CN104849351A - 一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统，该系统包括聚焦探头以及依次连接的机械扫描机构、脉冲发射接收器和计算机，所述的聚焦探头数量为一个，并且设置在被检试样的正上方，所述的聚焦探头固定在机械扫描机构上，并且与脉冲发射接收器连接。与现有技术相比，本发明具有操作方便、非接触式检测、适用范围广、方法先进等优点。

Description

一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统

技术领域

本发明涉及检测领域，尤其是涉及一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统。

背景技术

随着人类生活水平的不断提高，对环境、出行及工业产品的安全要求越来越高，如何防止核电的泄露、高速列车轨道的断裂、桥梁的坍塌等灾难性事故的发生是反映一个国家的工业水平及管理能力的重要指标，而超声无损检测因其适用范围广、穿透能力强、分辨率高、检测成本低、对人无害是国家工业进步必不可少的有效工具。利用空气耦合超声反射回波对材料表面声阻抗敏感的特性来对材料表面进行超声成像技术，可进行原位快速扫描，不会造成换能器的磨损，可以实现真正的非接触检测，因此能够提高构件或材料表面及亚表面声学特性的安全、可靠和高效的测试，可降低检测成本，是目前超声无损检测技术的一个发展方向。

目前常用的测量结构表面声阻抗的方法是声阻法和压电悬臂梁法，需要探针与表面的接触。声阻法检测又称为机械阻抗法检测，把反映材料振动特性的力学阻抗转换为换能器的负载阻抗，是声振检测方法中的一种。由于材料的力学阻抗与材料结构存在一定的关系，因此通过对换能器特性的测量来判断材料力学阻抗的变化，从而达到检测的目的。该方法的特点是简便、快速、低廉，但是该检测方法主要还依赖经验。

压电悬臂梁法是一种层状压电复合梁接触共振、以局部接触刚度为识别参数的无损检测方法，尤其适于薄壁结构、复合材料的检测。当构件有缺陷时，则缺陷附近材料的表面局部接触刚度与周围正常区域的刚度会有所不同，通过检测材料的刚度，并且组织弹性成像，就可以显示出构件的缺陷，但是这种方法仅适用于检测刚度较小构件的亚表面缺陷。

上述两种方法需要探针与表面的接触，很难适用于生产线快速检测的需要。本发明的非接触空气耦合超声成像方法不仅可突破传统超声检测需接触试样的瓶颈，检测快速方便、灵敏度高，对于检测试样表面缺陷及材质有潜在的实用价值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作方便、非接触式检测、适用范围广、方法先进的基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法，包括以下步骤：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整并通电启动；

2)调整探头：将被检试样放置在试样架上，调整聚焦探头到被检试样的距离，确保该距离为聚焦探头焦距长度；

3)确定扫描范围：先在被检试样上确定一个矩形扫描范围，并标记起点和终点，然后移动聚焦探头使得聚焦探头中心对准扫描范围起点标记点，设定其为坐标零点，根据试样上的扫描范围，确定水平方向和垂直方向上探头扫描距离，并将距离数值输入到计算机的扫描控制软件内；

4)检测被检试样：计算机开始扫描控制，聚焦探头将在扫描范围内自动扫描，软件可实时显示超声回波，在扫描结束时，聚焦探头自动回到扫描零点；

5)信号处理与分析：通过计算机的系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，并显示检测结果。

所述的步骤2)中聚焦探头到被检试样的距离为40mm。

一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测系统，包括聚焦探头以及依次连接的机械扫描机构、脉冲发射接收器和计算机，所述的聚焦探头数量为一个，并且设置在被检试样的正上方，所述的聚焦探头固定在机械扫描机构上，并且与脉冲发射接收器连接。

所述的聚焦探头为空气耦合超声点聚焦探头。

所述的计算机设有扫描控制软件和系统检测软件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、操作方便：本发明仅仅采用一个聚焦空气耦合探头，完成了超声波的激发和接收，并且通过计算机显示出来，结构简单易操作。

二、非接触式检测：本发明采用空气耦合超声点聚焦探头，避免了与待测物体的直接接触，根据检测物体表面声阻抗的不同其对超声波的反射也不相同的原理进行检测，数据精确。

三、适用范围广：本发明既可检测金属构件，也能够检测生物组织，均能得到良好的检测结果。

四、方法先进：与双侧透射式及反射式的方法相比，此方法只需一个探头系统结构简单，成本低，并能得到材料表面和近表面由声阻抗变化反应的缺陷及结构信息(双侧透射式和反射式的方法是得到材料内部的缺陷及结构信息)

附图说明

图1为本发明检测系统的结构示意图。

图2为铝板结构示意图。

图3为铝板检测结果图。

图4为碳纤维复合材料板结构示意图。

图5为碳纤维复合材料板检测结果图。

其中，1、被检试样，2、聚焦探头，3、机械扫描机构，4、脉冲发射接收器，5、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测系统，包括聚焦探头2以及依次连接的机械扫描机构3、脉冲发射接收器4和计算机5，所述的聚焦探头2数量为一个，并且设置在被检试样1的正上方，所述的聚焦探头2固定在机械扫描机构3上，并且与脉冲发射接收器4连接。首先计算机5发出扫描控制命令给机械扫描机构3，扫描机构扫描同时发出同步脉冲信号触发脉冲发射接收器4，脉冲发射接收器4产生高压脉冲信号，激励聚焦探头2产生超声波，通过空气耦合将超声波打到被检试样1表面上，超声波经表面反射再回到聚焦探头2，接收到的表面反射波经脉冲发射接收器4处理后，最后再通过USB接口输入计算机5，由基于MATLAB的系统检测软件完成对整个检测系统的控制和对超声波信号的处理和结果显示。该软件用于多通道数据采集、滤波、时域与频域分析及深度补偿，信号处理和分析功能强，便于两次开发。

利用一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测系统对铝板试样表面缺陷进行测定，被检测铝板试样如图2所示，板厚5mm，钻一盲孔直径3mm，深度2mm。具体检测步骤为：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整，通电；

2)调整探头：将试样放置在试样架上，调整探头到试样距离为40mm；

3)确定扫描范围：围绕盲孔，画一个20mm×20mm矩形，并做好起点和终点标记，然后移动探头使得探头中心对准扫描范围起点标记点，并定为坐标零点，水平方向和垂直方向上探头扫描距离均为20mm，并输入到扫描控制软件内。

4)检测被检试样：点击扫描控制开始，探头将在扫描范围内自动扫描，软件可实时显示超声回波，扫描结束，探头自动回到扫描零点。

5)信号处理与分析：通过系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，检测结果如图3所示，在图3中，在水平X轴坐标8～11间可见明显缺陷形状，且缺陷直径3mm左右，与铝板人工缺陷一致。该方法可用于检测表面缺陷。

实施例2：

利用一种表面声阻抗的非接触空气耦合超声成像系统对碳纤维复合材料试样表面材质进行测定，被检测板试样如图4所示，板厚2mm，在表面贴一块铜膜。具体检测步骤为：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整，通电；

2)调整探头：将试样放置在试样架上，调整探头到试样距离为40mm；

3)确定扫描范围：围绕铜膜，画一个20mm×20mm矩形，并做好起点和终点标记，然后移动探头使得探头中心对准扫描范围起点标记点，并定为坐标零点，水平方向和垂直方向上探头扫描距离均为20mm，并输入到扫描控制软件内。

4)检测被检试样：点击扫描控制开始，探头将在扫描范围内自动扫描，软件可实时显示超声回波，扫描结束，探头自动回到扫描零点。

5)信号处理与分析：通过系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，检测结果如图5所示。图5中，在水平X轴坐标5～14间可见明显铜膜形状，且尺寸与铜膜实际尺寸相当。该方法可用于检测表面材质。

Claims (5)

1.一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整并通电启动；

2)调整探头：将被检试样放置在试样架上，调整聚焦探头到被检试样的距离，确保该距离为聚焦探头焦距长度；

3)确定扫描范围：先在被检试样上确定一个矩形扫描范围，并标记起点和终点，然后移动聚焦探头使得聚焦探头中心对准扫描范围起点标记点，设定其为坐标零点，根据试样上的扫描范围，确定水平方向和垂直方向上探头扫描距离，并将距离数值输入到计算机内；

4)检测被检试样：计算机开始扫描控制，聚焦探头将在扫描范围内自动扫描，实时显示超声回波，在扫描结束时，聚焦探头自动回到扫描零点；

5)信号处理与分析：通过计算机对超声回波信号进行分析和处理，并显示检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法，其特征在于，所述的步骤2)中聚焦探头到被检试样的距离为40mm。

3.一种实现如权利要求1所述的基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法的检测系统，其特征在于，包括聚焦探头(2)以及依次连接的机械扫描机构(3)、脉冲发射接收器(4)和计算机(5)，所述的聚焦探头(2)数量为一个，并且设置在被检试样(1)的正上方，所述的聚焦探头(2)固定在机械扫描机构(3)上，并且与脉冲发射接收器(4)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测系统，其特征在于，所述的聚焦探头为空气耦合超声点聚焦探头。

5.根据权利要求3所述的一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测系统，其特征在于，所述的计算机(5)设有扫描控制软件和系统检测软件。