CN107748200B - 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法 - Google Patents

一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107748200B
CN107748200B CN201710712559.0A CN201710712559A CN107748200B CN 107748200 B CN107748200 B CN 107748200B CN 201710712559 A CN201710712559 A CN 201710712559A CN 107748200 B CN107748200 B CN 107748200B
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
sensor
detection
electrode layer
weld
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710712559.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107748200A (zh
Inventor
许桢英
洪红
张孝龙
杜晗
万东燕
王匀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yunshuo IOT Technology (Shanghai) Co.,Ltd.
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201710712559.0A priority Critical patent/CN107748200B/zh
Priority to PCT/CN2017/100108 priority patent/WO2019033466A1/zh
Priority to US16/074,034 priority patent/US11156587B2/en
Publication of CN107748200A publication Critical patent/CN107748200A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107748200B publication Critical patent/CN107748200B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4445—Classification of defects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/043—Analysing solids in the interior, e.g. by shear waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/265—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4463—Signal correction, e.g. distance amplitude correction [DAC], distance gain size [DGS], noise filtering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0425—Parallel to the surface, e.g. creep waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/267—Welds

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法。传感器由多个压电单元构成矩阵，排列在柔性衬底上；每个压电单元上覆盖阻尼块，周围填充吸声材料，传感器外壳以柔性保护膜封装；所有压电单元正极引线串联一个逻辑开关和延时器后，并联至正极总线。压电单元分三种类别，分别激发三种不同模式导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，实现互补。该传感器通过逻辑开关选择不同的压电阵列检测方式，且适应不同曲率表面和结构的焊缝检测需求；延时器调节激励时间差，实现声束的合成与聚焦。该传感器结构简单、适应性强、检测效率高，尤其适用于大型设备长距离焊缝的快速在役检测，自动化程度高。

Description

一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及 检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法。
背景技术
焊接是生活中常见的生产工艺，在现代工业生产中具有十分重要的作用，它是很多大型结构如压力容器、船舶、海洋平台等制造的关键技术。据统计，在压力容器制造中，焊接工作量占总工作量的30％以上，因此焊接质量对结构质量和使用安全可靠性有直接影响。
超声检测是目前应用最为广泛的焊缝无损检测方法之一，与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、对人体无害以及便于现场检测等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。但是，这种技术定量判断缺陷的性质难度较大，由于它是采用扫查的方式，检测效率不高，因此难以满足当今社会对大型复杂结构进行全面、快速检测的需求。
近年来，超声导波检测发展成为一种新方法，它利用了超声导波与被检工件的相互作用，根据超声波的反射、透射和散射行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征。与传统的超声波检测技术相比，超声导波具有传播距离远、检测速度快的优点，并且接收到的信号中包含有激励和接收两点间结构整体性的信息，因而具有十分广阔的应用前景。
目前，以超声导波检测技术为代表的新型管道导波检测仪在国外已经进入了实用阶段，由于其检测缺陷的高效率并且能实现在役检测，代表了管道缺陷检测技术新的发展方向，所以超声导波检测的应用也会越来越广泛。从一些国内外学者的研究中发现，超声导波不仅仅存在于管道、圆管等简单结构中，对于一些形状复杂的T型焊板、铁轨以及对接焊板中的焊缝等特征部位也能在结构中形成波导并沿着特征部位传播，这为研究导波在焊缝检测中的应用提供了理论依据，也让我们看到了超声导波在焊缝缺陷检测应用中的广阔前景。由于基于特征导波的焊缝缺陷检测技术研究还不成熟，目前国内外专用的焊缝特征导波检测传感器依然较少，一方面，对于管道、铁轨等一维结构，传感器接收信号的回波较干净，而对于焊缝等二维结构，特征导波固有的多模态及频散特性使得回波波形十分复杂，因此如何激励模态单一、能量反射率高的导波信号成为一个难点，同时还需兼顾不同模式导波对不同类型缺陷的敏感程度；另一方面，由于焊缝结构具有多样性，不同厚度焊接件的焊缝表面曲率不一、焊缝宽度也各不相同，为了增加传感器与不同焊缝结构的耦合度，对传感器的结构也提出了更高的要求。
中国专利CN106706178A公开了一种多维杆结构的阵列式压力传感器及集成方法，包括多个多维杆和导线，该传感器可以监测结构应力应变的变化实现对结构发生破坏的部位的检测，该传感器适用于受压结构检测而不适用于焊缝检测。
中国专利CN103977949A公开了一种柔性梳状导波相控阵换能器，该换能器可以在曲面板或管内激励接收导波，并通过相控延时实现导波声束的偏转与聚焦，适用于变曲率曲面板和管类零件的缺陷检测。对于焊缝检测，它应焊缝长度和宽度变化而可调的适应性较弱，且阵列检测方式较为单一，对不同焊缝结构的检测灵敏度有待改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法，解决了传统焊缝缺陷检测技术检测精度低、适应性差的问题。
一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，所述传感器由多个压电单元构成矩形阵列，排列在柔性衬底上；所述每个压电单元上部覆盖一层阻尼块，所述阻尼块上部及所述压电单元周围填充为吸声材料，所述传感器最外层以柔性保护膜封装；
所有所述压电单元的负电极层引线并联连接至负极总线上，所有所述压电单元的正电极层引线各串联一个逻辑开关和一个延时器后，并联连接至正极总线上，所述正极总线和负极总线分别由正极接口和负极接口引出，与外部设备相连。
进一步，每个所述压电单元为长条形，由正电极层、负电极层和压电层组成，所述压电层被正电极层和负电极层呈上下或左右夹持。
进一步，所述压电层为压电陶瓷或压电复合材料，所述正电极层和负电极层为银、铜、金、铂等材料。
进一步，所述压电单元分为三种类别，分别激发三种不同模式的导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，可实现互补：
种类一，所述压电单元以宽度方向为极化方向，正电极层和负电极层位于与长度方向垂直的左侧面和右侧面，与压电层呈左右夹持；所述压电单元的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2；
种类二，所述压电单元以宽度方向为极化方向，正电极层和负电极层位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层呈上下夹持；所述压电单元的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2；
种类三，所述压电单元以厚度方向为极化方向，同时正电极层和负电极层位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层呈上下夹持；所述压电单元的尺寸满足：(长度/厚度)2≥10，(长度/宽度)2≥10。
进一步，所述柔性衬底为声透射系数大的柔性薄膜材料，同时对压电单元起固定和保护作用，检测时所述柔性衬底成一定曲率与被检焊缝的上表面紧密粘合。
进一步，所述阻尼块由环氧树脂复合材料制成，与压电单元的声阻抗匹配，起减振作用；所述吸声材料采用柔性吸声填充物，用于吸收干扰杂波，同时起固定压电单元、阻尼块及各种电缆线的作用。
进一步，所述逻辑开关用于控制所串联压电单元的工作和不工作状态，通过开启和闭合所述逻辑开关实现不同压电阵列检测方式的选择，如一字形、T字形、矩形阵列等，同时适应不同宽度和长度被检焊缝的检测需求。
进一步，所述延时器可调节各压电单元的激励时间差，实现声束的合成与聚焦。
一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器检测方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将两个所述传感器与板材的被检焊缝的上端面紧密粘合，所述传感器的压电单元的长度方向与被检焊缝的长度方向平行，靠近被检焊缝的端面的传感器作为激励传感器，另一个作为接收传感器，所述激励传感器与接收传感器之间间距大于10cm，所述激励传感器的正极接口连接信号发生器的信号输出端口，所述接收传感器的正极接口连接前置放大器，所述前置放大器连接滤波电路，所述滤波电路连接信号采集通信板卡，所述信号采集通信板卡连接上位机，所述上位机中装有多通道数据处理分析软件，用于分析信号，提取缺陷信息；
步骤(2)，检测前，首先设置所述激励传感器的逻辑开关，选择压电阵列检测方式，设置激励传感器的延时器，提高声束的一致性；接着设置所述接收传感器的逻辑开关及延时器，使其中一个压电单元工作，作为信号接收点；
步骤(3)，检测时，打开所述信号发生器，产生汉宁窗调制波作为激励信号给激励传感器，所述激励传感器在被检焊缝中产生导波信号并沿着被检焊缝传播，反射信号被接收传感器接收，经过前置放大器和滤波电路的信号放大、滤波后，由所述信号采集通信板卡进行A/D采集、记录，并输送给上位机，至此第一组数据采集完成；
步骤(4)，改变所述接收传感器的逻辑开关及延时器，使另一个压电单元工作，作为信号接收点，重复步骤(3)采集第二组数据。以此类推，采集第N组数据；
步骤(5)，利用所述上位机中的多通道数据处理分析软件，对多组信号进行分析，提取缺陷信息并生成检测报告；
步骤(6)，检测完成，整理仪器。
本发明的有益效果是：
(1)对于不同曲率表面和结构的焊缝，本发明采用的柔性设计能与被检焊缝的上表面紧密粘合，适应具有不同曲率表面的焊缝的需求，同时本发明设计的传感器具有多个逻辑开关，可通过选择所串联压电单元的工作和不工作状态适应不同宽度焊缝检测的需求，通过增加压电单元个数适应长距离焊缝检测对能量的需求。
(2)本发明设计的传感器的压电单元分为三种类别，分别激发三种不同模式的导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，可实现互补，提高缺陷检测精度，尤其是针对工业生产中最易出现的不同生长方向和不同位置的裂纹缺陷检测。
(3)本发明设计的传感器的压电阵列检测方式可选，如一字形、T字形、矩形等阵列，对不同焊缝结构的检测灵敏度可调，同时结合延时器可调节激励时间差，实现声束的合成与聚焦。
(4)本发明采取的检测方法可采集不同接收点的多组数据，利用上位机的多通道数据处理分析软件进行分析和对比，可提高缺陷检测精度，操作简单方便。
附图说明
图1为一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器的结构示意图，(a)为三维立体剖视图；(b)为二维平面前视图(内部结构)；
图2为第一种压电单元的结构示意图和激励波形图(所述压电单元以宽度方向为极化方向，正电极层和负电极层位于与长度方向垂直的左侧面和右侧面)；
图3为第二种压电单元的结构示意图和激励波形图(所述压电单元以宽度方向为极化方向，正电极层和负电极层位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面)；
图4为第三种压电单元的结构示意图和激励波形图(所述压电单元以厚度方向为极化方向，同时正电极层和负电极层位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面)；
图5为竖一字形压电阵列检测方式传感器工作示意图；
图6为横一字形压电阵列检测方式传感器工作示意图；
图7为T字形压电阵列检测方式传感器工作示意图；
图8为矩形压电阵列检测方式传感器工作示意图；
图9为一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器检测系统示意图；
图10为利用本发明一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法检测时，由上位机7绘制的接收信号波形图；
其中，1-板材；2-被检焊缝；3-信号发生器；4-前置放大器；5-滤波电路；6-信号采集通信板卡；7-上位机；8-传感器；81-激励传感器；82-接收传感器；801-压电单元；802-阻尼块；803-柔性衬底；804-吸声材料；805-柔性保护膜；806-负电极层引线；807-正电极层引线；808-负极总线；809-正极总线；810-逻辑开关；811-延时器；812-负极接口；813-正极接口；814-负电极层；815-正电极层；816-压电层；817-极化方向。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，由多个压电单元801构成矩形阵列，排列在柔性衬底803上；每个压电单元801上部覆盖一层阻尼块802，阻尼块802上部及压电单元801周围填充为吸声材料804，传感器8最外层以柔性保护膜805封装；
所有压电单元801的负电极层引线806并联连接至负极总线808上，所有压电单元的正电极层引线807各串联一个逻辑开关810和一个延时器811后，并联连接至正极总线809上，正极总线809和负极总线808分别由正极接口813和负极接口812引出，与外部设备相连。
每个压电单元801为长条形，由正电极层815、负电极层814和压电层816组成，压电层816被正电极层815和负电极层814呈上下或左右夹持。
压电层816为压电陶瓷或压电复合材料，本发明优选采用PZT-5压电陶瓷材料作为压电元件，正电极层815和负电极层814为银、铜、金、铂等材料，本发明优选采用银作为电极层。
压电单元801分为三种类别，分别激发三种不同模式的导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，可实现互补：
种类一，如图2所示，压电单元801以宽度方向为极化方向817，正电极层815和负电极层814位于与长度方向垂直的左侧面和右侧面，与压电层816呈左右夹持；压电单元801的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2，本发明优选采用长*宽*厚为12mm*6mm*1mm。该类压电单元在交变电场激励下，可产生质点位移沿宽度方向，波沿长度方向传播的横波，该类横波对于孔洞、轴向裂纹等缺陷的检测灵敏度较高；
种类二，如图3所示，压电单元801以宽度方向为极化方向817，正电极层815和负电极层814位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层816呈上下夹持；压电单元801的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2，本发明优选采用长*宽*厚为12mm*6mm*1mm。该类压电单元在交变电场激励下，可产生质点位移沿宽度方向，波沿厚度方向传播的横波，该类横波对于孔洞、深度方向裂纹等缺陷的检测灵敏度较高；
种类三，如图4所示，压电单元801以厚度方向为极化方向817，同时正电极层815和负电极层814位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层816呈上下夹持；压电单元801的尺寸满足：(长度/厚度)2≥10，(长度/宽度)2≥10，本发明优选采用长*宽*厚为30mm*5mm*1mm。该类压电单元在交变电场激励下，可产生质点位移和波均沿长度方向传播的纵波，该类纵波可弥补以上两种横波对于周向裂纹缺陷的检测灵敏度较差的不足。
本实施例以第一类压电单元为例进行焊缝缺陷检测，所选尺寸长*宽*厚为12mm*6mm*1mm，当压电单元801的长度方向与被检焊缝2的长度方向平行布置时，该类压电单元在交变电场激励下，产生沿着焊缝长度方向且集中于焊缝中传播的导波，该类横波对孔洞、轴向裂纹等缺陷较为敏感。
柔性衬底803为声透射系数大的柔性薄膜材料，同时对压电单元801起固定和保护作用，检测时柔性衬底803成一定曲率与被检焊缝2的上表面紧密粘合。
阻尼块802由环氧树脂复合材料制成，与压电单元801的声阻抗匹配，起减振作用。吸声材料804采用柔性吸声填充物，用于吸收干扰杂波，同时起固定压电单元801、阻尼块802及各种电缆线的作用。
逻辑开关810用于控制所串联压电单元801的工作和不工作状态，通过开启和闭合逻辑开关810实现不同压电阵列检测方式的选择，如一字形、T字形、矩形阵列等，同时根据不同宽度和长度被检焊缝的检测需求进行优选，各压电阵列检测方式传感器工作示意图如图5-图8所示。
延时器811可调节各压电单元801的激励时间差，实现声束的合成与聚焦。
如图9所示，本实施例中板材1为两块尺寸为600mm*600mm*5mm的245钢进行对接焊，焊接方式为自动埋弧焊，被检焊缝2长600mm、宽24mm、上下两面余高均为2mm。根据被检焊缝2的宽度及所选压电单元801的尺寸，本发明优选采用3行*3列的T字形压电阵列检测方式，如图7所示。
工作过程：为了检测被检焊缝中是否存在缺陷，下面按下列步骤进行无损检测：
步骤(1)，将两个传感器8与板材1的被检焊缝2的上端面紧密粘合，传感器8的压电单元801的长度方向与被检焊缝2的长度方向平行布置，靠近被检焊缝2的端面的传感器作为激励传感器81，另一个作为接收传感器82，激励传感器81与接收传感器82之间间距取为150mm。激励传感器81的正极接口813连接信号发生器3的信号输出端口，接收传感器82的正极接口813连接前置放大器4，前置放大器4连接滤波电路5，滤波电路5连接信号采集通信板卡6，信号采集通信板卡6连接上位机7，上位机7中装有多通道数据处理分析软件，用于分析信号，提取缺陷信息；
步骤(2)，检测前，首先设置激励传感器81的逻辑开关810，选择T形压电阵列检测方式，设置激励传感器81的延时器811均为0；接着设置接收传感器82的逻辑开关810，选择第一列第一个压电单元工作，作为信号接收点1；
步骤(3)，检测时，打开信号发生器3，产生20周期的汉宁窗调制波作为激励信号给激励传感器81，激励信号中心频率为200KHz，激励传感器81在被检焊缝2中产生导波信号并沿着被检焊缝2传播，反射信号被接收传感器82接收，经过前置放大器4和滤波电路5的信号放大、滤波后，由采样率为5MHz及以上的信号采集通信板卡6进行A/D采集、记录，并输送给上位机7，至此第一组数据采集完成；
步骤(4)，改变接收传感器82的逻辑开关810，选择第一列第二个压电单元801工作，作为信号接收点2，重复步骤(3)采集第二组数据。以此类推，采集第5组数据；
步骤(5)，利用上位机7中的多通道数据处理分析软件，对多组信号进行分析，提取缺陷信息并生成检测报告；
步骤(6)，检测完成，整理仪器。
利用本发明一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法检测，由上位机7绘制的接收信号波形图如图10所示，采用3行*3列的T字形压电阵列检测方式，共5组数据，由图可知，所有波形的直达波和端面回波都清晰可见，且之间没有其它波包出现，可初步判定该被检焊缝2中不存在缺陷。进一步分析结果可由上位机7中的多通道数据处理分析软件得出。
综上，本发明公开了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法。传感器由多个压电单元构成矩阵，排列在柔性衬底上；每个压电单元上覆盖阻尼块，周围填充吸声材料，传感器外壳以柔性保护膜封装；所有压电单元正极引线串联一个逻辑开关和延时器后，并联至正极总线。压电单元分三种类别，分别激发三种不同模式导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，实现互补。该传感器通过逻辑开关选择不同的压电阵列检测方式，如一字形、T字形、矩形等，且适应不同曲率表面和结构的焊缝检测需求；延时器调节激励时间差，实现声束的合成与聚焦。该传感器结构简单、适应性强、检测效率高，尤其适用于大型设备长距离焊缝的快速在役检测，自动化程度高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，传感器(8)由多个压电单元(801)构成矩形阵列，排列在柔性衬底(803)上；每个所述压电单元(801)上部覆盖一层阻尼块(802)，所述阻尼块(802)上部及所述压电单元(801)周围填充有吸声材料(804)；所述传感器(8)最外层以柔性保护膜(805)封装；
所有所述压电单元(801)的负电极层引线(806)并联连接至负极总线(808)上，所有所述压电单元(801)的正电极层引线(807)各串联一个逻辑开关(810)和一个延时器(811)后，并联连接至正极总线(809)上，所述正极总线(809)和负极总线(808)分别由正极接口(813)和负极接口(812)引出，与外部设备相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，每个所述压电单元(801)为长条形，由正电极层(815)、负电极层(814)和压电层(816)组成，所述压电层(816)被正电极层(815)和负电极层(814)呈上下或左右夹持。
3.根据权利要求2所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述压电层(816)为压电陶瓷或压电复合材料，所述正电极层(815)和负电极层(814)为银、或铜、或金、或铂。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述压电单元(801)分为三种类别，分别激发三种不同模式的导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，可实现互补：
种类一，所述压电单元(801)以宽度方向为极化方向(817)，正电极层(815)和负电极层(814)位于与长度方向垂直的左侧面和右侧面，与压电层(816)呈左右夹持；所述压电单元(801)的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2；
种类二，所述压电单元(801)以宽度方向为极化方向(817)，正电极层(815)和负电极层(814)位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层(816)呈上下夹持；所述压电单元(801)的尺寸满足：长度/厚度≥10，长度/宽度≥2；
种类三，所述压电单元(801)以厚度方向为极化方向(817)，同时正电极层(815)和负电极层(814)位于与厚度方向垂直的上顶面和下底面，与压电层(816)呈上下夹持；所述压电单元(801)的尺寸满足：(长度/厚度)2≥10，(长度/宽度)2≥10。
5.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述柔性衬底(803)为声透射系数大的柔性薄膜材料，检测时所述柔性衬底(803)成一定曲率与被检焊缝(2)的上表面紧密粘合。
6.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述阻尼块(802)由环氧树脂复合材料制成，与压电单元(801)的声阻抗匹配；所述吸声材料(804)采用柔性吸声填充物。
7.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述逻辑开关(810)用于控制所串联压电单元(801)的工作和不工作状态，通过开启和闭合所述逻辑开关(810)实现不同压电阵列检测方式的选择，包括一字形、T字形、矩形阵列，同时适应不同宽度和长度被检焊缝(2)的检测需求。
8.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器，其特征在于，所述延时器(811)可调节各压电单元(801)的激励时间差，实现声束的合成与聚焦。
9.一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将两个传 感器(8)与板材(1)的被检焊缝(2)的上端面紧密粘合，所述传感器(8)的压电单元(801)的长度方向与被检焊缝(2)的长度方向平行，靠近被检焊缝(2)的端面的传感器作为激励传感器(81)，另一个作为接收传感器(82)，所述激励传感器(81)与接收传感器(82)之间间距大于10cm，所述激励传感器(81)的正极接口(813)连接信号发生器(3)的信号输出端口，所述接收传感器(82)的正极接口(813)连接前置放大器(4)，所述前置放大器(4)连接滤波电路(5)，所述滤波电路(5)连接信号采集通信板卡(6)，所述信号采集通信板卡(6)连接上位机(7)，所述上位机(7)中装有多通道数据处理分析软件，用于分析信号，提取缺陷信息；
步骤2，检测前，首先设置所述激励传感器(81)的逻辑开关(810)，选择压电阵列检测方式，设置激励传感器(81)的延时器(811)，提高声束的一致性；接着设置所述接收传感器(82)的逻辑开关(810)及延时器(811)，使其中一个压电单元(801)工作，作为信号接收点；
步骤3，检测时，打开所述信号发生器(3)，产生汉宁窗调制波作为激励信号给激励传感器(81)，所述激励传感器(81)在被检焊缝(2)中产生导波信号并沿着被检焊缝(2)传播，反射信号被接收传感器(82)接收，经过前置放大器(4)和滤波电路(5)的信号放大、滤波后，由所述信号采集通信板卡(6)进行A/D采集、记录，并输送给上位机(7)，至此第一组数据采集完成；
步骤4，改变所述接收传感器(82)的逻辑开关(810)及延时器(811)，使另一个压电单元(801)工作，作为信号接收点，重复步骤3采集第二组数据；以此类推，采集第N组数据；
步骤5，利用所述上位机(7)中的多通道数据处理分析软件，对多组信号进行分析，提取缺陷信息并生成检测报告；
步骤6，检测完成，整理仪器。
CN201710712559.0A 2017-08-18 2017-08-18 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法 Active CN107748200B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710712559.0A CN107748200B (zh) 2017-08-18 2017-08-18 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
PCT/CN2017/100108 WO2019033466A1 (zh) 2017-08-18 2017-09-01 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
US16/074,034 US11156587B2 (en) 2017-08-18 2017-09-01 Flexible sensor with piezoelectric array applied for weld defect detection based on feature guided waves and its testing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710712559.0A CN107748200B (zh) 2017-08-18 2017-08-18 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107748200A CN107748200A (zh) 2018-03-02
CN107748200B true CN107748200B (zh) 2019-10-01

Family

ID=61254676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710712559.0A Active CN107748200B (zh) 2017-08-18 2017-08-18 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11156587B2 (zh)
CN (1) CN107748200B (zh)
WO (1) WO2019033466A1 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107748200B (zh) * 2017-08-18 2019-10-01 江苏大学 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
CN108732246B (zh) * 2018-05-23 2020-12-18 江苏大学 一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器的设计
CN109298080B (zh) * 2018-10-31 2023-12-15 江苏大学 基于特征导波的焊缝缺陷检测专用阵列式传感器的分时激励系统及方法
CN109580780A (zh) * 2018-12-14 2019-04-05 天津工业大学 手持式敲击检测仪及检测方法
GB2582826B (en) * 2019-04-05 2021-09-08 Guided Ultrasonics Ltd Ultrasonic sensor for guided wave testing
CN110208387B (zh) * 2019-05-23 2021-11-23 江苏大学 一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法
CN110618200B (zh) * 2019-08-28 2022-04-26 江苏大学 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头
CN111487326A (zh) * 2020-05-13 2020-08-04 中国飞机强度研究所 一种可修复式压电传感器柔性夹层
CN111766300B (zh) * 2020-07-17 2023-02-14 中国计量大学 一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法
US11843915B2 (en) 2021-08-20 2023-12-12 Massachusetts Institute Of Technology Active piezoelectric sheet with piezoelectric microstructures
CN113686969B (zh) * 2021-09-08 2022-11-08 东南大学 车载储氢气瓶结构健康在线监测系统和监测方法
CN113870256B (zh) * 2021-12-01 2022-02-11 成都数之联科技有限公司 Pcb板缺陷评估方法、装置、设备及介质
CN114577907B (zh) * 2021-12-31 2022-11-08 哈尔滨工业大学（深圳） 一种曲面板构件损伤检测方法、系统及存储介质
CN117233263B (zh) * 2023-11-15 2024-02-06 中北大学 用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103977949A (zh) * 2014-05-30 2014-08-13 北京理工大学 一种柔性梳状导波相控阵换能器
CN106198725A (zh) * 2016-06-22 2016-12-07 江苏大学 一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6429650B1 (en) * 1999-03-17 2002-08-06 Southwest Research Institute Method and apparatus generating and detecting torsional wave inspection of pipes or tubes
US6373245B1 (en) * 1999-03-17 2002-04-16 Southwest Research Institute Method for inspecting electric resistance welds using magnetostrictive sensors
CN101666783A (zh) * 2008-09-01 2010-03-10 中国科学院金属研究所 超声导波复合式无损检测方法及其装置
CN202285038U (zh) * 2011-10-29 2012-06-27 华北电力大学（保定） 一种适用于局部放电检测的超声阵列传感器
CN106706178A (zh) 2017-02-28 2017-05-24 杨力 一种多维杆结构的阵列式压力传感器及集成方法
CN107748200B (zh) * 2017-08-18 2019-10-01 江苏大学 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103977949A (zh) * 2014-05-30 2014-08-13 北京理工大学 一种柔性梳状导波相控阵换能器
CN106198725A (zh) * 2016-06-22 2016-12-07 江苏大学 一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR WELD DEFEC DETECTION BASED ON FIRST-ORDER SHEAR HORIZONTAL(SH1) MODE;Zhen-ying XU等;《2015 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications》;20151102;第251-255页 *
一种用于焊缝检测的压电式特征导波传感器;洪红等;《仪表技术与传感器》;20160331(第3期);第10-13页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107748200A (zh) 2018-03-02
US20210208104A1 (en) 2021-07-08
US11156587B2 (en) 2021-10-26
WO2019033466A1 (zh) 2019-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107748200B (zh) 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
CN103852492B (zh) 基于压电陶瓷的预应力管道压浆密实性监测方法
CN110243935A (zh) 一种gis环氧绝缘内部缺陷超声检测方法及系统
CN202256264U (zh) 检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置
CN208255152U (zh) 超声涡流复合无损检测的柔性探头
WO2020232630A1 (zh) 一种可调节接触力型超声导波损伤检测系统
CN108088913B (zh) 用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头及其探伤方法
CN102507744A (zh) 一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置及方法
CN102661995A (zh) 一种电磁超声与漏磁复合的检测方法
CN106404911A (zh) 用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统
CN107228903A (zh) 一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵及其制作方法
CN207689438U (zh) 用于钢轨探伤的超声导波斜探头
CN103235046A (zh) 一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷方法
CN107576384A (zh) 起重装备裂纹Lamb波在线监测系统与方法
CN106124623A (zh) 金属薄板微裂纹识别与定位系统及基于该系统的检测方法
CN109959711B (zh) 基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法及系统
CN108008021B (zh) 用于钢轨探伤的超声导波斜探头及其探伤方法
CN201724930U (zh) 多通道超声波探伤仪器系统
CN107907592A (zh) 一种用于带电作业绝缘棒的超声检测装置
CN104535659A (zh) 一种超声平面矩形天线阵列
CN209310963U (zh) 一种钢轨轨头纵向应力检测装置
CN106053612A (zh) 用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法
CN203117167U (zh) 公路钢桥用超声波检测装置
CN1268922C (zh) 海洋平台结构缺陷的电磁导波检测装置和方法
CN212341109U (zh) 一种用于涡轮机叶片边缘缺陷导波检测的装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210207

Address after: 226001 room 1002, Huali building, No.6 Gongnong Road, Chongchuan District, Nantong City, Jiangsu Province

Patentee after: Nantong Ningjing Information Technology Co.,Ltd.

Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301

Patentee before: JIANGSU University

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210823

Address after: 201799 room 1252, zone a, 12 / F, block B, No. 1-72, Lane 2855, Huqingping highway, Zhaoxiang Town, Qingpu District, Shanghai

Patentee after: Yunshuo IOT Technology (Shanghai) Co.,Ltd.

Address before: 226001 room 1002, Huali building, No.6 Gongnong Road, Chongchuan District, Nantong City, Jiangsu Province

Patentee before: Nantong Ningjing Information Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right