CN109298080B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，本系统包括：主控制器、数模转换器、信号调理模块、模拟多路开关模块、移相器组和传感器；本发明的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方法，能在单控制器产生单路信号的情况下实现阵列式传感器的分时激励功能，使阵列式传感器中单个晶振激发出的信号聚集成一个具有高信噪比、高能量、能在焊缝中远距离传播的超声导波信号。此系统可应用于表面曲率不均、结构复杂的大工件焊缝缺陷检测中，应用前景广阔。
Description
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专用阵列式传感器的分时激励系统及方法。
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，超声探伤法能检测的缺陷很小、速率快、操作简单易行且便于现场检测。但是超声检测法存在盲区，只能检测厚板，且采用的是逐点扫查检测方式，效率很低，不能对复杂结构进行全面、快速检测。
近年来，超声导波检测发展成为一种新方法，超声导波检测技术是利用超声波原理，将激励传感器激励出的超声波入射到目标中，超声波在目标物形成的波导中不断反射和散射，使超声波沿着波导传播，然后再通过接收传感器接收传播的信号，即可检测和表征被测工件的缺陷、几何性质、组织结构和机械力学性能等。此方法弥补了传统检测方法检测效率低的不足，并且能通过一次扫描即可检测到被检工件表面和内部的缺陷。导波传播的距离远，能够检测很大的工件，而且检测的速度快、效率高，因此超声导波检测技术应用前景广阔。
目前，在国外已经出现以导波检测技术为基础的新型管道检测仪，并且已经应用于管道的在役检测中。从国外学者的研究中我们发现，超声导波检测技术不仅具有高效检测能力和可实现长距离在役检测，而且还能运用在例如T型焊板、铁轨、飞机特种零件以及对接焊板中的焊缝等复杂结构中，导波可以在这些复杂结构所形成的波导中传播。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，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；另一方面，对于焊缝结构，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。
中国专利CN206074522U公开了一种相控阵电磁超声方法和装置，该装置包括信号源、通道选通器、集线器、多路信号调理器以及信号的采集与显示等部分，是一种非接触式的超声检测装置，能在高温环境下作业，并解决了普通电磁超声传感器不能实现大角度斜入射检测能量转换效率低等问题。但是此装置采用的是逐点扫描检测方法，不能对焊缝缺陷进行快速、有效的检测。
中国专利CN103293223A公开了一种基于特征导波的对接焊缝无损检测系统，该系统由特征导波收发仪、特征导波换能器和上位机组成，只需在焊缝一端布置传感器即可检测焊缝缺陷。但是由于此系统使用的是单探头传感器，在面对曲率不一的焊缝表面时，传感器与焊缝耦合度低，激励端传感器激发出的信号只有少部分传入焊缝中，不能有效激励与接收超声导波信号，影响检测效果，精度较低。
中国专利CN105395218A公开了一种超声成像系统及方法，包括控制单元、激励单元、探头和超声信号处理单元，此系统将超声探头和B超探头合二为一，通过相关的成像流程和成像算法实现弹性测量和B超模式测量。但是，此系统只适用于弹性成像，而不适合焊缝缺陷检测。
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专用阵列式传感器的分时激励系统及方法，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专用阵列式传感器的分时激励系统，此系统包括：主控制器、数模转换器、信号调理模块、模拟多路开关模块、移相器组和传感器组；
主控制器，所述主控制器是整个系统的核心部分，能产生焊缝特征导波专用阵列式传感器的激励信号，并能提供地址信号和控制信号，控制着整个系统的运作；
数模转换器，所述数模转换器紧接于主控制器后，可将主控制器所产生的数字信号实时转换为模拟信号，为系统提供模拟激励信号；
信号调理模块，所述信号调理模块紧接于数模转换器的输出端，可将模拟信号滤波、放大，滤除信号的高次谐波与干扰信号，提高信号的信噪比，并提高信号的幅值，达到传感器激励信号的要求；
分时激励模组，所述分时激励模组包括模拟多路开关模块、移相器组和传感器组，主要是为了达到分时激励的效果，首先由模拟多路开关模块逐次依据给定的延时时间选通信号通路，并通过移相器组根据每路的延时时间进行精确移相，再将单路信号接入相应的传感器组中，实现分时激励；
模拟多路开关模块，所述模拟多路开关模块具有多路信号选通的作用，在电路中能实现模拟信号的通与断；
移相器组，所述移相器组具有单路信号的相移作用，移相器的数量由传感器中压电片组的组数决定；
传感器，所述传感器由多组压电片组组成，结合所述分时激励模组，使压电片组与组之间产生的信号有一定相位差，结合压电片组在焊缝上的接触点不同而导致的信号时间差，将多个单路信号叠加成一个能量更大的导波信号。
进一步，所述主控制器是FPGA开发板，不仅可以提供激励信号，还可以给所述模拟多路开关模块提供开关选通的地址信号和控制信号，利用计时器产生的延时来逐次控制开关的通断，以达到分时激励的效果。
进一步，所述移相器组中的每一个移相器都由第一阻抗匹配器、一个二阶全通滤波器和第二阻抗匹配器组成，保证移相作用的同时实现能量传输的最大化。
进一步，所述二阶全通滤波器中设计有一个可变电阻器，可通过改变所述可变电阻器的阻值来改变全通滤波器的相移大小，而具体的相移值主要靠所述主控制器对每一路信号设置的延时时间来产生相应的移相控制脉冲。
进一步，可变电阻器由数字电位计与一个微小电阻并联，当数字电位计的阻值改变时，引起可变电阻器阻值的变化大小不仅取决于电位计，也取决于微小电阻，并联的微小电阻的阻值越小，数字电位计阻值改变对可变电阻器的影响越小，对移相器的影响也就越小，这样便可提高数字电位计的分辨率，继而提高移相器的分辨率。
一种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方法，包括以下步骤：
步骤(1)，利用Verilog语言结合FPGA开发板设计产生汉宁窗的调制波，将FPGA的信号并行输出端口与数模转换器的输入端口连接，产生的信号即可经过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，数模转换器的信号输出端口与信号调理模块的输入端口连接，模拟信号进入信号调理模块后，可将信号中的高频杂波滤掉并能将产生的微小信号放大至传感器的激发要求；
步骤(2)，根据压电片组的排列方式，即传感器内压电片组与组之间的排列间隔确定它们所产生信号的时间差，利用FPGA开发板产生地址信信号和控制信号，控制模拟多路开关模块的通断，得以精确的将每一路信号传输到压电片组中；
步骤(3)，根据模拟多路开关模块产生的每一路信号之间的时间差，利用FPGA开发板产生移相控制脉冲，控制移相器中的数字电位计的阻值变化，进而改变移相器的相移值，这样即可达到每路信号之间的延时与移相效果精确吻合；
步骤(4)，将激励传感器与接收传感器放置在焊缝上，激励传感器紧贴于焊缝的一端，接收传感器与激励传感器相距10cm，利用所设计的分时激励系统产生激励信号输入激励传感器中，传感器与焊缝共振产生超声导波，超声导波在焊缝中不断的传播后，经接收传感器接收，并经过采集系统将信号采集、存储，并传输到PC机中分析、处理与显示，即可完成整个分时激励的过程。
本发明的有益效果是：
(1)对于不同曲率表面的焊缝，本发明采用的传感器阵列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；
(2)同时本发明设计的分时激励模组可使位置不同的压电片组产生的信号合成一个能量集中、频散小、模态单一的超声导波信号。
(3)所发明的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，能在单控制器产生单路信号的情况下实现阵列式传感器的分时激励功能，使阵列式传感器中单个晶振激发出的信号聚集成一个具有高信噪比、高能量、能在焊缝中远距离传播的超声导波信号。此系统可应用于表面曲率不均、结构复杂的大工件焊缝缺陷检测中，应用前景广阔。
附图说明
图1为一种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示意图；
图2为一种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结构图；
图3为移相器结构图；
图4为二阶全通滤波器结构图；
其中，1-所设计的分时激励系统；2-上位机；3-焊缝；4-焊板；5-采集系统；6-接收传感器；7-激励传感器；11-主控制器；12-数模转换器；13-信号调理模块；14-分时激励模组；15-传感器；141-模拟多路开关模块；142-移相器组；1421～142n-移相器；151～15n-压电片组；14211-第一阻抗匹配器；14212-二阶全通滤波器；14213-第二阻抗匹配器；R1-可变电阻器；R-数字电位计；R0-微小电阻。
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2所述，一种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，主要包括：主控制器11、数模转换器12、信号调理模块13、分时激励模组14和传感器15；
其中，主控制器11是整个系统的核心部分，能产生焊缝特征导波专用阵列式传感器的激励信号，并能提供地址信号和控制信号，控制着整个系统的运作；数模转换器12紧接于主控制器后，可将主控制器11所产生的数字信号实时转换为模拟信号，为系统提供模拟激励信号；信号调理模块13紧接于数模转换器12的输出端，可将模拟信号滤波、放大，虑除信号的高次谐波与干扰信号，提高信号的信噪比，并提高信号的幅值，达到传感器激励信号的要求；
分时激励模组14包括模拟多路开关模块141和移相器组142，主要是为了达到分时激励的效果，首先由模拟多路开关模块逐次依据给定的延时时间选通信号通路，并通过移相器组142根据每路的延时时间进行精确移相，再将单路信号接入相应的传感器组15中，实现分时激励；模拟多路开关模块141具有多路信号选通的作用，在电路中能实现模拟信号的通与断；移相器组142具有单路信号的相移作用，移相器1421～142n的数量由传感器中压电片组151～15n的组数决定；传感器由多组压电片组151～15n组成，每一个压电片组151～15n产生的信号相同，结合分时激励模组14产生的时间差及移相作用，组成单路信号产生通路。
以FPGA开发板作为主控制器11，不仅可以提供激励信号，还可以给模拟多路开关模块141提供开关选通的地址信号和控制信号，利用计时器产生的延时来逐次控制开关的通断，以达到分时激励的效果。
如图3所述，移相器组142中的每一个移相器1421～142n都由第一阻抗匹配器14211、一个二阶全通滤波器14212和第二阻抗匹配器14213组成，保证移相作用的同时实现能量传输的最大化。
如图4所述，二阶全通滤波器14212中设计有一个可变电阻器R1，可通过改变可变电阻器R1的阻值来改变全通滤波器14212的相移大小，而具体的相移值主要靠主控制器11对每一路信号设置的延时时间来产生相应的移相控制脉冲。具体如下：二阶全通滤波器的传递函数为表达了滤波器的输入与输出间的传递关系，其中，相频特性为/>表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化；品质因数为/>其描述了滤波器分离信号中相邻频率成分能力，品质因数Q越大，表明滤波器的分辨能力越高；固有频率为/>是电路没有损耗时，滤波器的谐振频率；R1和R2都是电路的电阻，C1和C2是电容，A为滤波器的增益。当只改变可变电阻器R1，而其他参数不变时，二阶全通滤波器的相频特性会随可变电阻器R1的变化而发生改变。
可变电阻器R1由数字电位计R与一个微小电阻R0并联，当数字电位计R的阻值改变时，引起可变电阻器R1阻值的变化大小不仅取决于电位计R，也取决于微小电阻R0，并联的微小电阻R0的阻值越小，数字电位计R阻值改变对可变电阻器R1的影响越小，对移相器1421～142n的影响也就越小，这样便可提高数字电位计R的分辨率，继而提高移相器1421～142n的分辨率。
为了使系统达到分时激励的效果，按照下面的设计及实验步骤进行：
步骤(1)，利用Verilog语言结合FPGA开发板设计产生汉宁窗的调制波，将FPGA的信号并行输出端口与数模转换器12的输入端口连接，产生的信号即可经过数模转换器12将数字信号转换为模拟信号，数模转换器12的信号输出端口与信号调理模块13的输入端口连接，模拟信号进入信号调理模块13后，可将信号中的高频杂波滤掉并能将产生的微小信号放大至传感器的激发要求；
步骤(2)，根据压电片组151～15n的排列方式，即传感器15内压电片151～15n组与组之间的排列间隔确定它们所产生信号的时间差，利用FPGA开发板产生地址信信号和控制信号，控制模拟多路开关模块141的通断，得以精确的将每一路信号传输到压电片组中；
步骤(3)，根据模拟多路开关模块141产生的每一路信号之间的时间差，利用FPGA开发板产生移相控制脉冲，控制移相器组142中的数字电位计R的阻值变化，进而改变移相器组142的相移值，这样即可达到每路信号之间的延时与移相效果精确吻合；
步骤(4)，如图1所述，将激励传感器7与接收传感器6放置在焊缝3上，激励传感器7紧贴于焊缝的一端，接收传感器6与激励传感器7相距10cm，利用所设计的分时激励系统1产生激励信号输入激励传感器7中，传感器7与焊缝3共振产生超声导波，超声导波在焊缝3中不断的传播后，经接收传感器6接收，并经过采集系统5将信号采集、存储，并传输到PC机2中分析、处理与显示，即可完成整个分时激励的过程。
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 (4)
1.一种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，其特征在于，包括依次相连的主控制器(11)、数模转换器(12)、信号调理模块(13)、分时激励模组(14)和传感器组(15)；
所述主控制器是FPGA开发板，所述主控制器(11)用于产生特征导波专用阵列式传感器的激励信号，并能提供地址信号和控制信号，控制着整个系统的运作；所述数模转换器(12)紧接于主控制器后，将主控制器(11)所产生的数字信号实时转换为模拟信号，为系统提供模拟激励信号；所述信号调理模块(13)紧接于数模转换器(12)的输出端，将模拟信号滤波、放大，滤除信号的高次谐波与干扰信号，提高信号的信噪比、信号的幅值；所述分时激励模组(14)包括模拟多路开关模块(141)和移相器组(142)，由模拟多路开关模块(141)逐次依据给定的延时时间选通信号通路，并通过移相器组(142)根据每路的延时时间进行精确移相，再将单路信号接入相应的传感器组(15)中，实现分时激励；所述传感器组(15)由多组压电片组组成，结合所述分时激励模组(14)，使压电片组与组之间产生的信号有一定相位差，结合压电片组在焊缝上的接触点不同而导致的信号时间差，将多个单路信号叠加成一个能量更大的导波信号；
所述主控制器(11)具体还包括给所述模拟多路开关模块(141)提供开关选通的地址信号和控制信号，利用计时器产生的延时来逐次控制开关的通断，以实现分时激励；
所述移相器组(142)中的每一个移相器都由第一阻抗匹配器(14211)、一个二阶全通滤波器(14212)和第二阻抗匹配器(14213)串联组成，保证移相作用的同时实现能量传输的最大化；
所述二阶全通滤波器(14212)中设计有一个可变电阻器(R1)，通过改变所述可变电阻器(R1)的阻值来改变二阶全通滤波器(14212)的相移大小，而具体的相移值主要靠所述主控制器(11)对每一路信号设置的延时时间来产生相应的移相控制脉冲；
所述可变电阻器(R1)由数字电位计(R)与一个微小电阻(R0)并联构成，当数字电位计(R)的阻值改变时，引起可变电阻器(R1)阻值的变化大小不仅取决于电位计(R)，也取决于微小电阻(R0)，并联的微小电阻(R0)的阻值越小，数字电位计(R)阻值改变对可变电阻器(R1)的影响越小，对移相器的影响也就越小。
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专用阵列式传感器的分时激励系统，其特征在于，
所述模拟多路开关模块(141)具有多路信号选通，在电路中能实现模拟信号的通与断；所述移相器组(142)具有单路信号的相移作用，包括多个移相器，其数量由传感器中压电片组的组数决定。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种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的分时激励方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，利用主控制器(11)设计产生汉宁窗的调制波，将主控制器(11)的信号并行输出端口与数模转换器(12)的输入端口连接，产生的信号即可经过数模转换器(12)将数字信号转换为模拟信号，数模转换器(12)的信号输出端口与信号调理模块(13)的输入端口连接，模拟信号进入信号调理模块(13)后，可将信号中的高频杂波滤掉并能将产生的微小信号放大至传感器的激发要求；
步骤2)，根据压电片组的排列方式，即传感器组(15)内压电片组与组之间的排列间隔确定它们所产生信号的时间差，利用主控制器(11)产生地址信号和控制信号，控制模拟多路开关模块(141)的通断，得以将每一路信号传输到压电片组中；
步骤3)，根据模拟多路开关模块(141)产生的每一路信号之间的时间差，利用主控制器(11)产生移相控制脉冲，控制移相器组(142)中的可变电阻器(R1)的阻值变化，进而改变移相器组(142)的相移值，这样即可达到每路信号之间的延时与移相效果吻合；
步骤4)，将激励传感器(7)与接收传感器(6)放置在焊缝(3)上，激励传感器(7)紧贴于焊缝的一端，接收传感器(6)与激励传感器(7)保持一定相距，利用所设计的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(1)产生激励信号输入激励传感器(7)中，激励传感器(7)与焊缝(3)共振产生超声导波，超声导波在焊缝(3)中不断的传播后，经接收传感器(6)接收，并经过采集系统(5)将信号采集、存储，并传输到PC机(2)中分析、处理与显示，即可完成整个分时激励的过程；
具体如下：二阶全通滤波器(14212)的传递函数为表达了滤波器的输入与输出间的传递关系，其中，相频特性为/> 表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化；品质因数为/> 其描述了滤波器分离信号中相邻频率成分能力，品质因数Q越大，表明滤波器的分辨能力越高；固有频率为/>是电路没有损耗时，滤波器的谐振频率；R1和R2都是电路的电阻，C1和C2是电容，A为滤波器的增益，当只改变可变电阻器R1，而其他参数不变时，二阶全通滤波器的相频特性会随可变电阻器R1的变化而发生改变；
可变电阻器R1由数字电位计R与一个微小电阻R0并联，当数字电位计R的阻值改变时，引起可变电阻器R1阻值的变化大小不仅取决于电位计R，也取决于微小电阻R0，并联的微小电阻R0的阻值越小，数字电位计R阻值改变对可变电阻器R1的影响越小，对移相器(1421～142n)的影响也就越小，这样便可提高数字电位计R的分辨率，继而提高移相器(1421～142n)的分辨率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述移相器组(142)中的每一个移相器都由第一阻抗匹配器(14211)、一个二阶全通滤波器(14212)和第二阻抗匹配器(14213)串联组成。
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