CN109374735A - 一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法，属于材料力学性能测量及结构质量健康监测领域。利用O型过孔橡胶塞及热熔胶将激励换能器与接收换能器固定于密封水缸侧壁孔洞处，完成对液浸检测环境的密封与信号传播路径的定位，将与多厚度板材夹具连接的高精度旋转平台固定在密封水缸底部，令其中轴线与信号传播重合，再通过信号激励源及信号采集模块完成对液浸条件下板结构的斜入射透射系数超声无损检测。本发明操作便捷、具有可靠性高、准确性好及实用性强等特性，测得结果可满足材料力学性能表征及结构质量健康监测等需求。

Description

一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法
技术领域
本发明属于结构质量健康监测与力学性能测量领域，提供一种适用于板结构斜入射透射系数的液浸超声检测方法。
背景技术
随着现代工业的发展，板材因具有延伸率高、可塑性好、使用灵活便利等优点，而被广泛应用于航空航天、机械制造、生物医学等领域。然而，板材在恶劣环境应用中也伴随着性能失效及腐蚀损伤的风险，这会带来经济损失和安全隐患。因此，对板材的力学性能测量及结构质量健康监测成为了亟待解决的问题。
超声波入射不同材料结构板材产生的透射波会携带其力学性能及结构质量健康信息，因此对其透射特性的研究是具有应用价值的。本发明通过非聚焦水浸超声传感器“一激一收”的方式，获取脉冲波斜入射板材的透射信号与未经过板材的参考信号，分析二者关系并进行数据处理，得到被测板材的透射系数，并可借此完成其力学性能的定征及结构质量健康的监测。
由于声波自身频率越高能量衰减越严重，频率过低又不能有效表征被测板材力学特性，因此选择衰减较小的液浸环境作为检测系统搭建环境，并借助高精度旋转平台实现透射系数的斜入射多角度测量，最终获得不同入射角度下准确性更高且覆盖性更广的透射系数测量结果。
发明内容
本发明针对板材力学性能无损检测及结构质量健康监测问题，提供一种板结构斜入射透射系数的液浸超声检测方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：板结构斜入射透射系数的液浸超声检测方法，应用该方法的系统包括信号激励源、检测平台、信号采集模块等部分，信号激励源通过激励换能器与检测平台连接，检测平台通过接收换能器将信号输入到信号采集模块，最终通过处理实现对板结构斜入射透射系数的超声检测功能。
检测平台包括激励换能器(2)、接收换能器(7)、密封防水装置(3)、高精度旋转平台(4)、多厚度板材夹具(5)及密封水缸(6)。中心频率均为1MHz的激励换能器(2)与接收换能器(7)均与密封防水装置(3)中采用聚丙烯酸脂橡胶(ACM)制成的O型过孔密封塞相连，并通过以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)制成的热熔胶固定在密封水缸(6)的侧壁孔洞处，完成对液浸检测环境的密封与信号传播路径的定位。用螺钉将最小精度为0.2°的铝合金高精度旋转平台(4)固定在密封水缸(6)底部中心，不锈钢多厚度板材夹具(5)固定在高精度旋转平台(4)上。
信号激励源通过任意函数发生器与电压放大器控制输入信号，可实现多种类、多频率及多周期信号的输入，借助连接线可使激励换能器(2)得到符合检测需求的信号。信号采集模块通过数字示波器的数据采集及终端计算机的数据处理，最终可以得到被测板材的透射时域信号及参考时域信号。
液浸环境下透射时域信号超声检测方法如下，将被测板材(8)放置于激励换能器(2)与接收换能器(7)的信号传播路径内，使其厚度方向与信号传播路径重合，并用多厚度板材夹具(5)固定被测板材(8)，令其在该厚度方向下中心点到激励换能器(2)与接收换能器(7)的距离相等。接下来向密封水缸(6)中注入水，构建超声信号衰减较小的水浸环境(1)，通过对高精度旋转平台(4)的粗调(360°)及细调(±5°)得到预期的信号斜入射角度。利用信号采集模块得到的接收换能器(7)输出信号，经过滤波及分析处理得到有效的透射时域信号。
液浸环境下参考时域信号超声检测方法如下，因信号传播距离及路径相同，能测量无被测板材(8)状态下的时域接收信号——参考时域信号，并将参考时域信号作为求解透射系数的重要依据。在无被测板材(8)状态下，将激励换能器(2)与接收换能器(7)对向放置于密封水缸(6)侧壁的孔洞，提取从接收换能器(7)传来的直达激励信号，经过对直达激励信号的滤波及分析处理得到有效的参考时域信号。
液浸环境下板材透射系数求解方法如下，分别将透射时域信号与参考时域信号进行滤波处理与傅里叶变换，得到斜入射条件下的透射频域信号与参考频域信号，通过斜入射条件下的透射频域信号与参考频域信号对应点的比值，建立被测板材(8)斜入射透射系数的频率-幅值二维系数谱。
本发明具有以下优点：
1、采用超声信号衰减较小的液浸环境进行测量，保证测量结果准确性；
2、在控制变量的情况下采用参考信号，极大降低了环境的干扰；
3、由高精度旋转平台控制信号斜入射角度，使透射系数求解更具实用性；
4、板材夹具可适应厚度最多达20mm，满足绝大多数情况下的应用需求；
5、与理论计算结果吻合程度高，验证了该方法的可靠性。
本发明采用以上技术方案，提供一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法，该方法操作便捷、具有实用性且可靠性高。利用该方法可完成对板结构的力学性能表征及结构质量健康监测。
附图说明
图1板结构透射系数检测系统示意图；
图2板结构检测平台俯视图；
图3板结构检测平台俯主视剖面图；
图4板结构透射系数超声检测方法流程图；
图5垂直入射角度θ＝0°，1mm厚铝板透射系数理论实验对比图；
图6斜入射角度θ＝10°，1mm厚铝板透射系数理论实验对比图；
图7斜入射角度θ＝20°，1mm厚铝板透射系数理论实验对比图；
图8斜入射角度θ＝30°，1mm厚铝板透射系数理论实验对比图。
具体实施方式
参照附图4的板结构透射系数超声检测方法流程图，本发明的具体实施方式步骤如下：
步骤1):使中心频率均为1MHz的激励换能器及接收换能器与O型过孔橡胶塞组装并用热熔胶固定在密封水缸的侧壁孔洞处，将与多厚度板材夹具连接的高精度旋转平台固定在密封水缸底部，令其中轴线与激励换能器及接收换能器的连线重合，通过向密封水缸注水，构造水浸环境。
步骤2):通过任意函数发生器及电压放大器构建的信号激励源完成信号输入工作，本次选用频率为1MHz的单周期脉冲激励信号。该信号由激励换能器输入并由接收换能器输出到信号采集模块。
步骤3):被测试件选取80mm×80mm×1mm的铝板，通过调节高精度旋转平台完成信号斜入射角度的控制，记录放置被测板材及未放置板材的时域信号，如表1所示，分别处理后得到可用于数据处理的透射时域信号及参考时域信号。
表1不同采集情况电压数据
步骤4):对处理后的透射时域信号与参考时域信号进行滤波降噪处理，借由时域傅里叶变换得到对应的透射频域信号及参考频域信号。
其中，Di为时域傅里叶变换后的透射信号频谱值，U为时域傅里叶变换后的参考信号频谱值,xi代表一组透射信号电压数据，xi代表参考信号电压数据，k＝1,2,3…Ns，Ns＝50001，j代表虚部，i＝1,2,3,4且分别代表了入射角度为0°、10°、20°及30°的情况，即：
x1[1]＝-0.008221,x1[2]＝-0.008715,x1[3]＝-0.008352,…,x1[50001]＝-0.304176
x2[1]＝0,x2[2]＝0.004428,x2[3]＝0.004586,…,x2[50001]＝0.004129
x3[1]＝0,x3[2]＝0,x3[3]＝0.004236,…,x3[50001]＝0.008105
x4[1]＝-0.008822,x4[2]＝-0.008845,x4[3]＝-0.008541,…,x4[50001]＝-0.008289
y[1]＝0,y[2]＝0.004527,y[3]＝-0.001201,…,y[50001]＝-0.004485
通过二者对应点的比值求解透射系数Ti(k)，如表2所示，最终得到被测板材斜入射透射系数的频率-幅值二维系数谱。
表2不同采集情况透射系数
如图5、图6、图7及图8所示，分别是80mm×80mm×1mm铝板在入射角度为0°、10°、20°及30°情况下的理论实验对比图，可以看出，本发明提出的方法可以准确地完成对水浸环境下板结构的斜入射透射系数超声检测，测得结果可满足其力学性能表征及结构质量健康监测等需求。

Claims (4)

1.一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测系统，其特征在于：系统包括信号激励源、检测平台、信号采集模块等部分，信号激励源通过激励换能器与检测平台连接，检测平台通过接收换能器将信号输入到信号采集模块，最终通过处理实现对板结构斜入射透射系数的超声检测功能；
检测平台包括激励换能器(2)、接收换能器(7)、密封防水装置(3)、高精度旋转平台(4)、多厚度板材夹具(5)及密封水缸(6)；中心频率均为1MHz的激励换能器(2)与接收换能器(7)均与密封防水装置(3)中采用聚丙烯酸脂橡胶制成的O型过孔密封塞相连，并通过以乙烯-醋酸乙烯共聚物制成的热熔胶固定在密封水缸(6)的侧壁孔洞处，完成对液浸检测环境的密封与信号传播路径的定位；用螺钉将最小精度为0.2°的铝合金高精度旋转平台(4)固定在密封水缸(6)底部中心，不锈钢多厚度板材夹具(5)固定在高精度旋转平台(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测系统，其特征在于：信号激励源通过任意函数发生器与电压放大器控制输入信号，可实现多种类、多频率及多周期信号的输入，借助连接线可使激励换能器(2)得到符合检测需求的信号；信号采集模块通过数字示波器的数据采集及终端计算机的数据处理，最终得到被测板材的透射时域信号及参考时域信号。
3.利用权利要求1所述系统进行的一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法，其特征在于：检测方法的实施过程如下，将被测板材(8)放置于激励换能器(2)与接收换能器(7)的信号传播路径内，使其厚度方向与信号传播路径重合，并用多厚度板材夹具(5)固定被测板材(8)，令其在该厚度方向下中心点到激励换能器(2)与接收换能器(7)的距离相等；接下来向密封水缸(6)中注入水，构建超声信号衰减较小的水浸环境(1)，通过对高精度旋转平台(4)的粗调及细调得到预期的信号斜入射角度；利用信号采集模块得到的接收换能器(7)输出信号，经过滤波及分析处理得到有效的透射时域信号；
液浸环境下参考时域信号超声检测方法如下，因信号传播距离及路径相同，能测量无被测板材(8)状态下的时域接收信号——参考时域信号，并将参考时域信号作为求解透射系数的重要依据；在无被测板材(8)状态下，将激励换能器(2)与接收换能器(7)对向放置于密封水缸(6)侧壁的孔洞，提取从接收换能器(7)传来的直达激励信号，经过对直达激励信号的滤波及分析处理得到有效的参考时域信号。
4.根据权利要求3所述的一种板结构的斜入射透射系数液浸超声检测方法，其特征在于：液浸环境下板材透射系数求解方法如下，分别将透射时域信号与参考时域信号进行滤波处理与傅里叶变换，得到斜入射条件下的透射频域信号与参考频域信号，通过斜入射条件下的透射频域信号与参考频域信号对应点的比值，建立被测板材(8)斜入射透射系数的频率-幅值二维系数谱。
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