CN105424798A - 一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法 - Google Patents

一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，涉及薄壁结构件无损检测领域。利用两列不同频率超声兰姆波同时激励薄壁结构件，经时频联合分析，快速找出由于缺陷而产生的调制频谱，简化了兰姆波特征参数提取方法，解决了现有超声对微小缺陷识别精度不高问题。本测试系统包括任意波形发生器、发射换能器、非接触激光测振仪、数字信号示波器、计算机、被测介质、五根同轴数据传输线。计算机将两列不同频率兰姆波加载到任意波形发生器上，任意波形发生器同时将信号加载到发射换能器阵列，利用非接触式激光测振仪接采集信号，经示波器显示存储后传给计算机，对信号进行分析，找出兰姆波与缺陷相关特征参数。本发明适用于对金属薄壁结构件中缺陷快速检测。

Description

一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法
技术领域
本发明涉及的是金属薄壁结构件无损检测领域，具体涉及一种利用差频超声兰姆波信号主动检测金属薄壁结构中缺陷的方法。
背景技术
厚度在6mm以下的薄壁结构件是在航空航天工业、汽车工业、船舶工业方面均有广泛的应用。但是由于薄壁结构件在加工或轧制成型过程中所带入的缺陷如裂纹缺陷等，都会对产品的制造和使用的安全性造成威胁。同时由于外部加载以及使用环境的变化，都可能引起由于薄壁结构件内部细小缺陷源的扩展，进而造成破坏事故，除了严格的工艺保证尽量少出现缺陷外，检测就成了保证航空、航天及汽车行业中金属薄壁结构件可靠应用的重要手段。因此，对金属薄壁结构件进行检测识别十分必要的。
超声兰姆波检测以检测灵敏度高、声束指向性好、对裂纹等危害性缺陷检出率较高、适用性广泛等优点在薄壁结构件无损检测领域中占有重要的地位，而且超声兰姆波检测方法，是通过对兰姆波与缺陷作用产生的信号直接分析和判断缺陷的存在和性质，属于主动检测方法，主动检测系统比被动检测所需时间短，而且不需要连续检测，对于实际检测应用非常方便，所以超声兰姆波检测方法更具研究价值在金属薄壁结构件检测技术中。
兰姆波检测中很重要的一个方面在于精确的信号解释，然而兰姆波在任意给定的激发频率下，至少存在两种模式，而各模式的相速度又随着激发频率的改变而发生变化即频散，这一特点给兰姆波检测信号的精确解释和分析带来很大的困难，这也限制了超声兰姆波主动检测金属薄壁结构件中缺陷尤其是微小缺陷的应用，使得提取超声兰姆波特征参数非常困难，造成对被测介质中微小缺陷检测精度不高，不能满足当前工业发展的要求。因此，发展一种准确、快速的兰姆波信号主动检测金属薄壁结构件的方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用差频超声兰姆波信号的金属薄壁结构件缺陷的主动检测方法，目的在于解决现有金属薄壁结构件中的微小缺陷识别能力不高，同时避免了兰姆波在金属薄壁结构件中传播时的复杂特性所带来的应用局限性，简化了超声兰姆波特征参数提取方法。利用同时激发不同频率的超声兰姆波信号，实现金属薄壁结构件中的缺陷的精准识别。
一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法测试系统包括任意波形发生器、两个发射换能器、非接触式激光测振仪、数字信号示波器、计算机、五根同轴数据传输线和被测薄壁结构件，所述的非接触式激光测振仪信号输出端通过同轴数据传输线与数字示波器信号输入端电气连接，数字信号示波器可以实时接收并存储非接触激光测振仪采集的信号，数字信号示波器的信号输出端通过同轴数据传输线与计算机的信号输入端电气连接，计算机的控制信号输出端通过同轴数据传输线与任意波形发生器的控制信号输入端电气连接，通过计算机控制任意波形发生器输出信号的波形和频率，任意波形发生器的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线与第一个发射换能器的信号输入端电气连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线与第二个发射换能器的信号输入端电气连接，两个发射换能器与被测薄壁结构件相连接。
两个发射换能器为同型号同材质的压电晶体，所述的发射换能器谐振频率为1MHz.，通过环氧树脂与被测薄壁结构件垂直耦合。
任意波形发生器的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机把波形信号下载到任意波形发生器中；所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用输出通道其中的第一输出通道和第二输出通道。
一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法包括以下步骤：
步骤一、将计算机中程序编写的两列兰姆波信号下载到任意波形发生器中，两列兰姆波信号的中心频率分别为170kHz和260kHz，波形均设为猝发兰姆波；
步骤二、计算机通过第五同轴数据传输线向任意波形发生器发出控制信号，启动任意波形发生器；
步骤三、任意波形发生器第一个输出通道发出170kHz的兰姆波，通过第一同轴数据传输线加载到第一发射换能器上；同时第二个输出通道发出260kHz的兰姆波，通过第二同轴数据传输线加载第二发射换能器上；
步骤四、利用非接触式激光测振仪接收被测薄壁结构件中的波形信号，并通过第三同轴数据传输线同步传给数字信号示波器进行显示和存储，该信号同时通过数字示波器信号输出端的第四同轴数据传输线发送给计算机，进行分析处理；
步骤五、计算机对接收的信号进行存储和分析，找出兰姆波与缺陷相关的特征参数，对缺陷进行识别。
有益效果：利用不同频率的两列超声兰姆波同时激励薄壁结构件，不同频率的兰姆波信号在薄壁结构件传输过程中相互作用，引起波形信号的畸变，采用时频联合分析的方法可知，在时域上表现为波形相互叠加，在频域上表现为调制现象即滋生新的频率成分，产生差频频率（两列激励声波频率之差）与和频频率（两频率之和），这种畸变源自于晶体缺陷、微观结构的变化（缺陷），出现了调制频谱即可认定薄壁结构中缺陷的存在，而当被测薄壁结构件中在没有缺陷或损伤的区域，两列声波传播过程中的主要受原子间非线性畸变影响，产生调制频率的能量幅度较低可忽略，这使得有缺陷的薄壁结构件中兰姆波声学特征更易被测量。利用差频超声兰姆波信号声学特征来识别缺陷尤其是对微小缺陷的识别将大大优于兰姆波线性声学方法，而且避免解析兰姆波声学波型转换方程的复杂性，简化了兰姆波特征参数提取方法。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法测试系统示意图。
图2是差频超声兰姆波信号时频联合分析图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法测试系包括任意波形发生器1、第一发射换能器2、第二发射换能器3、非接触式激光测振仪4、数字信号示波器5、计算机6、被测薄壁结构件7、第一同轴数据传输线8、第二同轴数据传输线9、第三同轴数据传输线10、第四同轴数据传输线11和第五同轴数据传输线12，所述的非接触式激光测振仪4信号输出端通过同轴数据传输线10与数字示波器5信号输入端电气连接，数字示波器5可以实时接收并存储非接触激光测振仪4采集的信号，数字示波器5的信号输出端通过同轴数据传输线11与计算机6的信号输入端电气连接，计算机6的控制信号输出端通过同轴数据传输线12与任意波形发生器1的控制信号输入端电气连接，通过计算机6控制任意波形发生器1输出信号的波形和频率，任意波形发生器1的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线8与第一个发射换能器2的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线9与第二个发射换能器3的信号输入端相连接，发射换能器2和发射换能器3与被测薄壁结构件7连接。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法的区别在于，第一发射换能器2、第二发射换能器3为同型号同材质的压电晶体，所述的第一发射换能器2和第二发射换能器3谐振频率为1MHz.，通过环氧树脂与被测薄壁结构件7垂直耦合。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法的区别在于，任意波形发生器1的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机6把波形信号下载到任意波形发生器1中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用输出通道其中的第一输出通道和第二输出通道。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法的区别在于，任意波形发生器1同时发出的超声波信号分别为170kHz和260kHz猝发兰姆波。
本实施方式中，利用不同频率的两列超声兰姆波同时激励薄壁结构件，不同频率的兰姆波信号在薄壁结构件传输过程中相互作用，引起波形信号的畸变，采用时频联合分析的方法可知，在时域上表现为波形相互叠加，在频域上表现为调制现象即滋生新的频率成分，产生差频频率（两列激励声波频率之差）与和频频率（两频率之和），这种畸变源自于晶体缺陷、微观结构的变化（缺陷），出现了调制频谱即可认定薄壁结构中缺陷的存在，而当被测薄壁结构件中在没有缺陷或损伤的区域，两列声波传播过程中的主要受原子间非线性畸变影响，产生调制频率的能量幅度较低，使得有缺陷的薄壁结构件中兰姆波声学特征更易被测量。利用差频兰姆波信号声学特征来识别缺陷尤其是对微小缺陷的识别将大大优于兰姆波线性声学方法，而且避免解析兰姆波声学波型转换方程的复杂性，简化了兰姆波特征参数提取方法。
具体实施方式五、基于具体实施方式一所述的具体实施方式包括以下步骤：
步骤一、将计算机6中程序编写的两列兰姆波信号下载到任意波形发生器1中，两列兰姆波信号的中心频率分别为170kHz和260kHz，波形均设为猝发兰姆波；
步骤二、计算机6通过第五同轴数据传输线12向任意波形发生器发出控制信号，启动任意波形发生器1；
步骤三、任意波形发生器1第一个输出通道发出170kHz的兰姆波，通过第一同轴数据传输线8加载到第一发射换能器2上；同时第二个输出通道发出260kHz的兰姆波，通过第二同轴数据传输线9加载第二发射换能器3上；
步骤四、利用非接触式激光测振仪4接收被测薄壁结构件中的波形信号，并通过第三同轴数据传输线10同步传给数字信号示波器5进行显示和存储，该信号同时通过数字示波器信号5输出端的第四同轴数据传输线11发送给计算机6，进行分析处理；
步骤五、计算机6对接收的信号进行存储和分析，找出兰姆波与缺陷相关的特征参数，对缺陷进行识别。
本实施方式中，对厚度2.5mm、长度为900mm，宽度为800mm的铝合金板材中含有2mm微裂纹缺陷进行检测，所得到差频超声兰姆波信号时频联合分析图，如图2所示。
本发明的基本原理是：
当薄壁结构介质中存在缺陷时，在外加超声场的作用下，当缺陷所受到的介质中结构总的应力法向与外部应力作用方向一致时，由于缺陷的体积会随应力的大小发生微小的改变，此时在介质中的缺陷会产生拉伸或压缩的状态，假设这种接触类似于一弹簧，缺陷上的内力为：
Δσ=E(p)p(1)
此处p=u+-u-，为缺陷两侧之间相对变形。将E(p)表示成一阶泰勒级数形式
E(p)=E0+αp(2)
则有
Δσ=E0 p+αp 2 (3)
式中：α代表了材料开裂后的非线性，与前述非线性系数相似，它描述了张开板材介质材料在缺陷上产生非线性效应，是表征材料退化定量化参数。
在存在微小缺陷的薄壁结构中，长度为L，缺陷表面的法向与薄壁的纵向平行，缺陷的位置为x0。沿薄壁纵向输入频率为ω1和ω2的(ω2>ω1)两超声信号，所产生的薄壁结构中的位移场分别为
u 1 (x,t)=U1(x)cosω 1 t(4)
u 2 (x,t)=U2(x)cosω 2 t(5)
若缺陷有效体积为，半径为R，如果它们与发射的超声波波长相比很小，可进一步假设缺陷存在对应力和应变场的影响很小。由于外在声波的作用，缺陷处的体积会发生改变，即
(6)
将式(6)代入式(3)，给出由于差频超声信号与缺陷的作用产生的内应力
(7)
从式7中不难看出，两列不同频率的超声波兰姆波在有缺陷的薄壁介质中传播时，除了声源激励信号频率ω1和ω2之外，将会产生调制频率成分ω1±ω2，ω1±ω2可作为超声兰姆波识别薄板结构中微小缺陷的特征参数。

Claims (5)

1.一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，其特征在于测试系包括测试系统包括任意波形发生器(1)、第一发射换能器(2)、第二发射换能器(3)、非接触式激光测振仪(4)、数字信号示波器(5)、计算机(6)、被测薄壁结构件(7)、第一同轴数据传输线(8)、第二同轴数据传输线(9)、第三同轴数据传输线(10)、第四同轴数据传输线(11)和第五同轴数据传输线(12)，所述的非接触式激光测振仪(4)信号输出端通过同轴数据传输线(10)与数字示波器(5)信号输入端电气连接，数字示波器(5)可以实时接收并存储非接触激光测振仪(4)采集的信号，数字示波器(5)的信号输出端通过同轴数据传输线(11)与计算机(6)的信号输入端电气连接，计算机(6)的控制信号输出端通过同轴数据传输线(12)与任意波形发生器(1)的控制信号输入端电气连接，通过计算机(6)控制任意波形发生器(1)输出信号的波形和频率，任意波形发生器(1)的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线(8)与第一个发射换能器(2)的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线(9)与第二个发射换能器(3)的信号输入端相连接，发射换能器(2)和发射换能器(3)与被测薄壁结构件(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，其特征在于，第一发射换能器(2)和第二发射换能器(3)为同型号同材质的压电晶体，所述的第一发射换能器(2)和第二发射换能器(3)谐振频率为1MHz，通过环氧树脂与被测薄壁结构件(7)垂直耦合。
3.根据权利要求1所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，其特征在于，任意波形发生器(1)的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机(6)把波形信号下载到任意波形发生器(1)中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用输出通道其中的第一输出通道和第二输出通道。
4.根据权利要求1所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，其特征在于，任意波形发生器(1)同时发出的超声波信号分别为170kHz和260kHz猝发兰姆波。
5.根据权利要求1所述的一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将计算机(6)中程序编写的两列兰姆波信号下载到任意波形发生器(1)中，两列兰姆波信号的中心频率分别为170kHz和260kHz，波形均设为猝发兰姆波；
计算机(6)通过第五同轴数据传输线向任意波形发生器发出控制信号，启动任意波形发生器；
任意波形发生器(1)第一个输出通道发出170kHz的兰姆波，通过第一同轴数据传输线(8)加载到第一发射换能器(2)上；同时第二个输出通道发出260kHz的兰姆波，通过第二同轴数据传输线(9)加载第二发射换能器(3)上；
利用非接触式激光测振仪(4)接收被测薄壁结构件中的波形信号，并通过第三同轴数据传输线(10)同步传给数字信号示波器(5)进行显示和存储，该信号同时通过数字示波器信号(5)输出端的第四同轴数据传输线(11)发送给计算机(6)，进行分析处理；
计算机(6)对接收的信号进行存储和分析，找出兰姆波与缺陷相关的特征参数，对缺陷进行识别。
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