基于平行壓電陣列的閥門泄漏聲發(fā)射源定位方法

易際研，鐘永騰2,金樟民，邵振宇

(1.溫州市特種設(shè)備檢測研究院，溫州 325035；2.溫州大學(xué) 機電工程學(xué)院，溫州 325035)

管道系統(tǒng)作為必不可少的工業(yè)設(shè)備和重要的配套設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟領(lǐng)域和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。在各類管道系統(tǒng)中，閥門起著隔離設(shè)備、調(diào)節(jié)流量、防止回流、排泄壓力等重要作用。對絕大多數(shù)閥門來說，泄漏是其最主要的故障形式，也是影響管道系統(tǒng)安全運行的首要問題。閥門故障會引起流體的外漏或內(nèi)漏，不僅會造成系統(tǒng)的壓力損失，泄漏的如果是腐蝕性、易燃易爆性和有毒性流體，還會帶來災(zāi)難性后果[1]。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種有效的無損檢測方法，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于閥門的泄漏檢測中。林偉國等[2]提出了一種采用雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)的閥門非介入式聲波監(jiān)測方法。李振林等[3]利用聲發(fā)射理論建立了閥門內(nèi)漏過程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號特征參數(shù)的量化關(guān)系。JAFARI等[4]探討了內(nèi)燃機閥門泄漏與氣缸頭穩(wěn)定流動產(chǎn)生的聲發(fā)射信號之間的關(guān)系。Caffrey等[5]利用聲發(fā)射傳感器研制了無線閥泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。WANG等[6]利用模擬閥運動進行了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的往復(fù)式壓縮機氣門故障診斷的試驗研究，并應(yīng)用于典型閥門故障的聲發(fā)射診斷中。LI等[7]利用泄漏聲發(fā)射信號作為特征源，提出了一種基于核主成分分析Kernel PCA和支持向量機(SVM)的分類方法，用于識別天然氣管道中的閥門泄漏程度。張濤等[8]利用參數(shù)特征分析法和平均頻譜分析法，對不同泄漏孔徑下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的特征進行了研究，并得到了相應(yīng)的小波包歸一化頻帶能量分布特征。

根據(jù)現(xiàn)有文獻可見，目前所提出的方法多采用單一或稀疏傳感器布置方式。在復(fù)雜的工程環(huán)境下，噪聲信號混疊，再加上邊界反射的影響，基于單一傳感器的故障診斷方法的抗干擾能力差，提取的故障特征不穩(wěn)定，而且傳感器監(jiān)測位置和距離對故障評估的結(jié)果影響較大，獲得的信息量非常有限。

近年來，有學(xué)者將一維信號處理延伸到多維信號處理領(lǐng)域，開辟了陣列信號處理這一新的研究領(lǐng)域，為新型故障診斷技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。陣列信號處理技術(shù)將多個傳感器分別設(shè)置在不同位置，組成傳感器陣列，利用陣列接收空間信號進行特定處理，有效地增強了有用信號，并抑制了無用的干擾和噪聲，提高了信噪比。LI等[9]研究了診斷旋轉(zhuǎn)機械的早期故障定位，利用四階累積量改進近場多重信號分類算法(NFC-MUSIC)實現(xiàn)了多個相關(guān)故障聲發(fā)射源信號的高精度定位。YANG等提出了一種基于近場多信號分類方法(IN-MUSIC)，利用K-SVD(字典學(xué)習(xí)法)提取聲發(fā)射信號的最優(yōu)頻率分量，識別聲發(fā)射源信號[10]。

筆者提出了基于平行壓電陣列的閥門泄漏聲發(fā)射源定位方法。相較于聲發(fā)射傳感器和加速度傳感器，壓電陶瓷傳感器具有體積小、便于安裝等優(yōu)點。筆者首先利用平行壓電陣列采集閥門泄漏時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號；再計算各自陣列協(xié)方差及特征值分解，通過比較特征值的大小，確定聲發(fā)射信號源的大致區(qū)域，然后利用近場多重信號分類算法，進行空間譜估計，在子陣列上建立的局部坐標(biāo)得到與聲發(fā)射源對應(yīng)參考陣元的極坐標(biāo)，即距離和角度；最后，通過坐標(biāo)變換，將局部坐標(biāo)軸中的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)。通過DN50的閘閥進行了試驗，試驗結(jié)果表明：該方法可以有效地對閥門聲發(fā)射源進行定位，減小了閥門泄漏故障的誤判，并可為閥門故障預(yù)測提供指導(dǎo)。

1 基于平行壓電陣列的聲發(fā)射源定位方法

1.1 單壓電陣列信號模型

平行壓電陣列包含兩列均勻線型陣列，定義為壓電陣列I、壓電陣列II，每條均勻線陣獨立采集信號，包含M個傳感器，M為奇數(shù)。以壓電陣列I中M個傳感器推導(dǎo)閥門結(jié)構(gòu)中的單線陣的信號傳播模型。

平行壓電陣列信號接收模型如圖1所示(PZT為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)，以中間傳感器(M-1)/2作為壓電傳感器陣列I局部坐標(biāo)的參考陣元，聲發(fā)射源與參考陣元的距離和角度分別為R0和θ，源到其他陣元i的距離定義為ri，壓電傳感器間距為d。

圖1 平行壓電陣列信號接收模型

定義xi(t)為壓電傳感器i在時間t處所接收到的聲發(fā)射信號，那么xi(t)可以表示為

xi(t)=si(t)+ni(t),i=1,…,M

(1)

式中：ni(t)為噪聲信號；M為傳感器陣列I的數(shù)目；si(t)為傳感器i所接收的中心頻率為ω0的聲發(fā)射信號。

si(t)=u(t-τi)s(t)exp(jω0τi)

(2)

式中：τi為聲發(fā)射信號到達壓電傳感器i的傳播時間；u(t-τi)為聲發(fā)射信號到達壓電傳感器i的信號幅值變化。

在近場情況下，u(t-τi)可以表示為

u(t-τi)=Ri/R0u(t)

(3)

式中：Ri為聲發(fā)射源與壓電傳感器i的距離；u(t)為聲發(fā)射源的幅值。

(4)

式中：c為波速。

將式(3)，(4)代入式(2)，得

xi(t)=Ri/R0s(t)exp(jω0τi)+ni(t),

i=1,…,M

(5)

令ai(R0,θ)為壓電陣列中i所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量，即為

ai(R0,θ)=Ri/R0exp(jω0τi)

(6)

對于整個壓電傳感器陣列I，所接收的陣列信號可以表示為矩陣的形式，如式(7)所示。

X(t)=A(R0,θ)s(t)+N(t)

(7)

X(t)=[x1(t),…,xi(t),…,xM(t)]T

(8)

A(t)=[a1(R0,θ),…,ai(R0,θ),…,aM(R0,θ)]T

(9)

N(t)=[n1(t),…,ni(t),…,nM(t)]T

(10)

1.2 基于多重信號分類聲發(fā)射源定位方法

定義S為樣本協(xié)方差矩陣，即為

(11)

式中：L為數(shù)據(jù)長度；X為Gabor小波變換提取的窄帶信號；XH為X的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置。

將協(xié)方差進行特征值分解，可得

(12)

假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，根據(jù)子空間的正交性，可得

AHUN=0

(13)

在實際應(yīng)用中，噪聲都不屬于高斯白噪聲，由于有色噪聲的存在，信號子空間和噪聲子空間不能完全正交。在近場2D-MUSIC算法中以最小優(yōu)化搜索實現(xiàn)，即

(14)

因此，基于近場2D-MUSIC算法的空間譜估計公式定義為

(15)

即信號源在局部坐標(biāo)的極坐標(biāo)為

(0,)=argmaxPMUSIC(R0,θ)

(16)

1.3 基于平行壓電陣列的閥門聲發(fā)射源定位方法

由于閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓電傳感器布置區(qū)域相對狹小。監(jiān)測區(qū)域必須滿足如下近場條件

Rnearfield<2D2/λ

(17)

式中：D為壓電陣列長度；λ為聲發(fā)射信號中心頻率對應(yīng)的波長。

(18)

式中：陣列I時式子取負(fù)號，陣列II時式子取正號。

圖2 基于平行壓電陣列的閥門聲發(fā)射源定位方法流程圖

2 試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)

閥門試件監(jiān)測區(qū)域外觀及壓電傳感器陣列布置示意如圖3所示，試驗對象為閘閥D50。在閥門閥芯槽的正下方兩側(cè)平行均勻線性地布置PZT壓電陶瓷傳感器陣列，由于閥門尺寸的限制，每個子陣元個數(shù)為3，陣列I從上到下的順序編號為PZT1PZT3，陣列II從上到下的順序編號為PZT4PZT6，陣列間距d為10 mm，陣列長度為20 mm;壓電片的型號為PSN-33，其直徑為8 mm，厚度為0.48 mm。分別以陣列I、陣列II建立局部極坐標(biāo)，并以PZT2、PZT5作為坐標(biāo)原點建立局部極坐標(biāo)，用于空間譜搜索。在閘閥對稱中心位置建立監(jiān)測區(qū)域I的全局笛卡爾坐標(biāo)系，用于最終聲發(fā)射源標(biāo)記。

圖3 閥門試件監(jiān)測區(qū)域外觀及壓電傳感器陣列布置示意

試驗設(shè)備使用的是南京航空航天大學(xué)智能所自主研制的集成壓電多通道掃查系統(tǒng)，該系統(tǒng)在被動沖擊監(jiān)測中可以支持8通道同時采集數(shù)據(jù)。試驗中采用沖擊力錘模擬閥門泄漏引起的聲發(fā)射事件。試驗中模擬聲發(fā)射位置坐標(biāo)如表1所示，選取了4個模擬聲發(fā)射位置進行試驗驗證。試驗采樣頻率設(shè)置為1 MHz，數(shù)據(jù)采樣長度為5 000，預(yù)采集點數(shù)為2 000。

表1 模擬聲發(fā)射位置坐標(biāo) mm

2.2 聲發(fā)射源定位

以AE2聲發(fā)射事件作為典型信號分析，當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域中發(fā)生聲發(fā)射事件，且數(shù)據(jù)采集卡被觸發(fā)時，試驗系統(tǒng)將同時采集到6個通道的陣列響應(yīng)信號。為了保證時域分辨率和算法對窄帶信號的要求，綜合考慮，選取40 kHz為中心頻率，從原始沖擊信號中提取窄帶信號。圖4給出了由小波變換方法提取的典型聲發(fā)射響應(yīng)信號在中心頻率為40 kHz時的窄帶信號。可以看出，在數(shù)據(jù)采樣點1 000附近存在明顯的波陣面。

圖4 位置2發(fā)生聲發(fā)射時采集的陣列信號

(19)

圖5 位置2發(fā)生聲發(fā)射信號空間譜估計圖

即聲發(fā)射信號源位置為(-4.6,8.8)。根據(jù)表1所示，位置2的聲發(fā)射的位置為(0,10),可知基于平行壓電陣列的位置2的聲發(fā)射源位置估計在x軸方向上的誤差為4.6 mm,在y軸方向上的誤差為1.2 mm。

表2給出了AE1～AE4 4個位置發(fā)生聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及其誤差統(tǒng)計，4個聲發(fā)射源的估計位置與實際位置較符合，誤差較小，在x軸方向上的最大誤差為4.6 mm,在y軸方向上的最大誤差為2.9 mm。

表2 AE1AE4 4個位置發(fā)生聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及誤差統(tǒng)計

3 結(jié)語

針對閥門泄漏故障問題，構(gòu)造了閥體底部的兩條平行線性壓電傳感器陣列，提出了多重信號分類算法的閥門泄漏聲發(fā)射源定位方法。聲發(fā)射源的估計位置與實際位置較符合，誤差較小，在x軸方向上最大的誤差為4.6 mm,在y軸方向上最大的誤差為2.9 mm，位置誤差可以控制在10%以內(nèi)。

該方法可以有效地對閥門聲發(fā)射源進行定位，減小了閥門泄漏故障的誤判，也可為后續(xù)閥門故障診斷提供了參考。