Page 61 - 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

据质量，保证数据的准确性和可靠性。 2.2 变温管道壁厚计算流程
平滑滤波处理能去除噪声和干扰，使信号更加 基于相关性分析计算超声飞行时间的原理是
平滑和稳定。通过平滑滤波，可以减少噪声对插值 通过匹配发射的超声波与接收的超声波之间的相
处理的影响，提高插值的准确性。 似度，从而识别出回波位置并计算得出超声飞行时
归一化处理可以将压电超声数据变为无量纲数 间 [5，12-14] ，超声信号互相关示意如图3所示。超声归
据，不仅能提高数据分析的质量和效率，还能够优化 一化的信号A部分与B部分具有一定的相似性，通
数据的可视化展示。采用最大最小归一化对超声数 过计算两个信号的互相关函数可以间接得出超声飞
据进行归一化操作，可表示为 行时间t 。
TOF
X -X
Y i = i min （3）
X
max -X min
式中：X 为一组超声数据中第i个被处理的数据点；
i
Y 为归一化后的值；X max 和X 分别为一组超声数据
i
min
中的最大值和最小值，系统采用的 8位 ADC 能采集
的最大值和最小值分别为 255 和 0。
自制压电超声管道壁厚测量设备的ADC采样
频率为 60 MHz，若取声速为 5 948 m/s，则壁厚测
量的分辨率约为0. 05 mm，为实现0. 01 mm的分辨
率，可利用插值处理在归一化后的相邻数据点之间
插入4个新的数据点对其进行5倍频处理以达到预
期的分辨率 [10] 。采用 Hermite 插值对超声回波数据 图 3 超声信号互相关示意
进行插值处理，该方法不仅要求插值多项式在节点 两个序列的互相关函数计算示意如图 4 所
处的函数值相等，还要求若干阶导数值也相等，因此 示。假定已知的超声数据是长度为N的序列f (n)，

能够生成平滑的曲线。利用Newton均差插值的思 从 f (n) 的起始位置 i 处向后取出长度为 M (0<
1
想，表达式如式（4）所示，可以求出满足条件p(x i )= M <N)的序列x (n)表示发射的超声波信号，从x (n)
1
f(x i )(i=0，1，2)， p′(x 1 )=f′(x 1 )的三次多项式的Hermite 结束位置(即i+M -1)向后+1(即 i+M ）处取出
1
1
插值表达式p(x)[f(x i )为节点x i 的函数值]，为 f (n)剩下采样点构成的序列y (n)表示接收的超声波
信号，y (n)的长度为M (0<M +M <N)，通过式（7）
2
1
2
（4）
可以计算两者的互相关函数r (m)。
xy
L
式中：f [x ，x ]为节点x 和x 的一阶均差；f [x ，x ， r m ∑ xn y n m （7）
0 1 0 1 0 1 xy () = ( ) (- )
x ]为节点x 、x 和x 的二阶均差；A为待定系数，可 n =0
2 0 1 2
由条件p′(x )=f′(x )确定，其计算如式（5）所示。 式中：x (n)与y (n)分别为两个序列在时刻n的值；m
1 1
（5）
此外，为了减小温度变化对声速的影响而产生
的管道壁厚测量误差，邱福寿等 [11] 进行了不同温度
下的钢材声速测量试验，并获得适用于-30 ℃至
80 ℃下的声速-温度关系公式如式（6）所示，在管道
壁厚计算中将基于该关系进行壁厚补偿。

（6）

式中：T为工件温度；v 为工件温度下的材料纵波声速，
T
单位为m/s；v 为30 ℃下的材料声速，其值为 5 948 m/s。 图 4 序列互相关函数计算示意
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2025 年 第 47 卷 第 3 期
无损检测