CN106324098A - 一种基于全向型sh0电磁声传感器阵列金属板缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全向型SH₀电磁声传感器阵列金属板缺陷检测方法，属于超声无损检测领域。金属板材应用广泛，受外界因素影响，易产生缺陷影响板材的正常使用，可采用无损检测技术对其进行检测。采用全向型SH₀电磁声传感器组成阵列，布置在金属板的一侧，搭建实验系统采集信号，结合椭圆成像算法实现对金属板的检测。本方法中以铝板为检测试样，钢柱粘贴在铝板上模拟表面缺陷，成像结果证明了该方法的可行性。

Description

一种基于全向型SH0电磁声传感器阵列金属板缺陷检测方法

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，主要涉及利用全向型SH₀电磁声传感器组成传感器阵列实现对金属板的缺陷成像检测。

背景技术

板材广泛应用于国内外的航空航天、汽车制造、船舶交通等领域。铝板或铝合金板具有密度小、比强度高、耐蚀性好、成本低等一系列优点。板材受到生产装置、原材料来源、加工技术、运输或操作不当等因素的影响，易出现裂纹、夹杂、气泡、孔隙等缺陷。这些缺陷不但影响板材的外观、耐腐蚀性、耐磨性等性能，而且影响板材的正常使用。缺陷的存在，对结构的安全性造成威胁，甚至有可能产生严重后果。为了及时发现缺陷，需要对结构进行缺陷检测。避免结构在服役过程中由于缺陷的扩展，导致经济损失和人员伤亡。对板结构进行检测不能采用破坏性实验方法，采用无损检测技术对其进行检测十分重要。

电磁超声导波检测技术属于超声无损检测领域，电磁声传感器是电磁超声导波检测技术中激励和接收超声导波的核心部件。电磁声传感器种类和形式多样，通过不同磁体和不同形状的线圈以不同的方式组合，可在板中产生不同类型的超声导波。

超声导波在板结构中传播，根据质点的振动方向不同，可分为Lamb波和SH波。电磁声传感器阵列结合成像技术可被应用于检测板中缺陷。2005年，Wilcox P等在《IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》发表的“Omnidirectional guided wave inspection of large metallic plate structuresusing an EMAT array”中，利用多个全向型S₀模态电磁声传感器组成的环形阵列，实现了对金属板的成像检测。2013年，郑阳等在《声学学报》发表的“采用超声导波阵列技术研究板类结构大面积检测”中，利用能激励出全向性单一A₀模态的电磁声传感器阵列，对一块含有通孔缺陷的铝板进行了全聚焦成像检测。

低阶水平剪切波(SH波)的SH₀模态在金属薄板结构中没有频散现象，在超声导波检测领域中有着独特的吸引力，主要表现在对信号进行后处理时不需要考虑频散特性的影响。本发明的基本思想为提出全向型SH₀电磁声传感器组成圆形阵列，结合椭圆成像，以铝板为检测试样，实现对板中缺陷成像检测。

发明内容

本发明针对金属板结构，提出一种运用全向型SH₀电磁声传感器阵列进行缺陷成像检测方法。

该检测方法为采用基于全向型SH₀电磁声传感器阵列，结合成像算法，对金属板进行缺陷检测。实现该方法如图1所示，传感器阵列由全向型SH₀电磁声传感器1组成，检测结构为金属板试样2。

步骤S1，N个全向型SH₀电磁声传感器1组成传感器阵列，布置在金属板2的单侧。

步骤S2，搭建检测平台，每对传感器激励和接收信号，采集并保存信号数据；

步骤S3，编写程序实现信号处理以及生成缺陷成像检测图；

高能激励信号输入到全向型SH₀电磁声传感器中，传感器实现在金属板中产生SH波的SH₀模态，利用带缺陷信息的信号来实现缺陷定位成像，与现有的技术相比，实现了将全向型SH₀电磁声传感器用于金属板的缺陷成像检测。

附图说明

图1基于全向型SH₀电磁声传感器阵列的缺陷成像示意图

图2实验检测系统；

图3全向型SH₀电磁声传感器示意图；

图4椭圆成像定位原理；

图5粘贴缺陷与传感器阵列的位置分布图；

图6缺陷椭圆成像结果图；

图中：1、全向型SH₀电磁声传感器；2、金属板试样；3、计算机；4、高能超声激励接收装置；5、数字示波器；6、激励端阻抗匹配模块；7、接收端阻抗匹配模块；8、圆柱状钕铁硼磁铁；9、圆环形绕线薄片；10、线圈；11、圆环形镍片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

本发明为利用基于全向型SH₀电磁声传感器阵列，结合椭圆成像，实现对金属板试样的缺陷成像检测。

实现该方法的实验系统整体搭建如图2所示，平台包括计算机3、高能超声激励接收装置4、数字示波器5、激励端阻抗匹配模块6、接收端阻抗匹配模块7、传感器阵列、金属板试样2，采用8个全向型SH₀电磁声传感器1组成传感器圆形阵列。计算机3与高能超声激励接收装置4相连，用以输入参数、控制检测系统的运行和停止。高能超声激励接收装置4输出四组信号，其中三组信号即激励信号、接收信号、外部触发信号传输给数字示波器5，用于观察信号波形，第四组信号传输给激励电磁声传感器。接收电磁声传感器接收端阻 抗匹配模块7，与高能超声激励接收装置4相连，将产生的接收信号输入到高能超声激励接收装置4中。

所述的全向型SH₀电磁声传感器基于磁致伸缩机理在铝板中产生SH波的SH₀模态。如图3所示，全向型SH₀电磁声传感器1由圆柱状钕铁硼磁铁8、绕线薄片9、线圈10、镍片11组成，镍片11置于绕线薄片9一侧，绕线板为非金属不导电材料，绕线薄片9和镍片11采用铜漆包线组装成整体。圆柱状钕铁硼磁铁8尺寸为底面直径D₁、高H₁。绕线薄片9与镍片11为圆环形，绕线薄片9的内径与镍片11的内径r₁相同。圆柱状钕铁硼磁铁8尺寸D₁＝10mm，H₁＝5mm。绕线薄片9为亚克力片，外径为r₄＝12.5mm。采用0.2mm的铜漆包线绕制线圈10，绕线薄片上16个小孔的直径为3mm，各小孔沿中心对称布置，每个小孔中心距离绕线薄片9中心距离r₃＝10.5mm。镍片11内径r₁＝3mm，外径为r₂＝9mm。其中r₂-r₁＝λ/2，λ＝12mm。其中λ为传感器理论中心频率对应的波长。

所述椭圆成像定位原理如下：如图4所示，A(x₁,y₁)和B(x₂,y₂)为传感器，C为缺陷，缺陷C位于以传感器A和B为焦点的椭圆轨迹上。一对传感器只能判定缺陷所在的椭圆轨迹，多个传感器对能产生多个缺陷椭圆轨迹，椭圆轨迹交点为缺陷位置。从传感器A(x₁,y₁)发出的信号开始传播，到成像区域内离散点(x,y)，再被传感器B(x₂,y₂)接收的时间t_ij(x,y)为：

$t_{ij}(x,y)=\frac{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}+\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2}}{v_g}$

v_g为SH₀的群速度。通过有损状况下得到的信号和健康状况下的参考信号相减得到成像中所需的缺陷散射信号。利用缺陷散射信号进行成像检测。散射信号的包络幅值信号为S_ij(t)，缺陷成像结果为I(x,y):

$I(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{i\≠j}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{ij}\left(t_{ij}\right(x,y\left)\right)$

本实例中，所述金属板试样为1mm厚铝板，长1000mm，宽1000mm。在铝板一侧利用环氧树脂胶粘贴钢柱来模拟表面缺陷，缺陷位置如图5所示。以板的右下角为坐标原点，钢柱缺陷位于(465,440)，钢柱缺陷底面直径为30mm，高为20mm。全向型SH₀电磁声传感器圆形阵列中心与板的中心位置重合，圆形半径为200mm，共采用N＝8个传感器。

针对铝板上的模拟缺陷，给出以下成像检测实例：

1)激励信号：通过高能超声激励接收装置的配套软件输入激励信号参数，周期为5，Hanning窗调制的正弦波信号，激励频率为260kHz。

2)激励和接收的方式：每个传感器既起激励传感器作用，也起接收传感器作用，采用一激一收方式产生信号。信号采集的过程中，一个传感器做激励传感器，其余7个做接收传感器。检测过程中先采集有缺陷信号，后用解胶剂将钢柱缺陷去除后，采集无缺陷信号，共采集8×7×2＝112组信号。

3)采用椭圆成像方法得到的成像结果图如图6所示，颜色越深表示该区域存在缺陷的概率越大。白色圆圈为缺陷位置，从图6可看出，在白色圆圈所在位置及附近颜色较深。通过取阈值0.9，如图6所示，可更为清晰的看出实际缺陷成像结果与理论缺陷位置吻合，从而证明本发明的可行性。

Claims (1)

1.一种基于全向型SH₀电磁声传感器阵列金属板缺陷检测方法，其特征在于：该检测方法采用全向型SH₀电磁声传感器(1)组成传感器阵列布置在金属板试样(2)上，信号输入到全向型SH₀电磁声传感器中，在金属板中产生SH波的SH₀模态，采集含缺陷信息的信号，结合成像算法，对金属板试样(2)进行缺陷成像检测，步骤如下：

步骤S1，N个全向型SH₀电磁声传感器(1)组成传感器阵列，布置在金属板试样(2)的单侧；

步骤S2，搭建检测平台，每组传感器激励和接收信号，采集并保存信号数据；

步骤S3，编写程序实现信号处理以及生成缺陷成像检测图。