CN104049032A - 一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合材料超声-声发射检测信号获取方法。超声-声发射换能器采取左声束和右声束零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，直接接收来自被检测复合材料零件中的声发射信号，采取圆环形和半圆形两种声束构成方式，采用对称和非对称模式，频率范围1-10MHz；激励单元提供超声-声发射激励信号；接收单元由非线性衰减器、输入级、放大级等构成，增益调节范围1-20dB，带宽为50MHz和100MHz。显著改善了超声-声发射信号的时域特性和频域品质，使缺陷信号判别规律十分清晰，检测分辨率得到显著提高，极大地提高了复合材料超声-声发射检测的能力和检测灵敏度,可用于不同复合材料超声-声发射信号处理分析。

Description

一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法

技术领域

本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、交通、冶金、钢铁、建筑等领域复合材料超声-声发射检测信号的获取方法。

背景技术

目前超声-声发射检测信号获取方法如图1所示，用于获取超声换能器3由左声束3A、右声束3B及连接机构3C，其中左声束3A与右声束3B之间相隔一定距离，其主要不足是：超声-声发射信号7经过长距离传播后，会产生波形变换和多次发射/折射等，从而超声-声发射信号规律变得复杂，会在接收端引入干扰信号和声发射脉冲信号畸变，进而导致超声-声发射信号解释困难、时域特性差，缺陷判别困难，难以对缺陷进行准确定位定量定性分析，检测分辨率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服传统超声-声发射检测信号获取方法中存在的波形变换和多次发射/折射，降低干扰信号和声发射脉冲信号的畸变，改善超声-声发射信号的时域特性和频域品质，提高检测分辨率和缺陷定位定量定性的准确性与检测能力的复合材料超声-声发射检测信号的获取方法。

本发明的技术解决方案是，超声-声发射换能器分为左声束和右声束两部分，左声束和右声束采用零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，复合声束作用面积S为，

S＝S_L+S_R，这里，S_L为左声束的作用面积，S_R为右声束的作用面积，

左声束用于发射或接收超声-声发射信号，右声束用于接收或发射超声-声发射信号，左声束和右声束频率范围为1-10MHz，左声束的工作频率与右声束的工作频率之差为1的倍数；

超声-声发射换能器的左声束和右声束采用如下两种构成方式之一，

1)圆环形声束构成方式，左声束位于右声束的内环中或右声束位于左声束的内环中；

2)圆形声束构成方式，左声束和右声束为两个半径相同的半圆形声束，左声束和右声束组合为一个圆形声束；

激励单元给超声-声发射换能器提供宽频带超声-声发射激励信号，超声-声发射激励信号的带宽为1-50MHz,在被检测复合材料零件中形成超声-声发射信号；

接收单元接收来自被检测复合材料零件中形成超声-声发射信号，接收单元由非线性衰减器R₀、输入级V₁、放大级V₂、正偏电阻R₁、负偏电阻R₂、增益调节电阻R₃和R₄、电容C₁和C₂、正电源+V_c和负电源-V_c组成，其中，

R₀为非线性衰减器，其衰减比1:10～1:100可调，非线性衰减器R₀的输入端与超声-声发射换能器中用于接收声发射信号的左声束或者右声束相连，非线性衰减器R₀的输出端与输入级V₁的g级相连，非线性衰减器R₀的公共端与信号地相连；输入级V₁采用高输入阻抗场效应三极管，输入级V₁的d级与电阻R₂的一端连接，输入级V₁的s级同时与正偏电阻R₁和电容C₁的一端连接；电阻R₂的另一端与直流电压负端相连；正偏电阻R₁的另一端与直流电压正端相连；电容C₁的另一端与增益调节电阻R₃的一端连接，R₃的另一端同时与增益调节电阻R₄的一端和放大级V₂的同相端相连，放大级V₂的反相端接地，增益调节电阻R₄的另一端同时与放大级V₂的输出端和电容C₂的一端相连，C₂的另一端为接收信号的输出端；

选择开关采用双向交叉选择开关构成，选择开关中的两个输出端分别与激励单元和接收单元的输入端连接，选择开关中的另外两个输出端分别与超声-声发射换能器中的连接端连接。

所述的接收单元的增益可调，通过改变正偏电阻R₁、负偏电阻R₂及增益调节电阻R₃和R₄的阻值，调节接收单元的增益大小，增益调节范围为1-20dB。

所述接收单元中的输入级V₁和放大级V₂均设计采用正负电源工作，对来自被检测复合材料零件中的声发射信号进行射频高保真放大，根据来自被检测复合材料零件中声发射信号的频域特性，接收单元设计采用50MHz和100MHz两种带宽。

所述的左声束或右声束直接接收来自被检测复合材料零件中的声发射信号。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明采用集成式超声-声发射换能器，将超声-声发射中的发射声束和声发射信号接收声束复合集成在一起，形成临近距离的复合声束，超声-声发射信号直接被换能器接收，声发射信号不会出现波形变换和多次发射/折射，从而克服了传统超声-声发射信号经过长距离传播后产生的波形变换和多次发射/折射等不足，使超声-声发射信号与缺陷之间的联系规律变得更加清晰，便于解读，极大地降低了超声-声发射信号解释难度，同时对超声-声发射信号采用宽带射频前置处理，大大地降低了接收端引入的干扰信号和声发射脉冲信号的畸变，显著改善了超声-声发射信号的时域特性和频域品质，使缺陷判别规律十分清晰，检测分辨率得到显著提高，超声-声发射检测缺陷定位定量定性的准确性和检测能力得到极大改善。

本发明可以根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，采用不同对称和非对称超声-声发射匹配模式、不同频率特性，实现不同复合材料的超声-声发射检测信号的处理，极大地提高了复合材料超声-声发射检测的能力和检测灵敏度。

附图说明

图1是传统超声-声发射检测信号提取方法原理示意图。

图2是本发明用于检测大厚度复合材料的超声-声发射检测信号提取方法的原理示意图。

图3是本发明用于检测大厚度复合材料的超声-声发射检测信号提取方法的接收单元(5)电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

一种复合材料的超声-声发射检测信号的获取方法，它由左声束1，右声束2，超声-声发射换能器3，激励单元4，接收单元5，选择开关6，超声-声发射信号7构成，参见图2所示。

超声-声发射换能器3分为左声束1和右声束2两部分，参见图2所示，左声束1和右声束2采用零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，复合声束作用面积S为，

S＝S_L+S_R，这里，S_L为左声束1的作用面积，S_R为右声束2的作用面积，

左声束1用于发射或接收超声-声发射信号，右声束2用于接收或发射超声-声发射信号，左声束1和右声束2频率范围为1-10MHz，左声束1的工作频率与右声束2的工作频率之差为1的倍数；

超声-声发射换能器3的左声束1和右声束2采用如下两种构成方式之一，

1)圆环形声束构成方式，左声束1位于右声束2的内环中或右声束2位于左声束1的内环中，参见图中2(a)和图2(c)所示；

2)圆形声束构成方式，左声束1和右声束2为两个半径相同的半圆形声束，左声束1和右声束2组合为一个圆形声束，参见图中2(a)和图2(c)所示；

激励单元4给超声-声发射换能器3提供宽频带超声-声发射激励信号，超声-声发射激励信号的带宽为1-50MHz,在被检测复合材料零件8中形成超声-声发射信号；

接收单元5接收来自被检测复合材料零件8中形成超声-声发射信号，接收单元5由非线性衰减器R₀、输入级V₁、放大级V₂、正偏电阻R₁、负偏电阻R₂、增益调节电阻R₃和R₄、电容C₁和C₂、正电源+V_c和负电源-V_c组成，如图3所示，其中，

R₀为非线性衰减器，其衰减比1:10～1:100可调，非线性衰减器R₀的输入端与超声-声发射换能器3中用于接收声发射信号的左声束或者右声束相连，非线性衰减器R₀的输出端与输入级V₁的g级相连，非线性衰减器R₀的公共端与信号地相连；输入级V₁采用高输入阻抗场效应三极管，输入级V₁的d级与电阻R₂的一端连接，输入级V₁的s级同时与正偏电阻R₁和电容C₁的一端连接；电阻R₂的另一端与直流电压负端相连；正偏电阻R₁的另一端与直流电压正端相连；电容C₁的另一端与增益调节电阻R₃的一端连接，R₃的另一端同时与增益调节电阻R₄的一端和放大级V₂的同相端相连，放大级V₂的反相端接地，增益调节电阻R₄的另一端同时与放大级V₂的输出端和电容C₂的一端相连，C₂的另一端为接收信号的输出端；

选择开关6采用双向交叉选择开关构成，选择开关6的输出端6A和6B分别与激励单元4和接收单元5的输入端连接，选择开关6的输出端6C和6D分别与超声-声发射换能器3中的连接端3A和3B连接，实现对超声-声发射换能器3中的左声束1和右声束2的定义，参见图2所示，

1)当6A端与6C端连接，6B与6D连接时，左声束1为超声激励声束，右声束2为声发射接收声束，

2)当6A端与6D端连接，6B与6C连接时，左声束1为声发射接收声束，右声束2为超声激励声束。

接收单元5的增益可调，通过改变正偏电阻R₁、负偏电阻R₂及增益调节电阻R₃和R₄的阻值，调节接收单元5的增益大小，增益调节范围为1-20dB。

接收单元5中的输入级V₁和放大级V₂均设计采用正负电源工作，对来自被检测复合材料零件8中的声发射信号进行射频高保真放大，根据来自被检测复合材料零件8中声发射信号的频域特性，接收单元5设计采用50MHz和100MHz两种带宽，用于不同频域的超声-声发射检测信号的前置处理。

左声束1或右声束2直接接收来自被检测复合材料零件8中的声发射信号7，如图2所示，来自被检测复合材料零件8中声发射信号无多次反射/折射产生的波形变换和时域特性降解等干扰，显著提高了声发射信号的时域特性和脉冲品质，从而大大改善了超声-声发射检测的信号质量和缺陷定性定量的准确性。

通过激励单元4给超声-声发射换能器3提供宽频脉冲超声激励信号，在被检测复合材料8中激发宽频声发射信号，使声发射信号的固有脉冲时域特性和分辨率得到十分显著的提高。

根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，采用不同对称和非对称匹配模式的超声-声发射换能器3，通过选择开关6定义左声束1和右声束2的超声激励和声发射接收功能，实现不同复合材料的超声-声发射检测信号的处理，极大地提高了复合材料超声-声发射检测的能力和检测灵敏度。

复合材料的超声-声发射检测信号获取方法的实现步骤为，

①将超声-声发射换能器3放置在被检测复合材料8表面；②通过选择开关6定义左声束1和右声束2的超声激励和声发射接收功能；③选择接收单元5的带宽；④设置接收单元5的增益；⑤给激励单元4和收单元5上电，即进入超声-声发射检测信号获取实时工作状态，此时，通过移动超声-声发射换能器3，即可在收单元5的输出端输出一个高质量的声发射信号V_e，用于超声-声发射手工扫描和自动扫描检测中的信号获取和缺陷判别。

实施例1

选择中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1检测仪器，采用手工扫查方式，换能器3采用非对称模式，圆环形声束布局方式，左声束频率选择1MHz，右声束频率选择5MHz，信号处理单元的带宽选择100MHz，增益选择12dB，分别对2mm、10mm和20mm碳纤维复合材料零件进行了系列的超声-声发射检测应用，实际检测效果表明，采用本发明专利，可以得到十分清晰和高质量的超声-声发射检测信号，基于此声发射信号，检测分辨率和表面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出复合材料结构中Ф3mm、0.13mm和10mm及19mm深的缺陷,取到了很好的实际检测效果。

实施例2

选择中航复合材料有限责任公司生产的CUS-21J自动扫描检测设备，采用自动扫描方式，换能器3采用对称模式，圆形声束布局方式，左声束频率选择2MHz，右声束频率选择2MHz，信号处理单元的带宽选择50MHz，增益选择18dB，分别对10mm和50mm碳纤维复合材料零件进行了系列的超声-声发射检测应用，实际检测效果表明，采用本发明专利，可以得到十分清晰和高质量的超声-声发射检测信号，基于此声发射信号，检测分辨率和表面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出复合材料结构中Ф3mm、0.13mm和25mm及49mm深的缺陷,取到了很好的实际检测效果。

Claims (4)

1.一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法，其特征是，超声-声发射换能器(3)分为左声束(1)和右声束(2)两部分，左声束(1)和右声束(2)采用零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，复合声束作用面积S为，

S＝S_L+S_R，这里，S_L为左声束(1)的作用面积，S_R为右声束(2)的作用面积，

左声束(1)用于发射或接收超声-声发射信号，右声束(2)用于接收或发射超声-声发射信号，左声束(1)和右声束(2)频率范围为1-10MHz，左声束(1)的工作频率与右声束(2)的工作频率之差为1的倍数；

超声-声发射换能器(3)的左声束(1)和右声束(2)采用如下两种构成方式之一，

1)圆环形声束构成方式，左声束(1)位于右声束(2)的内环中或右声束(2)位于左声束(1)的内环中；

2)圆形声束构成方式，左声束(1)和右声束(2)为两个半径相同的半圆形声束，左声束(1)和右声束(2)组合为一个圆形声束；

激励单元(4)给超声-声发射换能器(3)提供宽频带超声-声发射激励信号，超声-声发射激励信号的带宽为1-50MHz,在被检测复合材料零件(8)中形成超声-声发射信号；

接收单元(5)接收来自被检测复合材料零件(8)中形成的超声-声发射信号，接收单元(5)由非线性衰减器R₀、输入级V₁、放大级V₂、正偏电阻R₁、负偏电阻R₂、增益调节电阻R₃和R₄、电容C₁和C₂、正电源+V_c和负电源-V_c组成，其中，

R₀为非线性衰减器，其衰减比1:10～1:100内可调，非线性衰减器R₀的输入端与超声-声发射换能器(3)中用于接收声发射信号的左声束或者右声束相连，非线性衰减器R₀的输出端与输入级V₁的g级相连，非线性衰减器R₀的公共端与信号地相连；输入级V₁采用高输入阻抗场效应三极管，输入级V₁的d级与电阻R₂的一端连接，输入级V₁的s级同时与正偏电阻R₁和电容C₁的一端连接；电阻R₂的另一端与直流电压负端相连；正偏电阻R₁的另一端与直流电压正端相连；电容C₁的另一端与增益调节电阻R₃的一端连接，R₃的另一端同时与增益调节电阻R₄的一端和放大级V₂的同相端相连，放大级V₂的反相端接地，增益调节电阻R₄的另一端同时与放大级V₂的输出端和电容C₂的一端相连，C₂的另一端为接收信号的输出端；

选择开关(6)采用双向交叉选择开关构成，选择开关(6)中的两个输出端(6A和6B)分别与激励单元(4)和接收单元(5)的输入端连接，选择开关(6)中的另外两个输出端(6C和6D)分别与超声-声发射换能器(3)中的连接端(3A和3B)连接。

2.权利要求1所述的一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法，其特征是，所述的接收单元(5)的增益可调，通过改变正偏电阻R₁、负偏电阻R₂及增益调节电阻R₃和R₄的阻值，调节接收单元(5)的增益大小，增益调节范围为1-20dB。

3.权利要求1所述的一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法，其特征是，所述接收单元(5)中的输入级V₁和放大级V₂均设计采用正负电源工作，对来自被检测复合材料零件(8)中的声发射信号进行射频高保真放大，根据来自被检测复合材料零件(8)中声发射信号的频域特性，接收单元(5)设计采用50MHz和100MHz两种带宽。

4.权利要求1所述的一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法，其特征是，所述的左声束(1)或右声束(2)直接接收来自被检测复合材料零件(8)中的声发射信号(7)。