CN107462599A - 一种微波热声检测监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波热声检测监测系统及方法，其中微波热声检测监测系统包括声发射传感器阵列、声发射检测仪、控制系统、热像仪、微波信号发生器、微波信号放大器和微波天线，所述声发射传感器阵列布置在被检物体上，所述热像仪的视场覆盖被检物体的待检测区域，所述微波天线对准被检物体的待检测区域，声发射传感器阵列通过声发射检测仪与控制系统电连接，控制系统依次通过微波信号发生器、微波信号放大器与微波天线电连接，控制系统与热像仪电连接。本发明既可实现在线实时监测，又可实现缺陷位置的重现和定量，监测范围广，检测灵敏度高，检测结果可靠。

Description

一种微波热声检测监测系统及方法

技术领域

本发明属于结构健康监测、无损检测以及故障诊断领域，特别涉及一种微波热声检测监测系统及方法。

背景技术

随着现代科学和工业技术的发展，无损检测和健康监测技术已成为保证产品质量和运行安全的必要手段。大型结构构件和设备的检测与质量控制正成为无损检测和结构健康监测领域的一个难点，为了保证检测与监测结果的可靠性，一般要求监测系统能够连续运行，检测系统具有可视化、准确度高的特点。

金属材料、混凝土材料以及复合材料构件的无损检测和健康监测技术已较为成熟，如超声法、射线法、涡流法、漏磁法、热成像法、x射线法、声发射法、光纤传感监测法以及压电传感监测等。但这些方法均存在一些局限性。

超声法能够实现缺陷的定量检测，但是难以实现构件状态的监测。

微波法可以穿透非金属材料，是一种很有潜力的检测技术，主要缺点是很难实现缺陷检测的定位和定量，实时监测难度大。声发射法是一种被动式监测技术，可以监测缺陷的产生和扩展过程，并对缺陷的位置进行定位，但在实际监测中，声发射信号十分微弱，易受噪声干扰，很难对缺陷进行定量分析。

目前各类应变传感器包括较先进的FBG传感器的检测范围比较小，只能采集到传感器所在点的应变变化，对损伤的捕捉能力有限。

热成像法可以实现大面积检测和监测，近年来在无损检测和健康监测领域得到重视。常见的主动式热成像法采用光学加热方式，只能对被检材料的表面进行加热，内部需依靠热传导方式进行加热。近年来，内部加热方式已引起人们的重视，由此催生了新的热成像检测技术，如涡流热成像检测技术、超声热成像检测技术。超声波热成像检测技术是接触式的，且要求被检对象位置固定，还受到共振频率的干扰。涡流热成像检测技术虽然是非接触式的，但要求检测对象为导体，同时还受到激励线圈形状影响，非均匀加热现象较严重。而采用微波进行加热，具有一些独特的优势：1）微波在不连续的界面会产生反射、散射、透射，加强了对材料内部缺陷检测的效果；2）微波加热均匀性好，加热效率高，速度快，能在短时间内达到加热效果；3）微波加热的热惯性小，易于实现不同函数调制的加热方式。

声发射具有一些缺点，如信号十分微弱，易受噪声干扰，很难对缺陷进行定量。现有声发射技术主要采用放大器电路对声发射信号进行放大，无法在源头增强声发射信号，更无法复现静态缺陷的声发射信号。因此，只能对动态缺陷进行监测，无法实现主动检测。使用其它检测方法获得的检测数据和声发射监测数据脱钩，缺乏有机结合，整体评价效果得不到充分发挥。

发明内容

针对目前检测监测技术的需求以及现有无损检测和健康监测技术存在的不足，本申请将微波加热、热成像检测和声发射监测技术相结合，提出一种微波热声检测监测系统及方法，可用于玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、天然纤维材料等的无损检测和损伤监测，既可实现在线实时监测，又可实现缺陷位置的重现和定量，监测范围广，检测灵敏度高，检测结果可靠。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种微波热声检测监测系统，其结构特点是包括声发射传感器阵列、声发射检测仪、控制系统、热像仪、微波信号发生器、微波信号放大器和微波天线，所述声发射传感器阵列布置在被检物体上，所述热像仪的视场覆盖被检物体的待检测区域，所述微波天线对准被检物体的待检测区域，声发射传感器阵列通过声发射检测仪与控制系统电连接，控制系统依次通过微波信号发生器、微波信号放大器与微波天线电连接，控制系统与热像仪电连接。

借由上述结构，在被检物体上布置声发射传感器阵列，当被检物体中有缺陷产生或扩展时（如材料内部产生裂缝、胶缝开裂等），将发出弹性波并被声发射传感器阵列采集，并通过声发射检测仪和控制系统记录数据，即可对被检对象进行整体实时监测。同时，利用参数可控的微波（即通过对微波加热时间、波形、周期等的控制），对被检对象可能出现缺陷的部位进行激励，缺陷处由于热声效应，再次发出弹性波，通过声发射传感器阵列捕获该声发射信号，可对缺陷进行再次定位和定量检测。同时，缺陷将影响热量的产生或传导过程，进而影响被检物体表面的温度场，采用热像仪记录构件表面变化的温度场，对浅层缺陷进行定量，即对被检对象进行局部适时检测。综合应用多通道声发射信号和热图像序列等信息，辅之以锁相、频域互相关、自适应稀疏表示、盲源分离等算法，对缺陷进行自动分离和参数定量，最终实现声发射和热成像等多源数据的融合应用，以及检测和监测的有机结合。

作为一种优选方式，声传感器阵列中的声传感器为谐振式声发射传感器、宽频式声发射传感器或超声波传感器。

作为一种优选方式，所述热像仪为可直接成像的短波热像仪、中波热像仪、长波热像仪中的一种或几种。

作为一种优选方式，所述控制系统为以计算机为核心的控制和数据分析系统，能控制声发射检测仪、热像仪和微波信号发生器，并能够存储和处理声发射和热成像数据。

作为一种优选方式，所述微波天线和热像仪位于被检物体的同侧或两侧。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种微波热声检测监测方法，利用所述的微波热声检测监测系统，包括以下步骤：

步骤一，将声发射传感器阵列布置于被检物体表面，将热像仪的视场覆盖被检物体的待检测区域；声发射传感器阵列实时采集被检物体中动态缺陷产生的弹性波并通过声发射检测仪发送至控制系统分析和记录，热像仪实时采集被检物体表面的温度变化并发送至控制系统分析和记录；

步骤二，将微波天线对准被检物体的待检测区域，通过控制系统和微波信号发生器设置发射微波的各项参数，微波信号发生器通过微波信号放大器和微波天线把微波发射到被检物体；

步骤三，声发射传感器阵列采集被检物体损伤区域受微波激励后产生的弹性波并通过声发射检测仪发送至控制系统分析和记录；

步骤四，热像仪采集被检物体表面受微波激励后的温度或热信号，并发送至控制系统分析和记录；

步骤五，对控制系统上记录的弹性波信号和热信号进行信号处理，提取可表征缺陷属性的特征值；

步骤六，利用特征值和诊断算法对被检对象进行诊断。

微波热声检测监测方法的自动监测原理为：当被检物体出现动态损伤时，声发射传感器阵列采集被检物体损伤部位发出的弹性波信号并存入控制系统，热像仪采集被检物体损伤部位导致的温度变化，并存在控制系统。对声发射信号和温度信号进行分析，就可以实现实时监测。

微波热声检测监测方法的检测原理为：微波信号发生器受控制系统触发向微波信号放大器输出微波信号，微波信号放大器将微波信号放大后输出到微波天线，微波天线将微波信号辐射到被检物体上，被检物体在微波场作用下被加热，热量在被检物体内部传导，被检物体内部的损伤在微波热作用下再次发射出弹性波，被声发射传感器阵列采集到并存入控制系统。被检物体内部的缺陷影响微波加热或传热过程，并引起被检物体表面的温度变化，采用热像仪记录被检物体的表面温度变化，并存入控制系统。通过对弹性波信号和热信号进行处理分析，可以获取被检物体表面和内部的缺陷信息，即实现检测。

作为一种优选方式，所述步骤二中，微波信号发生器发射微波的各项参数包括频率、功率、脉冲周期、脉冲时间和脉冲次数。

作为一种优选方式，所述步骤二中，输出的微波信号可以为连续微波信号，也可以为多个微波脉冲信号，即多周期的微波脉冲信号。在周期微波激励下，相应获得的声发射信号和热信号也是周期性的，这样可以提高检测灵敏度。

作为一种优选方式，所述步骤五中，所述信号处理方法包括时域分析、频域分析、相关分析、统计分析、稀疏表示或盲源分离方法。

作为一种优选方式，所述步骤六中，利用特征值对被检对象进行诊断的方法包括阈值诊断、模糊诊断、专家系统、基于神经网络或支持向量机的模式识别方法。

进一步地，还包括步骤七，存储弹性波、热信号及诊断结果。

本发明所公开的微波热声检测监测系统及方法具有以下优点：

1）将微波加热、热成像和声发射相结合，能够实现被检物体检测和监测技术的协同工作，既可实现在线实时监测，又可实现缺陷信号的增强和重现，有助于实现结构安全诊断的自动化、智能化。

2）微波加热均匀，作用距离远，可从内部进行加热，有利于缺陷的检测和深度定量。

3）声发射和热成像检测监测效率较高，可一次检测监测大范围区域。

4）采用参数可控的多周期微波激励和锁相信号处理方法，有助于提高检测精度和灵敏度。

5）采用稀疏表示、盲源分析等方法处理多通道声发射信号和热图像序列，提高缺陷快速成像和定量能力。

附图说明

图1为本发明检测监测系统的结构示意图。

图2为本发明声发射监测系统示意图。

图3为本发明检测系统示意图。

其中，1为控制系统，2为声发射检测仪，3为声发射传感器阵列，4为热像仪，5为微波信号发生器，6为微波信号放大器，7为微波天线，8为被检物体。

具体实施方式

如图1至图3所示，微波热声检测监测系统包括控制系统1、声发射检测仪2、声发射传感器阵列3、热像仪4、微波信号发生器5、微波信号放大器6和微波天线7，所述声发射传感器阵列3布置在被检物体8上，所述热像仪4的视场覆盖被检物体8的待检测区域，所述微波天线7对准被检物体8的待检测区域，声发射传感器阵列3通过声发射检测仪2与控制系统1电连接，控制系统1依次通过微波信号发生器5、微波信号放大器6与微波天线7电连接，控制系统1与热像仪4电连接。

声传感器阵列中的声传感器为谐振式声发射传感器、宽频式声发射传感器或超声波传感器。

所述热像仪4为二维热像仪。所述热像仪4为可直接成像的短波（0.9-1.7μm）热像仪、中波（3-5μm）热像仪、长波（7-14μm）热像仪中的一种或几种。

所述控制系统1为以计算机为核心的控制和数据分析系统，能控制声发射检测仪2、热像仪4和微波信号发生器5，并能够存储和处理声发射和热成像数据。

所述微波天线7和热像仪4位于被检物体8的同侧或两侧。

微波热声检测监测方法利用所述的微波热声检测监测系统，包括以下步骤：

1）将声发射传感器阵列3布置于被检物体8表面，当被检物体8中有缺陷产生或扩展时（如材料内部产生裂缝时），将发出弹性波并被声发射传感器阵列3采集，声发射传感器阵列3实时采集被检物体8中动态缺陷产生的弹性波并通过声发射检测仪2发送至控制系统1分析和记录数据。这是本发明声发射监测方法，如图2所示为本发明声发射监测系统结构示意图。

2）将热像仪4的视场覆盖被检物体8的待检测区域，缺陷产生或扩展时，热像仪4可以实时采集缺陷导致的被检物体8表面温度变化，并传给控制系统1分析和记录。这是本发明热成像监测方法。

以上步骤1）和2）这是本发明微波热声监测方法。

3）将微波天线7对准被检物体8的待检测区域，通过控制系统1和微波信号发生器5设置发射微波的各项参数（如频率、功率、脉冲周期、脉冲时间和脉冲次数等）。通过控制系统1控制微波信号发生器5发出微波信号，微波信号发生器5发出的微波信号经由微波信号放大器6和微波天线7把发射到被检物体8，对被检物体8待检部位进行微波激励。

4）在上述微波激励的作用下，若被检物体8存在缺陷，则缺陷会由于热声效应，再次发出弹性波。声发射传感器阵列3捕获被检物体8损伤区域受微波激励后产生的弹性波信号，并通过声发射检测仪2发送至控制系统1分析和记录。

5）在微波激励的同时，缺陷将影响被检物体8中热量的产生或传导过程，进而影响被检物体8表面的温度场。采用热像仪4采集被检物体8表面受微波激励后的温度变化信号，并发送至控制系统1分析和记录。

6）对控制系统1上记录的弹性波信号和热信号进行信号处理，所述信号处理方法包括时域分析、频域分析、相关分析、统计分析、稀疏表示或盲源分离等方法，提取可表征缺陷属性的特征值。

7）利用特征值对被检对象进行诊断，诊断方法包括阈值诊断、模糊诊断、基于神经网络或支持向量机的模式识别方法等。

以上步骤3）至7）这是本发明微波热声检测方法，如图3所示为本发明的微波热声检测系统。

8）存储弹性波、热信号、特征值及诊断结果，关闭系统。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波热声检测监测系统，其特征在于，包括控制系统（1）、声发射检测仪（2）、声发射传感器阵列（3）、热像仪（4）、微波信号发生器（5）、微波信号放大器（6）和微波天线（7），所述声发射传感器阵列（3）布置在被检物体（8）上，所述热像仪（4）的视场覆盖被检物体（8）的待检测区域，所述微波天线（7）对准被检物体（8）的待检测区域，声发射传感器阵列（3）通过声发射检测仪（2）与控制系统（1）电连接，控制系统（1）依次通过微波信号发生器（5）、微波信号放大器（6）与微波天线（7）电连接，控制系统（1）与热像仪（4）电连接。

2.如权利要求1所述的微波热声检测监测系统，其特征在于，声传感器阵列中的声传感器为谐振式声发射传感器、宽频式声发射传感器或超声波传感器。

3.如权利要求1所述的微波热声检测监测系统，其特征在于，所述热像仪（4）为可直接成像的短波热像仪、中波热像仪、长波热像仪中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的微波热声检测监测系统，其特征在于，所述控制系统（1）为以计算机为核心的控制和数据分析系统，能控制声发射检测仪（2）、热像仪（4）和微波信号发生器（5），并能够存储和处理声发射和热成像数据。

5.如权利要求1所述的微波热声检测监测系统，其特征在于，所述微波天线（7）和热像仪（4）位于被检物体（8）的同侧或两侧。

6.一种微波热声检测监测方法，其特征在于，利用如权利要求1至5任一项所述的微波热声检测监测系统，包括以下步骤：

步骤一，将声发射传感器阵列（3）布置于被检物体（8）表面，将热像仪（4）的视场覆盖被检物体（8）的待检测区域；声发射传感器阵列（3）实时采集被检物体（8）中动态缺陷产生的弹性波并通过声发射检测仪（2）发送至控制系统（1）分析和记录，热像仪（4）实时采集被检物体（8）表面的温度变化并发送至控制系统（1）分析和记录；

步骤二，将微波天线（7）对准被检物体（8）的待检测区域，通过控制系统（1）和微波信号发生器（5）设置发射微波的各项参数，微波信号发生器（5）通过微波信号放大器（6）和微波天线（7）把微波发射到被检物体（8）；

步骤三，声发射传感器阵列（3）采集被检物体（8）损伤区域受微波激励后产生的弹性波并通过声发射检测仪（2）发送至控制系统（1）分析和记录；

步骤四，热像仪（4）采集被检物体（8）表面受微波激励后的温度或热变化信号，并发送至控制系统（1）分析和记录；

步骤五，对控制系统（1）上记录的弹性波信号和热信号进行信号处理，提取可表征缺陷属性的特征值；

步骤六，利用特征值和诊断算法对被检对象进行诊断。

7.如权利要求6所述的微波热声检测监测方法，其特征在于，所述步骤二中，微波信号发生器（5）发射微波的各项参数包括频率、功率、脉冲周期、脉冲时间和脉冲次数。

8.如权利要求6所述的微波热声检测监测方法，其特征在于，所述步骤五中，所述信号处理方法包括时域分析、频域分析、相关分析、统计分析、稀疏表示或盲源分离方法。

9.如权利要求6所述的微波热声检测监测方法，其特征在于，所述步骤六中，利用特征值对被检对象进行诊断的方法包括阈值诊断、模糊诊断、专家系统、基于神经网络或支持向量机的模式识别方法。

10.如权利要求6至9任一项所述的微波热声检测监测方法，其特征在于，还包括步骤七，存储弹性波、热信号及诊断结果。