Page 60 - 无损检测2025年第三期

田宇航，等：

基于相关性分析的变温管道壁厚高精度监测方法

测的数据采取措施以延长管道使用寿命，降低维护
[3]
成本 。 （2）
文章采用压电超声脉冲反射法测量管道壁厚进
而实现对管道腐蚀情况的监测，该方法利用压电超 式中：E为杨氏模量；σ 为泊松比；ρ 为密度；v 为
L
声探头发射超声波脉冲到工件内并接收其反射的回 材料的纵波声速。
波来检测缺陷，超声波传入被测工件与超声波被反 通过式（2）计算或查找材料声速对应表可以获
射回来的时间间隔被称为超声飞行时间 (Time-of- 得被测管道的声速，再通过相关性分析的方法获得
flight，TOF)，通过测量超声飞行时间能够计算出管 超声飞行时间，即可对管道的壁厚进行测量。但当
道的壁厚值。目前确定超声飞行时间的方法主要有 环境温度变化时，材料的弹性模量、密度等会有相应
阈值检测法、基于包络线的测定方法和基于相关性 的变化，从而引起材料声速的变化，超声波的飞行时
分析的测定方法3类 [4-5] 。阈值检测法通过设置阈值 间也会有所变化。
确定超声波的飞行时间，简单且计算量小，适合资源 此外，管道温度的改变也会影响耦合剂的性能
受限的系统，但对噪声敏感，测量精度较低 。基于 而影响回波幅值，不同温度下的管道回波幅值如图2
[5]
包络线的测定方法通过差分法提取超声信号的局部 所示。使用相同的增益对同一管道进行测量，不同
极大值和极小值并生成上包络线和下包络线，然后 温度下超声回波的幅值不同，表明超声回波的幅值
应用经验模态分解和希尔伯特变换等方法确定超声 会受到环境温度的影响，可能导致回波的最大值无
波的飞行时间，能避免传统方法的门限值设置问题， 法达到设定的阈值而影响阈值法和包络法对超声飞
具有较强的抗干扰能力和较高准确度，但其不适合 行时间的计算。
[4]
信号幅值较小的场景 。基于相关性分析的测定方
法通过互相关算法确定超声波的飞行时间，并采用
插值技术提高时间分辨率，能够实现高精度测量，具
有较强的抗干扰能力 [5-9] 。

1 变温管道检测基本原理

压电超声脉冲反射法是压电超声管道壁厚测量
中常用的检测方法，其原理示意如图1所示。该方
法可采用干耦合剂使超声探头与管道表面耦合，探
头激发的超声波经过管道内壁反射再被探头接收，
则管道壁厚可表示为

（1）

式中：h为管道的壁厚值；t 为超声波飞行时间；v
TOF
为超声波在被测管道中的声速。

图 2 不同温度下的管道回波幅值
2 变温管道壁厚计算方法

2.1 超声回波数据预处理
使用自制压电超声管道壁厚测量设备获得管道
测厚超声回波数据和管道温度数据，在进行超声飞
图 1 压电超声脉冲反射法原理示意 行时间计算前，对ADC（模数转换器）采集的超声数
材料的声速计算公式为 据进行平滑滤波、归一化、插值等预处理，以提高数
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2025 年 第 47 卷 第 3 期
无损检测