CN101241110A - 一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，包括下述步骤：采用脉冲微波由波导口入射到待测材料样品中，激发待测材料产生热声信号；涂有耦合剂的声探测器贴于材料表面，在微波发生器同向接收产生的热声信号；热声信号经过信号放大器放大后，采集并显示数据，采集的数据传输并储存到计算机中；利用计算机控制的步进电机驱动声探测器扫描，全方位接收信号；对采集的数据进行处理，得到待测材料样品的热声图像。一种实现上述方法的装置，包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组件等。本发明克服了传统技术无法检测低密度材料缺陷的困难，具有定位准确，分辨率高的优点。本发明的装置造价较为低廉，易于推广。

Description

一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无损测试测量技术，特别涉及一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法及其装置。

背景技术

新型低密度的复合材料与传统材料相比，具有重量轻、强度和刚度高等特点。因此，被广泛应用于航空航天工业中。如果在制造或者使用中，材料出现缺陷将会导致严重事故。例如，美国NASA的科学家认为，航天飞机外挂燃料舱的隔热板——一种泡沫材料，由于其内部的缺陷，在航天飞机起飞时发生脱落，击中并毁坏航天飞机机体，这很可能就是哥伦比亚号航天飞机失事的原因。但由于缺乏专门的手段，这种隔热材料并不能在航天飞机发射前被检查。例如，这种粉末泡沫材料对于X射线几乎完全透明，而对于热和超声波则几乎完全不透明，因此传统的无损探伤方法都很难探测出可能埋在表面以下的缺陷。由于泡沫隔离层质地疏松且绝热性较好，利用常规的无损检测方法难以进行检测。因此，发展新型无损探伤技术十分必要。

对于这种低密度材料，微波激发的热声技术在检测其内部结构并发现其缺陷时，显示了极大的优越性。这种材料对微波辐射有较小的折射率和吸收系数。因此，利用脉冲微波激发的热声技术对这种材料进行检测，有望成功地发现隐藏在材料中的缺陷，其中最深缺陷的埋藏深度可超过20厘米。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无损检测技术的缺点与不足，提供一种操作简单，检测精度高，可较好适用于低密度材料的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法；所述低密度材料主要指密度小、质地疏松且绝热性较好、有一定特性及功能的材料；例如，航天飞机燃料箱泡沫隔离层。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，包括下述步骤：

(1)采用脉冲微波由波导口入射到待测材料样品中，激发待测材料产生热声信号；

(2)涂有耦合剂的声探测器贴于材料表面，在微波发生器同向接收产生的热声信号；

(3)所接收的热声信号经过信号放大器放大后，采集并显示数据，采集的数据传输并储存到计算机中；

(4)利用计算机控制的步进电机驱动声探测器扫描，全方位接收信号；

(5)对采集的数据进行处理，得到待测材料样品的热声图像。

步骤(1)中，所述脉冲微波的波长为0.01mm～1m。

步骤(2)、(4)中，所述声探测器为低频多元线性阵列探测器(如L7L38A型多元压电阵列换能器)或者微音器。所述耦合剂可为变压器油。

步骤(3)中，所述数据采集为基于LABVIEW控制平台的示波器采集数据，将模拟信号转换为数字信号；在示波器上可直接观察缺陷的部位和大小。

步骤(5)中对采集的数据通过matlab程序，利用滤波反投影算法进行图像重建。

一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组件；微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；声信号采集组件与旋转扫描组件电气连接。

所述旋转扫描组件包括步进电机、驱动器和三维扫描平台，步进电机与驱动器相连接，步进电机和驱动器安装在三维扫描平台上，三维扫描平台带动声信号采集组件做三维扫描。

所述声信号采集组件由声探测器、信号放大器、控制器和示波器依次电气连接而成；声探测器通过支架与三维扫描平台相连。

所述声探测器置于声耦合剂中，声耦合剂涂于材料样品上。所述声耦合剂可为变压器油。所述声探测器为低频多元线性阵列探测器或微音器。

所述微波发生组件由微波发生器和波导口连接而成；微波发生器包括相连接的微波管和微波管电源两个部分。

本发明的作用原理是：微波发生器产生脉冲微波(波长、脉宽和重复频率可根据需要选择)，经波导口辐射到待测材料样品上，材料内部缺陷与周围正常组织对微吸收差异导致热膨胀而产生热声信号，经过声耦合剂耦合到声探测器；接收的信号经放大器预处理后，再由采集卡采集并传输到计算机做后处理。信号采集过程中，计算机控制的步进电机驱动三维平台带动声探测器的扫描。最后通过一定的成像算法重建出材料缺陷的热声图像。本发明可为低密度材料缺陷提供无损在位检测，通过对低密度材料缺陷进行定位分析，并确定缺陷区域的大小及形状，从而可以对材料的内部结构和质量进行评价。

本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下的优点及效果：

(1)本发明利用材料缺陷部位对微波的吸收差异特性产生热声信号，不仅仅限于反映材料对微波的吸收差异，还反映了组织的声学特性的变化，因此可得到高分辨率高对比度的低密度材料缺陷的热声图像。

(2)微波激发的热声技术，一方面，微波的波长较长，可以有效的穿透低密度材料；另一方面，低频声信号在低密度材料中衰减较小。因此，可以有效的检测低密度材料中的缺陷，克服了传统X光和超声等技术无法检测低密度材料缺陷的困难。

(3)本发明可无损在体检测低密度材料缺陷，无需破坏材料结构。

(4)本发明装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，没有特殊限制，应用广泛。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是图1所示装置采集的缺陷信号图；图2(a)为材料缺陷的热声信号图，图2(b)为图2(a)中某一特定缺陷信号的放大图。

图3是低密度材料(泡沫面板)缺陷的热声检测图；图3(a)为缺陷的热声检测图像，图3(b)为实物照片。

图4是低密度材料裂缝的热声检测图；图4(a)为裂缝的热声检测图像，图4(b)为对应照片。

图5是低密度材料分层热声检测图。图5(a)为分层的热声检测图像，图5(b)为对应照片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1本发明的优选装置

图1为本发明一个优选装置的结构示意图，本发明装置由微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组成。其中微波发生组件由微波发生器4-1和波导口4-2连接构成；旋转扫描组件由计算机2-4通过数字I/O卡控制步进电机及驱动器3-2和三维扫描平台3-1和支架3-3移动声探测器1-1；声信号采集组件由声探测器1-1接收信号，信号通过声耦合剂1-2耦合，再经信号放大器2-1放大和滤波器2-2，经示波器2-3采集传输到计算机2-4，控制器2-5同步控制微波发射4-1，经分频器2-6分频后控制数据采集2-3；其中：微波发生器4-1选用中国兵器工业第二零六研究所的BW-1200HPT，可发射频率为1.2GHz的脉冲微波，脉宽为0.5或1us可选，微波的能量通过截面积为12.7mm×6.3mm的矩形波导4-2均匀的辐射到样品上；微波发生器4-1和声探测器1-1同向形成一体化探测系统，5为材料样品，样品材料5和声探测器1-1间充满了声耦合剂，有利于声速匹配；声探测器1-1选用低频多元线性阵列探测器(如L7L38A型多元压电阵列换能器)，接收热声信号并通过相控聚焦技术放大信号。所述低频多元线性阵列探测器由192个振元组成并被分割成64个振群，每3个振元组成一个振群。示波器2-3选用泰克TDS3032型，采用外部触发方式，采样速率可达250MHz；步进电机及驱动器3-2为日本东方2相步进电机VEXTA，控制为步长1.8⁰；采集控制程序用LABVIEW软件实现，数字图形信号处理用MATLAB软件实现。成像时将振元里的每一组探测器采集的信号转换成一维图像，将多个位置扫描的多组一维图像按顺序组合并反投影成二维图像，方便快速的对待成像区域进行定位。计算机2-4控制声探测器1-1扫描采集样品内部产生的热声信号，实现对样品不同点的成像，从而可获得样品的三维图像。

实施例2应用实施例1的装置检测人工缺陷的低密度材料

用上述装置检测预先埋置缺陷的泡沫面板。样品由燃料箱泡沫隔离层材料制成，即通过发泡工艺在铝制底板上喷上约60mm厚的泡沫材料。样品尺寸为400mm×300mm，设2个人工预埋缺陷，见图3(b)，人工缺陷试样是利用贴膜制备的，即将金属箔粘贴在铝板表面，使得泡沫材料与铝板有明显的脱粘。实验中，微波发生器4-1发射频率为1.2G的脉冲微波，脉宽为0.5us，微波的能量通过矩形波导4-2均匀的辐射到样品上。微波激发产生的热声信号由声探测器1-1接收并通放大器2-1放大。放大后的微波热声信号通过滤波器2-2，示波器2-3采集并储存到计算机2-4中；同时LABVIEW控制的步进电机及驱动3-2带动声探测器1-1旋转扫描，全方位采集数据。采集的热声可直接通过示波器2-3初步判断材料中缺陷的大致位置，如图2(a)所示为采集的某一位置的热声信号。初步判断第一个缺陷出现在离探测器距离24mm左右的地方，而且在此位置上，还不止一个缺陷。选取其中一个信号放大分析如图2(b)，取信号的半高宽，可知该信号方向上缺陷的大小约为0.23mm。对采集的数据利用自编的MATLAB软件实现图像重建，可以快速的得到如图3(a)所示的图像，从实物照片(图3(b)所示)和利用本装置所得到的图像(3(a))，可以看出本发明的方法和装置所得到的图像与实物的形状、大小相符。2个缺陷的具体位置、大致形状和大小也可全部定量分辨出。

实施例3应用实施例1的装置检测低密度材料裂缝。

在一块泡沫面板中，预先人工制造一条裂缝，如图4(b)所示。然后将微波发生器4-1和声探测器1-1的一体化装置通过声耦合剂贴于待测材料表面，采用波长为0.01mm～1m的脉冲微波由波导口入射到待测材料中，激发产生热声信号；在LABVIEW采集程序控制下，步进电机及驱动3-2带动声探测器1-1根据需要扫描采集热声信号；声探测器接收的热声信号通过滤波器2-2，示波器2-3采集并储存到计算机2-4中；利用MATLAB软件实现信号处理和反投影图像重建，通过成像算法得到待测组织区域如4(a)所示的图像。由图4(a)和图4(b)的比较可以看出，本发明的装置对低密度材料裂缝所成的图像与实际位置、大小和形状相符，说明本发明的方法和装置可以用于检测低密度材料的裂缝。

实施例4将实施例1的装置用于对低密度材料层间脱离的无损检测。

在燃料箱绝缘泡沫面板无损检测中，自然脱胶(泡沫层和底板间脱离)缺陷的准确检测是一个检测难题。这是由于脱胶缺陷没有明显的边缘散射，在正常区域和脱胶区域的吸收也没有明显区别，难以鉴别。本实验，将两块不同的泡沫面板黏贴在一起，如图5(b)所示，按实施例3所述的操作对该样品进行成像，得到如图5(a)所示的图像。由图5(a)和图5(b)的比较可以看出，本发明的装置对低密度材料层间黏贴所成的图像与实际位置、大小和形状相符，说明本发明的方法和装置可以用于对对低密度材料层间脱离的进行精确的无损检测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)采用脉冲微波由波导口入射到待测材料样品中，激发待测材料产生热声信号；

(2)涂有耦合剂的声探测器贴于材料表面，在微波发生器同向接收产生的热声信号；

(3)所接收的热声信号经过信号放大器放大后，采集并显示数据，采集的数据传输并储存到计算机中；

(4)利用计算机控制的步进电机驱动声探测器扫描，全方位接收信号；

(5)对采集的数据进行处理，得到待测材料样品的热声图像。

2、根据权利要求1所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述脉冲微波的波长为0.01mm～1m。

3、根据权利要求1所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，其特征在于：步骤(2)、(4)中，所述声探测器为低频多元线性阵列探测器或者微音器；所述耦合剂可为变压器油。

4、根据权利要求1所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述数据采集为基于LABVIEW控制平台的示波器采集数据，将模拟信号转换为数字信号；在示波器上直接观察缺陷的部位和大小。

5、根据权利要求1所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，其特征在于：步骤(5)中对采集的数据通过matlab程序，利用滤波反投影算法进行图像重建。

6、一种实现权利要求1～5任一项所述方法的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置，其特征在于：包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组件；微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；声信号采集组件与旋转扫描组件电气连接。

7、根据权利要求6所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置，其特征在于：所述旋转扫描组件包括步进电机、驱动器和三维扫描平台，步进电机与驱动器相连接，步进电机和驱动器安装在三维扫描平台上，三维扫描平台带动声信号采集组件做三维扫描。

8、根据权利要求7所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置，其特征在于：所述声信号采集组件由声探测器、信号放大器、控制器和示波器依次电气连接而成；声探测器通过支架与三维扫描平台相连。

9、根据权利要求6所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置，其特征在于：所述声探测器置于声耦合剂中，声耦合剂涂于材料样品上。

10、根据权利要求6所述的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置，其特征在于：所述微波发生组件由微波发生器和波导口连接而成；微波发生器包括相连接的微波管和微波管电源两个部分。

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