CN107121500A - 一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法 - Google Patents

一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法，涉及一种导波方向控制方法。为了解决现有的导波方向控制方法不能在不改变线圈接线方式的情况下使用多通道电磁超声导波换能器激励和接收任意频率的单向传播超声导波的问题。本发明首先计算各线圈激励电流的初始相位，通过调节各线圈激励电流的初始相位使导波信号被抑制的一侧，在任意时刻各信号叠加后振幅为零；然后计算非抑制侧各发射线圈产生的导波信号合成后的振幅；绘制非抑制侧导波信号振幅与频率的关系曲线，不同工作频率下，选择导波信号振幅最大时所对应的激励电流初始相位；最后通过选择抑制侧和非抑制侧来实现方向控制。本发明用于金属板材、管件等的无损检测。

Description

一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种导波方向控制方法，用于金属板材、管件等的无损检测。
背景技术
随着我国工业化水平的不断发展，定期对工业结构进行检测和健康监测，保证其安全运营，具有重要意义。因此，无损检测技术的应用越来越广泛，特别是超声导波检测技术，具有检测效率高、成本低的技术优势，适用于大型工业结构的缺陷检测和健康监测。
电磁超声导波检测方法通过改变换能器的结构和激励电流的相位关系，更易于实现对导波的类型、模式和传播方向的控制。但是，现有的电磁超声导波换能器，线圈一般采用曲折线圈结构，每种结构对应一个中心频率，实际检测时需要改变线圈的接线方式，无法实现扫频缺陷检测和远程在线监测。此外，对于管线分布密集的工况，受空间限制，换能器的体积有限，导致传统的双线圈结构换能器难以实现低频超声导波的方向控制。专利申请号201610998265.4给出了一种任意频率的超声导波发射接收装置及其导波激励和接收方法，但没有给出超声导波方向控制的方法。
发明内容
本发明为了解决现有的导波方向控制方法不能在不改变线圈接线方式的情况下使用多通道电磁超声导波换能器激励和接收任意频率的单向传播超声导波、不能远程在线监测、不能控制任意频率导波方向的问题。进而提出了一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法。
本发明采用的技术方案的步骤如下：
步骤一、将换能器安装在被测试件(3)上，发射线圈阵列的发射线圈沿某一方向以任意间距并排分布，发射线圈数为2n，沿着导波传播的方向将发射线圈编号T1，T2，......，T2n；
步骤二、沿发射线圈分布方向建立坐标轴；
步骤三、任选一方向为导波传播抑制侧，则相反方向为非抑制侧，计算各线圈激励电流的初始相位，通过调节各线圈激励电流的初始相位使导波信号被抑制的一侧，在任意时刻各信号叠加后振幅为零；
步骤四、基于步骤三中求得的激励电流的初始相位，计算非抑制侧各发射线圈产生的导波信号合成后的振幅；
步骤五、绘制步骤四中所求得的非抑制侧导波信号振幅与频率的关系曲线，不同工作频率下，选择导波信号振幅最大时所对应的激励电流初始相位；
步骤六、通过选择抑制侧和非抑制侧来实现方向控制，非抑制侧即为导波的传播方向。
扫频多通道超声导波装置包括多通道超声导波发射接收装置、铁钴合金带、被测试件和发射线圈阵列，铁钴合金带通过施加压力或粘结紧贴被测试件表面，发射线圈阵列位于铁钴合金带表面，发射线圈阵列中每个发射线圈一端与多通道超声导波发射接收装置的一路发射通道连接，另一路接地，铁钴合金带和发射线圈阵列组成换能器。
本发明的有益效果
本发明提供了一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法，该方法能够在不改变线圈接线方式的情况下，使用多通道电磁超声导波换能器激励和接收任意频率的单向传播的超声导波，实现对导波的方向控制，可对被测对象进行扫频缺陷检测和远程在线监测。
附图说明
图1为扫频多通道电磁超声导波装置；图中：1-多通道电磁超声导波发射接收装置，2-钴铁合金带，3-被测试件，4-发射线圈列阵；
图2为激励电流初始相位确定流程；
图3为发射线圈分布示意图；
图4为实施例中的非抑制侧导波信号振幅与频率的关系曲线。
具体实施方式
本发明的原理是通过控制激励电流的相位关系，调整试件中超声导波的相位，使传感器的某一侧信号发生相消干涉，实现单向传播的功能。又因为换能器为多线圈结构，每个发射超声导波的线圈连接一路发射电路，所以激励电流相位控制方式多种多样。为了获得最佳的激励和接收单向超声导波的效果，需要综合考虑不同控制方式的效果，不同的频率范围采用不同的控制方式。采用上述方法，无需人为更换换能器，换能器可永久安装，从而为实现远程监测奠定基础。
具体实施方式一：一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法，如图1所示，扫频多通道超声导波装置包括多通道超声导波发射接收装置1、铁钴合金带2、被测试件3和发射线圈阵列4，铁钴合金带2通过施加压力或粘结紧贴被测试件3表面，发射线圈阵列4位于铁钴合金带2表面，发射线圈阵列4中每个发射线圈一端与多通道超声导波发射接收装置1的一路发射通道连接，另一路接地，铁钴合金带2和发射线圈阵列4组成换能器，为了激励任意频率的超声导波，发射线圈阵列4中的每个发射线圈均为单根导线或由单根导线紧密绕制螺旋状线圈，线圈宽度远小于工作频率下超声导波波长。
所述方法是按以下步骤实现的：
步骤一、如图3所示，将多通道传感器安装在被测试件上，发射线圈沿某一方向以任意间距并排分布，发射通道数为2n，沿着导波传播的方向将发射线圈编号T1，T2，......，T2n；
步骤二、沿发射线圈分布方向建立坐标轴；
步骤三、任选一方向为导波传播抑制侧，则相反方向为非抑制侧，计算各线圈激励电流的初始相位，通过调节各线圈激励电流的初始相位使导波信号被抑制的一侧，在任意时刻各信号叠加后振幅为零；
步骤四、基于步骤三中求得的激励电流的初始相位，计算非抑制侧各发射线圈产生的导波信号合成后的振幅；
步骤五、绘制步骤四中所求得的非抑制侧导波信号振幅与频率的关系曲线，不同工作频率下，选择导波信号振幅最大时所对应的激励电流初始相位；
步骤六、通过选择抑制侧和非抑制侧来实现方向控制，非抑制侧即为导波的传播方向。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述坐标轴为以发射线圈T1为原点，以导波传播方向为正方向，各发射线圈对应坐标为x1，x2，......，x2n，其中x1＝0，xi为第i个线圈到第1个线圈的间距，i＝1，2，3，...，2n。；其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中计算各线圈激励电流的初始相位步骤如下：
(1)、根据被测试件参数使用数值解法或专用软件求解被测试件中导波的特征方程，获得导波的波速c；
(2)、各发射线圈激励电流信号为其中i＝1，2，......，2n，其中f为导波的频率，I为激励电流幅值，t为导波传播时间，为初始相位；
(3)、对于任意位置x＞0，在t0时刻在该点发射线圈Ti产生的导波信号为U(x)为超声导波传播至x处时的振幅；
对于任意位置x＜0，在t0时刻在该点发射线圈Ti产生的导波信号为
(4)、声波抑制侧任取一点作为被测点，在2n个线圈中任意选取n个线圈，使这n个线圈在导波信号抑制侧某点产生的导波信号相位为这n个线圈到第一个线圈的间距组成集合An；余下的n个线圈在该点产生的导波信号相位为余下的n个线圈到第一个线圈的间距组成集合Bn，即集合An和Bn是集合N＝{x1，x2，......，x2n}的两个子集合，满足|An|＝|Bn|＝n，An∩Bn＝0且An∪Bn＝N；
(5)、任取，使各信号的相位满足xiy为集合An中线圈在集合N中对应的线圈到第一个线圈的间距，xiz为集合Bn中线圈在集合N中对应的线圈到第一个线圈的间距；为集合An中线圈在集合N中对应的线圈的相位，为集合Bn中线圈在集合N中对应的线圈的相位，x为被测点坐标；
(6)、根据步骤(5)中的方程求解各线圈激励电流的初始相位其中i＝1，2，......，2n且
(7)、更换集合An和Bn，重复计算各激励电流的初始相位。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四所述合成后的振幅为振幅越大效果越好。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同
具体实施方式五：在检测缺陷时，为了激励单向传播的超声导波，需要调节各发射线圈激励电流的初始相位。不同工作频率下，各发射线圈激励电流初始相位确定过程如图2所示，步骤三中在计算各线圈激励电流的初始相位时由于在2n个发射线圈中选择n个线圈，有多种选择方式，且不同的选择方式适用于不同的工作频率。因此，需要改变发射线圈的分组方式，重新计算该方式下对应的激励电流初始相位，绘制非抑制侧信号合位移振幅与工作频率的关系曲线。根据该关系曲线，可确定不同工作频率时最佳的激励电流相位控制方法。
实施例
以四个单线圈等间距分布(相邻单线圈间距为12.5mm)为例，为了使抑制侧振幅为零，只需将线圈均分为两组，共有3种分组方法。其中，方法1为T1T2，T3T4；方法2为T1T4，T2T3；方法3为TIT3，T2T4。三种分组方法产生的导波在非抑制侧合位移振幅与频率的关系如图所示，在工作频率为64kHz时，分组方法1产生的导波合位移振幅最大，因此该频率下采用分组方法1所对应的步骤三中的初始相位对线圈进行激励；在工作频率为96kHz时，分组方法2产生的导波合位移振幅最大，因此该频率下采用分组方法2所对应的步骤三中的初始相位对线圈进行激励。

Claims (4)

1.一种基于扫频多通道超声导波装置的导波方向控制方法，所述装置包括：多通道超声导波发射接收装置(1)、铁钴合金带(2)、被测试件(3)和发射线圈阵列(4)，铁钴合金带(2)通过施加压力或粘结紧贴被测试件(3)表面，发射线圈阵列(4)位于铁钴合金带(2)表面，发射线圈阵列(4)中每个发射线圈一端与多通道超声导波发射接收装置(1)的一路发射通道连接，另一路接地，铁钴合金带(2)和发射线圈阵列(4)组成换能器；其特征在于，所述控制方法是按以下步骤实现的：
步骤一、将换能器安装在被测试件(3)上，发射线圈阵列的发射线圈沿某一方向以任意间距并排分布，发射线圈数为2n，沿着导波传播的方向将发射线圈编号T1，T2，......，T2n；
步骤二、沿发射线圈分布方向建立坐标轴；
步骤三、任选一方向为导波传播抑制侧，则相反方向为非抑制侧，计算各线圈激励电流的初始相位，通过调节各线圈激励电流的初始相位使导波信号被抑制的一侧，在任意时刻各信号叠加后振幅为零；
步骤四、基于步骤三中求得的激励电流的初始相位，计算非抑制侧各发射线圈产生的导波信号合成后的振幅；
步骤五、绘制步骤四中所求得的非抑制侧导波信号振幅与频率的关系曲线，不同工作频率下，选择导波信号振幅最大时所对应的激励电流初始相位；
步骤六、通过选择抑制侧和非抑制侧来实现方向控制，非抑制侧即为导波的传播方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频多通道超声导波装置的导波方向控制方法，其特征在于：步骤二所述坐标轴为以发射线圈T1为原点，以导波传播方向为正方向，各发射线圈对应坐标为x1，x2，......，x2n，其中x1＝0，xi为第i个线圈到第1个线圈的间距，i＝1，2，3，...，2n。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于扫频多通道超声导波装置的导波方向控制方法，其特征在于：步骤三中计算各线圈激励电流的初始相位步骤如下：
(1)、根据被测试件参数使用数值解法或专用软件求解被测试件中导波的特征方程，获得导波的波速c；
(2)、各发射线圈激励电流信号为其中i＝1，2，......，2n，其中f为导波的频率，I为激励电流幅值，t为导波传播时间，为初始相位；
(3)、对于任意位置x＞0，在t0时刻在该点发射线圈Ti产生的导波信号为U(x)为超声导波传播至x处时的振幅；
对于任意位置x＜0，在t0时刻在该点发射线圈Ti产生的导波信号为
(4)、声波抑制侧任取一点作为被测点，在2n个线圈中任意选取n个线圈，使这n个线圈在导波信号抑制侧某点产生的导波信号相位为这n个线圈到第一个线圈的间距组成集合An；余下的n个线圈在该点产生的导波信号相位为余下的n个线圈到第一个线圈的间距组成集合Bn，集合An和Bn是集合N＝(x1，x2，......，x2n}的两个子集合，集合An和Bn中元素数量满足|An|＝|Bn|＝n，且
(5)、任取使各信号的相位满足
xiy为集合An中线圈在集合N中对应的线圈到第一个线圈的间距，xiz为集合Bn中线圈在集合N中对应的线圈到第一个线圈的间距；为集合An中线圈在集合N中对应的线圈的相位，为集合Bn中线圈在集合N中对应的线圈的相位，x为被测点坐标；
(6)、根据步骤(5)中的方程求解各线圈激励电流的初始相位其中i＝1，2，......，2n且
(7)、更换集合An和Bn，重复计算各激励电流的初始相位。
4.根据权利要求3所述的一种基于扫频多通道超声导波装置的导波方向控制方法，其特征在于步骤四所述合成后的振幅为
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