基于超聲導波的結構健康狀態(tài)無損檢測及在線監(jiān)測

3.2 導波激發(fā)波形優(yōu)化

超聲導波具有頻散特性，不同頻率的波包成分的傳播速度不同，成為頻散現(xiàn)象。嚴重的頻散現(xiàn)象會造成檢測信號混淆、缺陷特征無法提取。為了避免此問題的發(fā)生，需要對導波激發(fā)頻率和波形進行優(yōu)化。

超聲導波激發(fā)波形通常使用經(jīng)漢寧窗調制的5周期正弦波。漢寧窗的作用是降低由于波形忽然開始和忽然結束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率。通過對激發(fā)信號的加窗調制可以減小激發(fā)信號的頻帶寬度，減小頻散效應。圖4為200kHz正弦波和加窗調制后的波形，以及其對應的頻譜。

(a) (b)

(c) (d)

圖4 5周期200kHz正弦波與加窗調制對比:

(a)原始信號，(b)原始信號頻譜，(c)漢寧窗調制信號，(d)調制信號頻譜

3.3 超聲導波檢測平臺

超聲導波檢測方法不同于常規(guī)超聲檢測，它最突出的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)快速、大范圍檢測，而不是逐點檢測，同時為較精確定位缺陷，必須在試驗中確保檢測數(shù)據(jù)的精度。因此在構建檢測平臺上，針對超聲導波的特殊性(如所選激勵信號的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導波檢測平臺，如圖5所示。

圖5 超聲導波檢測平臺

任意函數(shù)發(fā)生器輸出的信號可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅動壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應，將電壓信號轉變?yōu)橄嗤l率的振動信號，在被檢測結構中傳播。但是，由任意波形信號發(fā)生器生成的電壓信號的幅度范圍為10mV_P-P-10V_P-P，遠不足以驅動壓電陶瓷換能器，在結構中激勵出超聲導波。因此，必須加大激勵壓電陶瓷傳感器的激發(fā)電壓。檢測平臺中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號線性放大至180V_p-p。在180V_p-p輸出下，放大器線性放大頻率最高可達2MHz。

超聲導波的激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，驅動壓電傳感器，產(chǎn)生在管道中傳播的超聲導波，到達接收導波端時，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將會把振動量轉化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應很微弱，壓電晶片驅動電壓在100V_p-p時，接收端產(chǎn)生的輸出的電壓信號僅在毫伏量極。因此接受到信號需要先經(jīng)過前置放大器放大后，在可以進入信號采集端。本平臺使用的前置放大器為自制的增益可調放大器，增益范圍在-4.5dB-525dB。由于壓電晶片具有很高的阻抗，而輸出的信號功率很小，因此將前置放大器的輸入阻抗匹配至其最大值6K歐姆。

信號采集端采用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率，適于導波信號采集。同時其可以實現(xiàn)四通道同時記錄，大大減少了導波陣列信號采集時間。

多路開關單元的作用是切換激發(fā)和接收傳感器，由于壓電傳感器的激發(fā)端只有一路，而傳感器個數(shù)較多，因此通過多路開關單元切換激發(fā)的傳感器。多路開關單元基于繼電器實現(xiàn)信號通道開關，使用單片機對繼電器開關進行控制，單片機與PC機之間通過串口實現(xiàn)通信。

3.4 傳感器相控陣列(phased array)

傳感器陣列在聲納、雷達領域使用較多，其優(yōu)點在于基于多個傳感器，通過相陣列算法實現(xiàn)對空間不同位置的逐點掃描。超聲導波也具有長距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達中相控陣列(phased array)概念,實現(xiàn)對被檢測對象的逐點掃描成像檢測，實現(xiàn)超聲導波雷達。

超聲導波雷達中的關鍵就是相控陣列及相對應的算法。本應用實例中采用圓環(huán)形緊密排列相控陣列，如圖6所示。陣列由16個壓電晶片單元組成，每個壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個圓形壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列。為此陣列可以對周向0-360°范圍進行全方位掃描成像。

圖6 超聲導波雷達相控陣列

相控陣列包含有16個導波傳感器，每個傳感器相互獨立。在利用超聲導波雷達進行缺陷成像檢測時，需要首先激發(fā)一個傳感器，然后記錄16個傳感器接收到的導波信號，隨后激發(fā)另外一個傳感器，再記錄16個傳感器接收到的到波信號，最終將獲得16×16路時域信號，每路時域信號對應一個激發(fā)-接收傳器組合。

由于超聲導波具有頻散特性，因此對相控陣列得到的信號處理方法具有自身特殊性。首先每路時域信號將通過FFT變換轉變?yōu)轭l域，得到的頻域信號將格局頻散特性關系轉換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號矩陣仍然為16×16路，為了實現(xiàn)對不同方向的掃描，需要使用相陣控算法，根據(jù)需要掃描的方向，每路信號將乘以一個相控系數(shù)然后相加。最后需要對信號矩陣每列進行逆傅里葉變換，將其從波數(shù)域轉換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達到成像檢測目的。

4 檢測實例

本實例使用相控導波陣列對板狀構件中缺陷進行了成像檢測。相控陣列如上文介紹，使用16個Φ7×0.2mm壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列而成。被檢測對象為2mm厚鋼板，缺陷為半徑為2mm的通孔，距離陣列中心500mm。導波激發(fā)信號為5周期漢寧窗調制的正弦波，中心頻率為200kHz。

檢測過程為每次使用1個傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時采集4個接收信號；然后通過多路開關單元更換另外4個傳感器作為接收傳感器，指導將16個傳感器的接收信號全部采集完成。之后更換另外一個傳感器作為激發(fā)傳感器，重復上述過程，直至16個傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號通過上文所述的相陣控信號處理方法處理，獲得對缺陷的分布圖像，如圖7所示。通過實例可已看出，超聲導波可以對材料損傷進行檢測，通過超聲導波相控陣列可以對材料損傷分布進行成像，結果較為準確。

圖7 超聲導波雷達損傷成像

(導波陣列位中心位于原點處，模擬損傷為半徑為2mm的通孔，損傷距離陣列中心500mm)

5 總結

通過本應用實例可以得出，超聲導波相控陣列可以對板狀材料損傷進行成像檢測。本檢測方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實現(xiàn)對較大區(qū)域的檢測。此種方法不但適用于無損檢測，同時也適用于在線監(jiān)測應用。

但是由于超聲導波陣列中導播傳感器較多，并且需要對每個傳感器進行激發(fā)和采集，因此信號采集時間較長。如采用單通道采集儀器，對于本應用實例將需要進行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時間即可完成一次檢測，這對時效性要求較高的在線損傷監(jiān)測應用意義重大。

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