基于平行壓電陣列的閥門(mén)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(cè)研究院，溫州 325035；2.溫州大學(xué) 機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。在各類(lèi)管道系統(tǒng)中，閥門(mén)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(duì)絕大多數(shù)閥門(mén)來(lái)說(shuō)，泄漏是其最主要的故障形式，也是影響管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的首要問(wèn)題。閥門(mén)故障會(huì)引起流體的外漏或內(nèi)漏，不僅會(huì)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(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果[1]。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種有效的無(wú)損檢測(cè)方法，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于閥門(mén)的泄漏檢測(cè)中。林偉國(guó)等[2]提出了一種采用雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)的閥門(mén)非介入式聲波監(jiān)測(cè)方法。李振林等[3]利用聲發(fā)射理論建立了閥門(mén)內(nèi)漏過(guò)程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的量化關(guān)系。JAFARI等[4]探討了內(nèi)燃機(jī)閥門(mén)泄漏與氣缸頭穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系。Caffrey等[5]利用聲發(fā)射傳感器研制了無(wú)線閥泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。WANG等[6]利用模擬閥運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的往復(fù)式壓縮機(jī)氣門(mén)故障診斷的試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于典型閥門(mén)故障的聲發(fā)射診斷中。LI等[7]利用泄漏聲發(fā)射信號(hào)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(jī)(SVM)的分類(lèi)方法，用于識(shí)別天然氣管道中的閥門(mén)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(duì)不同泄漏孔徑下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的特征進(jìn)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(xiàn)可見(jiàn)，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(hào)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(cè)位置和距離對(duì)故障評(píng)估的結(jié)果影響較大，獲得的信息量非常有限。

近年來(lái)，有學(xué)者將一維信號(hào)處理延伸到多維信號(hào)處理領(lǐng)域，開(kāi)辟了陣列信號(hào)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(hào)處理技術(shù)將多個(gè)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(hào)進(jìn)行特定處理，有效地增強(qiáng)了有用信號(hào)，并抑制了無(wú)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(jī)械的早期故障定位，利用四階累積量改進(jìn)近場(chǎng)多重信號(hào)分類(lèi)算法(NFC-MUSIC)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)相關(guān)故障聲發(fā)射源信號(hào)的高精度定位。YANG等提出了一種基于近場(chǎng)多信號(hào)分類(lèi)方法(IN-MUSIC)，利用K-SVD(字典學(xué)習(xí)法)提取聲發(fā)射信號(hào)的最優(yōu)頻率分量，識(shí)別聲發(fā)射源信號(hào)[10]。

筆者提出了基于平行壓電陣列的閥門(mén)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(diǎn)。筆者首先利用平行壓電陣列采集閥門(mén)泄漏時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)；再計(jì)算各自陣列協(xié)方差及特征值分解，通過(guò)比較特征值的大小，確定聲發(fā)射信號(hào)源的大致區(qū)域，然后利用近場(chǎng)多重信號(hào)分類(lèi)算法，進(jìn)行空間譜估計(jì)，在子陣列上建立的局部坐標(biāo)得到與聲發(fā)射源對(duì)應(yīng)參考陣元的極坐標(biāo)，即距離和角度；最后，通過(guò)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(guò)DN50的閘閥進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以有效地對(duì)閥門(mén)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，減小了閥門(mén)泄漏故障的誤判，并可為閥門(mén)故障預(yù)測(cè)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(hào)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(dú)立采集信號(hào)，包含M個(gè)傳感器，M為奇數(shù)。以壓電陣列I中M個(gè)傳感器推導(dǎo)閥門(mén)結(jié)構(gòu)中的單線陣的信號(hào)傳播模型。

平行壓電陣列信號(hào)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(hào)接收模型

定義xi(t)為壓電傳感器i在時(shí)間t處所接收到的聲發(fā)射信號(hào)，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(hào)；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(hào)。

si(t)=u(t-τi)s(t)exp(jω0τi)

(2)

式中：τi為聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)壓電傳感器i的傳播時(shí)間；u(t-τi)為聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)壓電傳感器i的信號(hào)幅值變化。

在近場(chǎng)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(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量，即為

ai(R0,θ)=Ri/R0exp(jω0τi)

(6)

對(duì)于整個(gè)壓電傳感器陣列I，所接收的陣列信號(hào)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(hào)分類(lèi)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(zhǎng)度；X為Gabor小波變換提取的窄帶信號(hào)；XH為X的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置。

將協(xié)方差進(jìn)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(shí)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(hào)子空間和噪聲子空間不能完全正交。在近場(chǎng)2D-MUSIC算法中以最小優(yōu)化搜索實(shí)現(xiàn)，即

(14)

因此，基于近場(chǎng)2D-MUSIC算法的空間譜估計(jì)公式定義為

(15)

即信號(hào)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(mén)聲發(fā)射源定位方法

由于閥門(mén)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓電傳感器布置區(qū)域相對(duì)狹小。監(jiān)測(cè)區(qū)域必須滿足如下近場(chǎng)條件

Rnearfield<2D2/λ

(17)

式中：D為壓電陣列長(zhǎng)度；λ為聲發(fā)射信號(hào)中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

(18)

式中：陣列I時(shí)式子取負(fù)號(hào)，陣列II時(shí)式子取正號(hào)。

圖2 基于平行壓電陣列的閥門(mén)聲發(fā)射源定位方法流程圖

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

閥門(mén)試件監(jiān)測(cè)區(qū)域外觀及壓電傳感器陣列布置示意如圖3所示，試驗(yàn)對(duì)象為閘閥D50。在閥門(mén)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(mén)尺寸的限制，每個(gè)子陣元個(gè)數(shù)為3，陣列I從上到下的順序編號(hào)為PZT1PZT3，陣列II從上到下的順序編號(hào)為PZT4PZT6，陣列間距d為10 mm，陣列長(zhǎng)度為20 mm;壓電片的型號(hào)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(diǎn)建立局部極坐標(biāo)，用于空間譜搜索。在閘閥對(duì)稱(chēng)中心位置建立監(jiān)測(cè)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(mén)試件監(jiān)測(cè)區(qū)域外觀及壓電傳感器陣列布置示意

試驗(yàn)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(dòng)沖擊監(jiān)測(cè)中可以支持8通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中采用沖擊力錘模擬閥門(mén)泄漏引起的聲發(fā)射事件。試驗(yàn)中模擬聲發(fā)射位置坐標(biāo)如表1所示，選取了4個(gè)模擬聲發(fā)射位置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為1 MHz，數(shù)據(jù)采樣長(zhǎng)度為5 000，預(yù)采集點(diǎn)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(hào)分析，當(dāng)被監(jiān)測(cè)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(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)將同時(shí)采集到6個(gè)通道的陣列響應(yīng)信號(hào)。為了保證時(shí)域分辨率和算法對(duì)窄帶信號(hào)的要求，綜合考慮，選取40 kHz為中心頻率，從原始沖擊信號(hào)中提取窄帶信號(hào)。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(hào)在中心頻率為40 kHz時(shí)的窄帶信號(hào)?？梢钥闯?，在數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)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(shí)采集的陣列信號(hào)

(19)

圖5 位置2發(fā)生聲發(fā)射信號(hào)空間譜估計(jì)圖

即聲發(fā)射信號(hào)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(jì)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(gè)位置發(fā)生聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及其誤差統(tǒng)計(jì)，4個(gè)聲發(fā)射源的估計(jì)位置與實(shí)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(gè)位置發(fā)生聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及誤差統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)閥門(mén)泄漏故障問(wèn)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(hào)分類(lèi)算法的閥門(mén)泄漏聲發(fā)射源定位方法。聲發(fā)射源的估計(jì)位置與實(shí)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(duì)閥門(mén)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，減小了閥門(mén)泄漏故障的誤判，也可為后續(xù)閥門(mén)故障診斷提供了參考。