同检测周期对积炭管子的群速度影响较大，不适合作为积炭层管道的检测间距和周期；而当探头间距为40cm时，检测周期分别取5周期、10周期、50周期时，积炭管中L（0，2）模态的群速度测定误差分别为-0.10%、0、+0.10%，该误差影响在工程应用中可忽略。也就是可以确认，当检测间距为40cm时，从信号群速度的计算误差来看，检测周期可以选择5周期、10周期和50周期对积炭层进行检测。(www.xing528.com)

综合接收信号成分时域特性、频域特性和群速度比对分析，实际检测中选取的检测周期为5周期较为合适。

（3）炉管积炭层与空管中的群速度表征参数比对

文献[51]已经从理论上论证了可用超声导波的群速度作为积炭层检测的表征参数，而本试验将积炭层模拟附着物涂上去进行实际检测，得到图3-25a、b和表3-8。

通过图3-25a和图3-25b进行比对可知，炉管积炭层中有效激励出来的信号主要模态为L（0，2），与空管中激励出的信号模态基本一致，从而从试验角度验证了可用环氧树脂进行模拟。

对比表3-8中其他检测间距的群速度变化，可进一步论证图3-22和表3-5得出的检测间距0～30cm为L（0，2）模态导波的检测盲区，相比较而言，其中35cm开始有一定的检测可能性。另一方面，从空管和不同周期的积炭管中群速度对比来看：可明显看到即使检测周期不同，积炭管中群速度也基本接近，误差在工程允许范围之内，但是积炭管与非积炭管的群速度却有明显递减，因为根据前面分析可知探头间距40cm为最佳检测间距，故本章重点分析了此探头间距对应的群速度变化情况。

由表3-8可以计算出，当探头间距为40cm，检测周期分别取5周期、10周期、50周期时，积炭管中L（0，2）模态的群速度较空管中L（0，2）模态的群速度分别减小7.65%、7.59%和7.51%。从模拟试验中测定的群速度可知：积炭管比空管中群速度有明显减小，为7.5%～7.6%，可用群速度的变化值来表征积炭层中的厚度参数。

（4）结果分析

从信号的信噪比、时频域特征等分析表明检测的最佳周期为5周期；当探头间距40cm，检测周期分别取5周期时，通过试验得出了3mm积炭管中L（0，2）模态的群速度较空管中L（0，2）模态的群速度减小7.65%，从而论证了可用频散曲线中的群速度作为积炭层有无的表征参数。

（5）主要结论

研究了超声导波在有机热载体炉积炭层中的不同检测周期、不同检测间距及有无积炭层等对信号检测的影响和与群速度的变化关系，这对于将超声导波应用到有机热载体炉现场实际积炭层厚度检测中来说十分重要。通过试验对比研究得到如下结论。

1）激励信号为5周期，频率为500kHz，峰峰值为200mV，激励出的L（0，2）模态波的群速度检测盲区为探头布置间距小于350mm，但是随着探头检测间距的增大，接受信号的幅值会逐渐减小能量变弱，所以综合接收信号的群速度和幅值随探头间距的变化关系，有机热载体炉管中积炭层超声导波检测探头布置最佳检测距离为40cm。

2）从信号的信噪比、时域和频域特征验证了检测的最佳周期为5周期。

3）可用环氧树脂添加碳氢化合物和模拟积炭层，并成功激励出了L（0，2）模态。

4）当探头间距40cm，检测周期取5周期时，用试验论证了L（0，2）模态在积炭管中的群速度较空管中的群速度减小7.65%，可用空管和积炭管群速度的变化关系来检测有机热载体炉管道中的积炭层。