基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)

3.2 導(dǎo)波激發(fā)波形優(yōu)化

超聲導(dǎo)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(yán)重的頻散現(xiàn)象會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)混淆、缺陷特征無(wú)法提取。為了避免此問題的發(fā)生，需要對(duì)導(dǎo)波激發(fā)頻率和波形進(jìn)行優(yōu)化。

超聲導(dǎo)波激發(fā)波形通常使用經(jīng)漢寧窗調(diào)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(jié)束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率。通過對(duì)激發(fā)信號(hào)的加窗調(diào)制可以減小激發(fā)信號(hào)的頻帶寬度，減小頻散效應(yīng)。圖4為200kHz正弦波和加窗調(diào)制后的波形，以及其對(duì)應(yīng)的頻譜。

(a) (b)

(c) (d)

圖4 5周期200kHz正弦波與加窗調(diào)制對(duì)比:

(a)原始信號(hào)，(b)原始信號(hào)頻譜，(c)漢寧窗調(diào)制信號(hào)，(d)調(diào)制信號(hào)頻譜

3.3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法不同于常規(guī)超聲檢測(cè)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速、大范圍檢測(cè)，而不是逐點(diǎn)檢測(cè)，同時(shí)為較精確定位缺陷，必須在試驗(yàn)中確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。因此在構(gòu)建檢測(cè)平臺(tái)上，針對(duì)超聲導(dǎo)波的特殊性(如所選激勵(lì)信號(hào)的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)，如圖5所示。

圖5 超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)

任意函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤l率的振動(dòng)信號(hào)，在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中傳播。但是，由任意波形信號(hào)發(fā)生器生成的電壓信號(hào)的幅度范圍為10mV_P-P-10V_P-P，遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器，在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。因此，必須加大激勵(lì)壓電陶瓷傳感器的激發(fā)電壓。檢測(cè)平臺(tái)中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)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(dá)2MHz。

超聲導(dǎo)波的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)壓電傳感器，產(chǎn)生在管道中傳播的超聲導(dǎo)波，到達(dá)接收導(dǎo)波端時(shí)，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將會(huì)把振動(dòng)量轉(zhuǎn)化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)很微弱，壓電晶片驅(qū)動(dòng)電壓在100V_p-p時(shí)，接收端產(chǎn)生的輸出的電壓信號(hào)僅在毫伏量極。因此接受到信號(hào)需要先經(jīng)過前置放大器放大后，在可以進(jìn)入信號(hào)采集端。本平臺(tái)使用的前置放大器為自制的增益可調(diào)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(hào)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(hào)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(dǎo)波信號(hào)采集。同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)四通道同時(shí)記錄，大大減少了導(dǎo)波陣列信號(hào)采集時(shí)間。

多路開關(guān)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(gè)數(shù)較多，因此通過多路開關(guān)單元切換激發(fā)的傳感器。多路開關(guān)單元基于繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道開關(guān)，使用單片機(jī)對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，單片機(jī)與PC機(jī)之間通過串口實(shí)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(dá)領(lǐng)域使用較多，其優(yōu)點(diǎn)在于基于多個(gè)傳感器，通過相陣列算法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間不同位置的逐點(diǎn)掃描。超聲導(dǎo)波也具有長(zhǎng)距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達(dá)中相控陣列(phased array)概念,實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的逐點(diǎn)掃描成像檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波雷達(dá)。

超聲導(dǎo)波雷達(dá)中的關(guān)鍵就是相控陣列及相對(duì)應(yīng)的算法。本應(yīng)用實(shí)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(gè)壓電晶片單元組成，每個(gè)壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個(gè)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(duì)周向0-360°范圍進(jìn)行全方位掃描成像。

圖6 超聲導(dǎo)波雷達(dá)相控陣列

相控陣列包含有16個(gè)導(dǎo)波傳感器，每個(gè)傳感器相互獨(dú)立。在利用超聲導(dǎo)波雷達(dá)進(jìn)行缺陷成像檢測(cè)時(shí)，需要首先激發(fā)一個(gè)傳感器，然后記錄16個(gè)傳感器接收到的導(dǎo)波信號(hào)，隨后激發(fā)另外一個(gè)傳感器，再記錄16個(gè)傳感器接收到的到波信號(hào)，最終將獲得16×16路時(shí)域信號(hào)，每路時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)激發(fā)-接收傳器組合。

由于超聲導(dǎo)波具有頻散特性，因此對(duì)相控陣列得到的信號(hào)處理方法具有自身特殊性。首先每路時(shí)域信號(hào)將通過FFT變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，得到的頻域信號(hào)將格局頻散特性關(guān)系轉(zhuǎn)換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號(hào)矩陣仍然為16×16路，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)將乘以一個(gè)相控系數(shù)然后相加。最后需要對(duì)信號(hào)矩陣每列進(jìn)行逆傅里葉變換，將其從波數(shù)域轉(zhuǎn)換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達(dá)到成像檢測(cè)目的。

4 檢測(cè)實(shí)例

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

檢測(cè)過程為每次使用1個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時(shí)采集4個(gè)接收信號(hào)；然后通過多路開關(guān)單元更換另外4個(gè)傳感器作為接收傳感器，指導(dǎo)將16個(gè)傳感器的接收信號(hào)全部采集完成。之后更換另外一個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，重復(fù)上述過程，直至16個(gè)傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號(hào)通過上文所述的相陣控信號(hào)處理方法處理，獲得對(duì)缺陷的分布圖像，如圖7所示。通過實(shí)例可已看出，超聲導(dǎo)波可以對(duì)材料損傷進(jìn)行檢測(cè)，通過超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)材料損傷分布進(jìn)行成像，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖7 超聲導(dǎo)波雷達(dá)損傷成像

(導(dǎo)波陣列位中心位于原點(diǎn)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(jié)

通過本應(yīng)用實(shí)例可以得出，超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)板狀材料損傷進(jìn)行成像檢測(cè)。本檢測(cè)方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大區(qū)域的檢測(cè)。此種方法不但適用于無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)也適用于在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

但是由于超聲導(dǎo)波陣列中導(dǎo)播傳感器較多，并且需要對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行激發(fā)和采集，因此信號(hào)采集時(shí)間較長(zhǎng)。如采用單通道采集儀器，對(duì)于本應(yīng)用實(shí)例將需要進(jìn)行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個(gè)采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號(hào)采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時(shí)間即可完成一次檢測(cè)，這對(duì)時(shí)效性要求較高的在線損傷監(jiān)測(cè)應(yīng)用意義重大。

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