CN102680576A - 一种界面波的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种界面波的检测装置及检测方法，属于超声检测及分析技术领域。将压电陶瓷薄片制作成窄带的长方体状作为信号发射接受模块，将信号发射接受模块固定在分界面固体侧的两端，然后用环氧树脂将其包裹起来，使用环氧树脂可以起到绝缘和减小能量辐射的作用。由激励信号模块产生所需要的方波脉冲信号激励信号发射模块产生界面波，界面波沿界面传播，经超声信号接收模块接受，然后由采集模块将采集到的波形数据传输到计算机终端进行数据处理和显示。本发明的方法只产生沿界面向前传播的界面波，有利于减小干扰、提高检测精度。

Description

一种界面波的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种界面波的检测装置及检测方法，属于超声检测及分析技术领域。

背景技术

弹性波在介质中的传播及其与材料微缺陷的相互作用规律在超声无损检测及材料无损评价等领域有着非常重要的价值，随着声学技术的快速发展，界面波被广泛应用于材料无损检测及材料结构特性反演领域。因此，界面波的检测是超声检测领域研究的热点之一。

目前，常用的界面波检测方法有以下几种：

（1）直接利用超快短脉冲激光束法向入射双层介质分界面，通过电子激活位移激发沿膜基界面传播的界面波。如发明专利——一种微尺度界面波激发方法及装置（申请号：02112787.5）。

（2）在两介质层分界面固体侧的一端钻一小洞，洞的大小和深度应满足刚好使发射超声波信号的发射换能器放在洞中且换能器的最高点刚好与分界面在一个平面上，在固体侧的其他地方用接受换能器界面波信号。

（3）将发射超声波信号的发射换能器垂直悬挂在分界面固体侧的上方，使换能器发射超声波的表面与分界面平行，然后在固体侧的其他地方检测界面波信号。

上述各种方法都在一定程度上能够实现对特定情况下的界面波进行检测的目的，但是受检测条件的限制，存在检测精度不高，检测设备昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测精度高的检测界面波的装置及检测方法，本发明的方法有利于减小杂波干扰，提高检测精度，检测到比较纯净的界面波信号；本发明的检测装置功耗低、体积小，数据处理能力强，成本低。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种界面波的检测装置，包含将制作成窄带的呈长方体状的压电陶瓷片换能器作为信号发射和接收模块；将所述的信号发射和接收模块用AB胶固定在分界面固体侧的两端，且在固定时使压电陶瓷片换能器垂直于与分界面相邻的两个侧面，然后在固定好的信号发射模块和信号接收模块的周围涂一层环氧树脂；与所述的信号发射模块相连并激励信号发射模块的激励信号模块；信号采集模块对信号接收模块的信号进行采集传输到计算机终端进行数据处理和波形显示。

所述的信号发射模块和信号接收模块都采用压电陶瓷片换能器，将压电陶瓷片制作成3mm×8mm×30mm的长方体状，将发射换能器和接收换能器阵列固定在分界面固体侧的两端，固定方式优选用AB胶固定，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面，然后将环氧树脂涂在发射换能器和接收换能器的表面，防止能量辐射和导电。

所述的激励信号模块包含以方波信号发生器为核心的信号发生模块和以高频功率放大器为核心的功率放大模块组成，能够产生脉冲宽度和频率可变的方波脉冲信号。与所述方波信号产生模块相连的是功率放大模块，功率放大模块对方波信号产生模块产生的方波脉冲信号进行功率放大。

所述的信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。其中，高速A/D转换模块直接通过有线的方式采集来自运算放大器的信号，将模拟信号数字化；FPGA高速控制模块通过IO端口控制高速A/D转换模块并将高速A/D转换模块转换生成的数据储存至计算机终端的SRAM（Static Random Access Memory，即静态存储器）中；FPGA高速控制模块通过RS232串口将SRAM中的数据读出并传输至计算机中；计算机终端的上位机直接读取数据并绘图。

所述的数据处理和显示都由计算机终端完成，这样能够提高数据处理的能力和速度，减小检测装置的功耗和体积。

一种基于权利要求1所述的界面波的检测方法，其特征是，包含以下步骤：

（1）将固体切成30mm厚规则的长方体状薄片；

（2）将压电陶瓷片制作成3mm×8mm×30mm的窄带长方体状作为发射换能器和接受换能器，并分别设置于信号发射模块和信号接收模块内；

（3）将发射换能器和接受换能器阵列固定在分界面固体侧的两端，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面。

（4）在固定好的换能器周围涂一层环氧树脂使其紧紧包围换能器，防止导电和减小能量辐射。

（5）调整激励信号模块输出方波信号的脉冲宽度，使激励信号的脉冲宽度为压电陶瓷片换能器额定频率的1/2，使检测信号的幅度变化达到最大值；

（6）由所述的激励信号模块激励信号发射模块产生界面波信号；

（7）所述的信号接收模块接收所述的信号发射模块发射的界面波信号；

（8）通过上位机软件控制信号采集模块对信号接收模块接收到的信号进行采集，然后由计算机终端对采集到的信号进行处理并通过计算机终端的显示器显示出来。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种界面波的检测装置及检测方法，根据超声波的产生机理来设计发射换能器和接收换能器的形状以及检测时发射换能器和接收换能器的安装方法，信号处理和显示由计算机终端完成。本发明提供的界面波的检测方法能够用于流—固、气—固界面波的检测，有利于提高界面波的检测精度，减小杂波干扰，提高数据处理能力和速度，减小检测装置的功耗和减低成本。

本发明能够通过上位机控制界面波检测装置，操作简单安全，能够实现远程控制。

附图说明

图1是本发明的界面波的检测装置结构图。

图2是本发明实施方式的换能器处于图1所示状态时的安装方法主视图。

图3本发明实施方式的换能器处于图1所示状态时的安装方法俯视图。

图4是本发明界面波的检测装置的数据采集模块结构图。

图2和图3中，01为发射换能器；02、03为接收换能器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种界面波的检测装置包括：激励信号模块1；信号发射接收模块2；信号采集模块3；信号处理显示模块4。为了提高检测精度，检测用的信号发射接收模块2的发射换能器和接收换能器选用比较薄的压电陶瓷片换能器，且制作成3mm×8mm×30mm的长方体形状，然后将发射换能器和接收换能器阵列用AB胶固定在分界面固体侧的两端，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面，最后在固定好的换能器周围涂一层环氧树脂使其紧紧包围换能器，防止导电和减小能量辐射。

激励信号模块1包含以方波信号发生器为核心的信号发生模块和以高频功率放大器为核心的功率放大模块组成，能够产生脉冲宽度和频率可变的方波脉冲信号。调节激励信号模块1使输出方波信号的脉冲宽度为发射压电陶瓷片换能器额定频率的1/2。

信号采集模块3包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。通过计算机终端的上位机控制信号采集模块采集界面波信号，并将采集数据保存到计算机的SRAM中。

信号处理显示模块4对采集到的数据进行处理然后将处理结果通过计算机显示器显示出来。利用计算机进行数据处理能够提高数据处理速度和处理能力，降低检测装置功耗。

本发明的界面波的检测方法，具体实施方法如下：

（1）将固体切成30mm厚规则的长方体状薄片；

（2）将压电陶瓷薄片制作成3mm×8mm×30mm的窄带长方体作为发射换能器和接受换能器，并分别设置于信号发射模块和信号接收模块内；

（3）将发射换能器和接受换能器阵列用AB胶固定在分界面固体侧的两端，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面。

（4）在固定好的换能器周围涂一层环氧树脂使其紧紧包围换能器，防止导电和减小能量辐射。

（5）调整激励信号模块输出方波信号的脉冲宽度，使激励信号的脉冲宽度为压电陶瓷片换能器额定频率的1/2，使检测信号的幅度变化达到最大值；

（6）由所述的激励信号模块激励信号发射模块产生界面波信号；

（7）所述的信号接受模块接收所述的信号发射模块发射的界面波信号；

（8）通过上位机软件控制信号采集模块对信号接收模块接收到的信号进行采集，然后由计算机终端对采集到的信号进行处理并通过计算机终端的显示器显示出来。

本发明的换能器形状及安装方法，如图2和图3所示。图中01为发射换能器，02、03为接收换能器阵列，发射和接收换能器采用3mm×8mm×30mm的窄带长方体状压电陶瓷片换能器；然后用AB胶将发射和接收换能器固定在分界面固体侧的两端，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面，这样就只产生沿图中实线方向传播的界面波，不会产生沿图中虚线方向传播的波，有利于减小杂波干扰，提高界面波的检测精度；最后在固定好的换能器周围涂一层环氧树脂，起防止导电和减小能量辐射的作用。

如图4所示，本发明的信号采集模块包含：集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。超声信号频率一般都比较高，实际应用中为了能恢复超声信号波形，对超声信号的采样率要求大于超声信号频率的3～4倍，因此本发明的信号采集模块采用高速A/D转换模块和FPGA高速控制模块。由于接收到的超声信号非常微弱，需先将超声信号通过运算放大后传输至高速A/D，经A/D模块进行数字化处理后，在高速FPGA的时序控制下将数据存储在计算机终端的SRAM中，同时将数据传输给上位机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种界面波的检测装置，其特征是，包括

—产生方波脉冲信号的激励信号模块；

—与所述激励信号模块相连的信号发射模块，信号发射接收模块固定设置于分界面固体侧的两端；

—信号采集模块，采集所述信号接收模块的信号；

—信号处理显示模块，对所述信号采集模块传输的信号进行处理和波形显示。

2.根据权利要求1所述的界面波的检测装置，其特征是，所述信号发射接收模块包括信号发射模块和信号接收模块，所述信号发射模块和信号接收模块固定设置于所述分界面固体侧的两端且垂直于与分界面相邻的两个侧面。

3.根据权利要求2所述的界面波的检测装置，其特征是，所述信号发射模块和信号接收模块包括压电陶瓷片换能器。

4.根据权利要求3所述的界面波的检测装置，其特征是，所述压电陶瓷片换能器为3mm×8mm×30mm的长方体形状。

5.根据权利要求4所述的界面波的检测装置，其特征是，在所述压电陶瓷片换能器的周围涂有一层环氧树脂。

6.根据权利要求1-5任一项所述的界面波的检测装置，其特征是，所述激励信号模块包括以信号发生器为核心的方波脉冲信号产生模块和以高频功率放大器为核心的功率放大模块，所述方波脉冲信号产生模块与所述功率放大模块相连接。

7.根据权利要求6所述的界面波的检测装置，其特征是，所述信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端，所述A/D转换模块与集成运算放大器连接，所述FPGA高速控制模块通过IO端口与高速A/D转换模块连接并通过RS232串口与计算机终端连接。

8.一种界面波的检测方法，其特征是，包含以下步骤：

（1）将固体切成30mm厚规则的长方体状薄片；

（2）将压电陶瓷片换能器制作成3mm×8mm×30mm的窄带长方体状作为发射换能器和接受换能器，并分别设置于信号发射模块和信号接收模块内；

（3）将发射换能器和接受换能器阵列固定在分界面固体侧的两端，且在固定的过程中使换能器垂直于与界面相邻的两个侧面；

（4）在固定好的换能器周围涂一层环氧树脂使其紧紧包围换能器；

（5）调整激励信号模块输出方波信号的脉冲宽度，使激励信号的脉冲宽度为压电陶瓷片换能器额定频率的1/2，使检测信号的幅度变化达到最大值；

（6）由所述的激励信号模块激励信号发射模块产生界面波信号；

（7）所述的信号接收模块接收所述的信号发射模块发射的界面波信号；

（8）通过上位机软件控制信号采集模块对信号接收模块接收到的信号进行采集，然后由计算机终端对采集到的信号进行处理并通过计算机终端的显示器显示出来。

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