邊 旭, 張 宇, 王佳強(qiáng), 李一博, 靳世久, 孫立臣, 綦 磊
(1.天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所, 北京 100094)
基于聲傳感器陣列的連續(xù)泄漏定位方法研究
邊 旭1, 張 宇1, 王佳強(qiáng)1, 李一博1, 靳世久1, 孫立臣2, 綦 磊2
(1.天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所, 北京 100094)
針對(duì)壓力容器(如在軌航天器)發(fā)生泄漏時(shí)的漏孔定位問題進(jìn)行研究,提出了一種基于聲傳感器陣列的定位方法。當(dāng)已發(fā)生泄漏時(shí),該方法通過聲傳感器陣列獲取器壁中傳播的超聲波信號(hào),并分析陣列中各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)間的時(shí)空相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏源的快速準(zhǔn)確定位。分析了泄漏所激發(fā)的超聲波信號(hào)在薄板中的傳播特性,證明了采集信號(hào)相關(guān)性隨采集點(diǎn)間距離的增大而減小,從而指導(dǎo)傳感器陣列的設(shè)計(jì)與制作,同時(shí)通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)討論了不同陣元間距條件下的定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定位誤差受陣列中陣元數(shù)目及陣元間間距影響,當(dāng)陣元數(shù)目為8,陣元間距為8 mm情況下,本算法在1 m2的平板上,定位絕對(duì)誤差平均值小于10 mm。
超聲;泄漏;定位;陣列傳感器
氣體泄漏對(duì)于密閉系統(tǒng)(如真空熱處理爐,在軌航天器等)存在嚴(yán)重的危害,其一旦發(fā)生會(huì)直接影響設(shè)備及人員的安全,造成經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)需要一種實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)手段對(duì)泄漏源進(jìn)行快速有效定位,減少經(jīng)濟(jì)、人員損失。
目前對(duì)于大型容器泄漏,例如在軌航天器泄漏,普遍采用壓降法進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)容器氣壓下降則容器發(fā)生泄漏,但此種方法不能對(duì)泄漏源進(jìn)行定位。NASA與其他公司聯(lián)合研制的CTRL系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的定位[1]。其由耳機(jī)和超聲探測(cè)器兩部分組成,使用時(shí)用超聲探測(cè)器在可疑的部位進(jìn)行探索,如果有泄漏存在,超聲探測(cè)器能夠檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的超聲波,并將超聲波轉(zhuǎn)化為人耳能聽到的聲音并傳到耳機(jī)中,操作者通過耳機(jī)中的聲音來判斷有泄漏存在。此種設(shè)備對(duì)泄漏不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位,定位耗時(shí)長(zhǎng),并不適用于大型容器的檢漏,且由于人工的引入導(dǎo)致定位精度不佳。需要高精度的定位,通常應(yīng)用氦質(zhì)譜儀檢測(cè)法[2]。氦質(zhì)譜檢漏法依據(jù)質(zhì)譜學(xué)原理,利用氦氣作示漏氣體進(jìn)行氣密性檢測(cè),優(yōu)點(diǎn)是本底噪聲小、氦氣本身安全無污染、檢測(cè)靈敏度高,但氦質(zhì)譜檢漏工藝復(fù)雜,在面向大型結(jié)構(gòu)部件時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的快速定位,只適合做驗(yàn)證性檢測(cè);也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的在線檢測(cè)[3]。DAVOODI等[4]基于小波變換、濾波和互相關(guān)技術(shù), 提出了一種應(yīng)用于管道氣體泄漏的泄漏定位算法,定位誤差小于5%。劉貴杰等[5]對(duì)閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了研究,嘗試?yán)肊EMD和HHT變換對(duì)聲發(fā)射特征信號(hào)處理并提取閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的特征。何田等[6]提出了一種利用聲發(fā)射波束形成法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)靜子碰摩故障定位的方法,該方法可成功的識(shí)別出突發(fā)型碰摩故障位置。沈功田等[7]基于聲學(xué)的方法和相關(guān)定位原理開發(fā)研制了一種管道泄漏點(diǎn)定位的檢測(cè)儀,該儀器利用專用低頻傳感器對(duì)泄漏聲信號(hào)進(jìn)行采集,可對(duì)不同材質(zhì)和不同介質(zhì)的管道泄漏進(jìn)行定位。HOLLAND 等[8-9]針對(duì)連續(xù)泄漏源,提出應(yīng)用8×8傳感器陣列采集聲信號(hào),通過計(jì)算獲得平面波數(shù)場(chǎng)強(qiáng)度分布圖,以估計(jì)聲源方向,同時(shí)應(yīng)用不同位置上兩組定向結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)定位。但此種方法需要對(duì)64陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,對(duì)系統(tǒng)要求較高,且定位精度并不十分理想。本文從實(shí)用角度出發(fā),提出了一種基于陣列傳感器的定位方法,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)成本較低且容易實(shí)現(xiàn),可以解決大型器壁,如航天器在軌條件下泄漏的實(shí)時(shí)快速定位需求。
實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)時(shí)域特征明顯的信號(hào)可以通過傳統(tǒng)的聲達(dá)時(shí)間差法(TDOA)進(jìn)行定位,該方法通過分辨泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各個(gè)采集點(diǎn)的時(shí)間差,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的定位[10]。但對(duì)于連續(xù)泄漏信號(hào)并不存在明顯的時(shí)域特征。根據(jù)氣體動(dòng)力聲學(xué)理論,壓力容器一旦發(fā)生氣體泄漏,由泄漏孔流出(流入)的高速氣流形成湍流射流,泄漏導(dǎo)致氣體不規(guī)則運(yùn)動(dòng)并激發(fā)了大量隨機(jī)的聲波信號(hào)[11]。其時(shí)域表現(xiàn)為噪聲信號(hào),并無明顯規(guī)律。
基于泄漏所激發(fā)的超聲信號(hào)特點(diǎn),本文選擇L型陣列傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的定向,其特性可參考文獻(xiàn)[12-15]。實(shí)際應(yīng)用中通過綜合多組L型陣列傳感器定向結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)器壁任意位置泄漏源的快速定位。定位原理圖如圖1所示。
圖1中,以N+m個(gè)傳感器所組成的L陣列為例,ai為第i個(gè)傳感器距離參考傳感器(算法中默認(rèn)為1號(hào)傳感器)距離,聲速為c,聲源與基準(zhǔn)偏移角度為Δθ,兩陣列坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2)。根據(jù)幾何關(guān)系,聲源位置(x,y)符合以下關(guān)系:
圖1 定位原理圖Fig.1 Location principle diagram
y-y1=tan(2π-Δθ1)(x-x1),
y-y2=tan(2π-Δθ2)(x-x2)
(1)
實(shí)際應(yīng)用中傳感器位置坐標(biāo)已知,故定位算法可以簡(jiǎn)化為對(duì)兩組傳感器Δθ參數(shù)的求取。同一泄漏源信號(hào)在時(shí)域上穩(wěn)定存在且相關(guān),所以利用傳感器陣列采集空間信號(hào),通過計(jì)算所采集信號(hào)陣列空間及時(shí)間上相關(guān)性最大方向,從而達(dá)到估計(jì)泄漏方向的目的。
設(shè)第i號(hào)陣元傳感器采集到的信號(hào)為pi(t),i=1,2,…N+m,令
(2)
在θ方向上,第i號(hào)傳感器所在位置相對(duì)于參考傳感器所在位置信號(hào)傳播時(shí)間可用式(3)表示。
i=N+1,N+2,…,N+m
(3)
由于在薄板中超聲波以Lamb波形式傳播,存在明顯頻散現(xiàn)象,故聲速c為關(guān)于頻率的函數(shù)。根據(jù)前期工作證明[16]在所涉及的頻帶(100~500 kHz)及板厚條件下,超聲傳感器接收到的信號(hào)主要為A0模態(tài),其余模態(tài)可忽略,則將c寫為cA0(f)。則:
(4)
將所有延時(shí)Δti(θ,f)用矩陣形式表示,則寫為:
T(θ,f)=[Δt1(θ,f),Δt2(θ,f),…,ΔtN+m(θ,f)]
(5)
選取時(shí)間窗口(ta,tb),以及頻帶(fc,fd),綜合式(2)及式(5),在特定角度θ下,傳感器陣列輸出能量函數(shù)(E)可寫為:
(6)
數(shù)學(xué)上可以證明上式僅當(dāng)θ=Δθ時(shí),即估計(jì)方向與來波方向一致時(shí),E取得最大值。證明過程可參考[16]。通過MATLAB軟件對(duì)算法進(jìn)行編寫,對(duì)陣列傳感器采集信號(hào)進(jìn)行分析,其輸出能量與θ關(guān)系圖(見圖2)。
圖2 能量(相對(duì))與角度關(guān)系圖Fig.2 Angle-power relation diagram
根據(jù)式(4)與式(6)可得,傳感器陣列參數(shù)ai和N+m均對(duì)E取值有影響,從而影響算法定向精度。故需要對(duì)傳感器陣列參數(shù)取值進(jìn)行討論。
2.1 陣元間距的選取
本文提出算法基于陣列采集信號(hào)相關(guān)性進(jìn)行討論,式(6)中計(jì)算E時(shí)需要保證pi(t),i=1,2,…,N+m,具有一定的相關(guān)性,數(shù)學(xué)證明過程可參考[13]。但實(shí)際上超聲波在非理想器壁中傳播時(shí),會(huì)受到器壁上其它結(jié)構(gòu)(如焊縫,加強(qiáng)筋等)的影響;同時(shí)由于其在器壁中主要以Lamb波方式傳播,存在明顯的頻散現(xiàn)象[17-18],使得傳播規(guī)律更為復(fù)雜,導(dǎo)致對(duì)同一泄漏源激發(fā)的信號(hào)在板中不同位置采集時(shí)相關(guān)性變差,需要進(jìn)一步研究。故本文選用Polytec PSV-500型激光多普勒測(cè)振儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)可以非接觸式的實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面任意質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況快速精確的測(cè)量,保證各個(gè)采集點(diǎn)信號(hào)采集時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的一致性。通過分析采集數(shù)據(jù)得到ai對(duì)pi(t),i=1,2,…N+m,間相似度變化的影響,為傳感器陣列的設(shè)計(jì)與制作提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建見圖3。
圖3 激光多普勒測(cè)振儀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Laser vibrometer experimental platform
實(shí)驗(yàn)?zāi)赴娌捎?A06型鎂鋁合金材料,實(shí)驗(yàn)中將實(shí)際采集到的泄漏信號(hào)輸入可編程信號(hào)發(fā)生器,通過耦合在板上的超聲換能器進(jìn)行激發(fā)以模擬泄漏聲源,并且通過設(shè)置同步脈沖使得采集和激發(fā)時(shí)間同步,保證各個(gè)采集點(diǎn)所采集的原始信號(hào)一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整采集點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同間距樣本的采集,同時(shí)利用測(cè)振儀對(duì)板中不同位置進(jìn)行掃描,使得各個(gè)間距樣本數(shù)據(jù)具有普遍性。以某次實(shí)驗(yàn)為例,采樣率為3.125 MHz,其掃描示意圖見圖4。
圖4 實(shí)驗(yàn)掃描示意圖Fig.4 The scanning schematic diagram
其中1~14代表激光多普勒測(cè)振儀掃描點(diǎn),掃描區(qū)域A、B中的采樣點(diǎn)擁有相同的空間分布,以1、2號(hào)位置為例,其間距為6 mm,選取時(shí)間長(zhǎng)度為0.03 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)其時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,得到相關(guān)系數(shù)曲線,如圖5所示。
圖5 1、2號(hào)位置實(shí)際采集信號(hào)相關(guān)性曲線Fig.5 Correlation curve of the signals form position No.1 and No.2
圖5中可得1、2號(hào)位置上信號(hào)相關(guān)系數(shù)最大值為0.504 6。應(yīng)用相同方法對(duì)板中不同位置,不同間隔條件下信號(hào)相關(guān)性進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)得到如下表。表中所得結(jié)果均為在不同位置下所得結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值,具有一般性。
根據(jù)表1,所采集信號(hào)的相關(guān)性隨著采集點(diǎn)間距的增大而逐漸減小。而另一方面,根據(jù)式(4)所示,當(dāng)ai變小時(shí)Δti(θ,f)會(huì)相應(yīng)的減小,為了保證結(jié)果的精度,需要系統(tǒng)擁有更高的采樣率和檢測(cè)靈敏度。故綜合考慮以上兩點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用時(shí)選取陣元間距為8 mm。
表1 不同間距下信號(hào)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of the correlation in different spacing
2.2 陣列中陣元數(shù)目
根據(jù)式(6)可得,增大N+m取值時(shí),可以提高傳感器陣列定向精度及穩(wěn)定性。為了獲得N+m取值與定向精度的關(guān)系,將不同陣元數(shù)的傳感器陣列相對(duì)某一聲源依次按順序旋轉(zhuǎn)固定角度,并計(jì)算此時(shí)對(duì)此聲源的定向誤差。以ai=8 mm陣元間距陣列為例,旋轉(zhuǎn)角度為5°,實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖6所示。
圖6 傳感器陣列中陣元數(shù)量對(duì)定向精度的影響Fig.6 The relationship of the directional accuracy and the number of the sensors in the sensor array
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)傳感器數(shù)量過少時(shí)(少于6個(gè))其誤差明顯增大。故本文綜合定向精度需求以及實(shí)際應(yīng)用開銷,采用8只聲發(fā)射傳感器組成L型傳感器陣列。
根據(jù)以上討論,最終傳感器單元采用PAC(美國(guó)物理聲學(xué)公司)nano30型傳感器,其直徑為8 mm,可以保證陣列具有良好的空間響應(yīng),其詳細(xì)參數(shù)可參考PAC產(chǎn)品手冊(cè)。應(yīng)用8個(gè)此種傳感器組成傳感器陣列如圖7所示。
通過設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳感器陣列定向性能及算法定位精度。選用5A06鎂鋁合金作為材質(zhì),加工成長(zhǎng)寬為1 m×1 m,厚度為2.5 mm的平板以模擬泄漏器壁。板上在不同位置預(yù)先打下特定孔徑(1~2 mm)的圓形孔模擬發(fā)生泄漏的泄漏孔。以真空泵、真空波紋管等提供氣體泄漏條件,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖如圖8所示。
圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.8 The schematic diagram of the experimental apparatus
實(shí)驗(yàn)所用聲發(fā)射儀器為全數(shù)字16通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)DS2-16A??蓪?shí)現(xiàn)3 MHz采樣率的8路同步采集。真空泵通過真空吸嘴與泄漏孔相連,如圖9所示,通過真空泵產(chǎn)生壓差以模擬泄漏工況。將傳感器陣列用真空脂耦合放置在實(shí)驗(yàn)板上,并通過前置放大器(增益為40 dB)與聲發(fā)射儀相連,最終將多路采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行處理。
圖9 真空吸嘴Fig.9 Vacuum nozzle
以泄漏孔在實(shí)驗(yàn)平板中心為例,漏孔大小為1 mm。通過陣列傳感器以3 MHz采樣率采集泄漏時(shí)域信號(hào),采集時(shí)長(zhǎng)為0.01 s,以陣列中1號(hào)傳感器采集信號(hào)為例,根據(jù)計(jì)算需求對(duì)其進(jìn)行100~500 kHz帶通濾波后,其時(shí)頻圖(見圖10)。
圖10 傳感器采集泄漏信號(hào)時(shí)頻圖Fig.10 The signal time-frequency diagram
如圖10所示,泄漏信號(hào)為寬帶信號(hào),且隨著頻率增高信號(hào)能量衰減增大。同時(shí)其時(shí)域上并無明顯特征,進(jìn)一步對(duì)該信號(hào)在不同時(shí)刻自相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算,典型自相關(guān)曲線如圖11所示。
圖11 泄漏信號(hào)自相關(guān)Fig.11 Self-correlation of the signal
從自相關(guān)結(jié)果可得,同一泄漏源所激發(fā)的超聲波信號(hào)在不同時(shí)刻不相關(guān),屬于隨機(jī)信號(hào)。將傳感器陣列布放在實(shí)驗(yàn)板上兩個(gè)不同位置,并將各個(gè)陣列中傳感器同步采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算處理,最終得到不同位置定向結(jié)果如圖12所示(左邊為笛卡爾坐標(biāo)表示,右邊為極坐標(biāo)表示)。
從角度-能量圖中我們可以看到,曲線存在明顯的最大值。在曲線中能量最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度即為泄漏源相對(duì)基準(zhǔn)線夾角方向。為避免擺放誤差,真實(shí)角度均經(jīng)過高精度數(shù)顯量角器測(cè)量。綜合兩次定向結(jié)果可得到實(shí)際定位結(jié)果,如圖13所示。經(jīng)過計(jì)算,本次定位誤差為9.7 mm(估計(jì)點(diǎn)與實(shí)際漏孔距離差)。在實(shí)驗(yàn)板上建立直角坐標(biāo)系以供參考(圖中單位為cm)。
(a) 1號(hào)位置
(b) 2號(hào)位置圖12 定位結(jié)果Fig.12 The location results
圖13 傳感器陣列擺放位置示意圖Fig.13 The spacing diagram of the sensor array
按照此方法,我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)討論在不同陣元間距條件下的算法性能。將兩組傳感器陣列隨機(jī)布放在實(shí)驗(yàn)板不同位置,分別對(duì)板中不同位置漏孔進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn),并保證實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,改變陣列中陣元間距作為對(duì)比項(xiàng),分別選取其中50組實(shí)驗(yàn)樣本為例,定位誤差結(jié)果歸納如圖14所示。
圖14 不同陣元間距條件下的定位誤差Fig.14 The location error under different distances between the sensors in the array
定位誤差定義為估計(jì)點(diǎn)和實(shí)際泄漏點(diǎn)之間的距離,從圖中我們可以看出,當(dāng)陣列中陣元間距增大時(shí),定位誤差隨之增大,與第3節(jié)分析結(jié)果一致。當(dāng)陣元間間隔為8 mm時(shí),本文定位方法定位誤差絕對(duì)值小于10 mm組為98%,絕對(duì)誤差平均值為3.42 mm,方差為24.4。可以在較低的系統(tǒng)要求下,獲得較高的定位精度及穩(wěn)定性,滿足實(shí)際應(yīng)用精度需求。
(1) 泄漏激發(fā)的超聲波信號(hào)為連續(xù)寬頻隨機(jī)信號(hào),根據(jù)Lamb理論,其在薄板中以Lamb波形式傳播,存在明顯的頻散現(xiàn)象,傳播規(guī)律較為復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在實(shí)際情況下傳感器陣列中各陣元采集信號(hào)相關(guān)度會(huì)隨著陣元間距的增大而減小,信號(hào)空間相關(guān)性信息減少,導(dǎo)致定位結(jié)果準(zhǔn)確率降低。
(2) 本文基于聲傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用性較高的高精度泄漏定位方法,并對(duì)相應(yīng)的傳感器陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作,有效解決孔徑在1 mm及以上漏孔泄漏在線定位問題。實(shí)驗(yàn)表明,在1 m×1 m×2.5 mm平板條件下,定位平均誤差小于10 mm。為解決大型容器(如在軌航天器)氣體泄漏檢測(cè)定位提供了一種新的方法。
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Leakage location method based on an ultrasonic sensor array
BIAN Xu1, ZHANG Yu1, WANG Jiaqiang1, LI yibo1, JIN Shijiu1, SUN lichen2, QI Lei2
(1. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instrument,Tianjin University,Tianjin 300072, China;2. Vacuum and Leak Detecting Division Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)
Based on an ultrasonic sensor array, a method for leakage location of pressure containers (such as spacecraft) was proposed. When the leaking happens, the method could accomplish the fast and accurate location of leakage source through acquiring a set of ultrasonic signals on the wall of container by using an ultrasonic sensor array,and analyzing the time-space correlation among all the data collected by each sensor in the array. Moreover, the propagation characteristics of leakage signals in a thin plate were analysed. It proves that the correlation between the collected signals will decrease as the distances between the collection points increase, which provides a reference to the design of sensor arrays. Meanwhile, the related experiments were designed to discuss the location accuracy of different sensor arrays with different distances between the sensors in the array. According to the experimental results, the location error is influenced by the number of sensors and the distances between them in the array. When the number of sensors in the array is eight, and the distances between them are 8 mm, the mean value of the absolute location error is less than 10 mm on a one square meter plate.
ultrasound; leakage; location; array sensor
國(guó)家青年基金項(xiàng)目(61201039); 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研發(fā)課題(YY-BZ(WM)-2013-07)
2015-10-30 修改稿收到日期: 2016-02-04
邊旭 男,博士生,1985年11月生
張宇 男,博士,講師,1982年4月生
TB553;TB771
A
10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.020