CN109490365A - 一种微波热声监测系统及监测方法 - Google Patents

一种微波热声监测系统及监测方法 Download PDF

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吴瑞坤
徐鲁雄
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Abstract

本发明公开一种微波热声监测系统及监测方法，包括微波激励组件、热成像检测组件、声发射监测组件，微波激励组件包括微波信号发生器、微波信号放大器和微波激励传感器，热成像检测组件包括热像仪、处理器，声发射监测组件包括声发射检测仪、声发射传感器，脑通过微波信号发生器、热像仪、声发射检测仪获得被检试件的可表征缺陷属性的特征。本发明对复合材料微波激励下的多物理场耦合机理进行研究，揭示复合材料属性和缺陷深度变化对热波、弹性波和表面温度场的影响规律，为缺陷定量检测提供必要的理论基础；研究成果可应用于复合材料板材生产和制造过程中的质量控制，并将在飞机、风电叶片等构件的在役检测和维护中发挥重要作用。

Description

一种微波热声监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种微波热声监测系统及监测方法，属于监测技术领域。
背景技术
声发射法是一种被动式监测技术，可以检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。
主动式红外热成像检测具有非接触、结果直观、检测面积大、检测速度快、对分层缺陷敏感、深度定量等优点。传统的热成像无损检测采用光学加热方式，只能对被检材料的表面进行直接加热，内部需依靠热传导方式进行加热。
近年来，体积或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、超声波热成像检测技术和微波热成像(MicrowaveThermography，MT)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，但是受激励线圈形状影响，非均匀加热现象非常严重。微波热成像检测技术采用微波进行加热，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，加强了对复合材料表面和亚表面缺陷检测的效果；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。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明采用参数可控的周期性微波脉冲进行加热，从瞬态温度响应信号和声发射信号的时域和频域提取特征值，进行缺陷深度定量，对复合材料微波激励下的多物理场耦合机理进行研究，揭示复合材料属性和缺陷深度变化对热波、弹性波和表面温度场的影响规律，为缺陷定量检测提供必要的基础，对飞机、风电叶片等构件的在役检测和维护中具有指导性作用。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种微波热声监测系统，其特征在于：包括微波激励组件、热成像检测组件、声发射监测组件，所述微波激励组件包括微波信号发生器、微波信号放大器和微波激励传感器，所述微波信号放大器与微波信号发生器相连接，所述微波激励传感器与微波信号放大器相连接，所述热成像检测组件包括用于获取受热后的被检试件表面热图像的热像仪、处理器，所述热像仪与处理器相连接，所述声发射监测组件包括声发射检测仪、连接于被检试件上的声发射传感器，所述声发射传感器与声发射检测仪相连接，所述声发射检测仪通过同步模块与处理器相连接，所述热像仪通过同步模块与处理器相连接，所述微波信号发生器通过同步模块与处理器相连接；微波信号发生器、热像仪、声发射检测仪的数据通过同步模块传输给处理器，处理器通过微波信号发生器、热像仪、声发射检测仪获得被检试件的可表征缺陷属性的特征。
进一步地，所述微波激励传感器为喇叭天线或矩形开口波导探头。
进一步地，所述微波激励传感器为吸波材料。
进一步地，所述热像仪与微波激励传感器位于被检试件的同一侧。
进一步地，所述热像仪与微波激励传感器分别位于被检试件的两侧。
进一步地，所述热像仪为红外热像仪。
一种微波热声监测系统的监测方法，其特征在于：具体如下：首先，被检试件在外荷载作用下出现损伤，声发射传感器阵列采集损伤部位发出弹性波信号传输给声发射检测仪，声发射检测仪将数据传输给处理器；其次，在处理器收到声发射检测仪传输的数据时，处理器控制微波信号发生器输出微波信号，并经微波信号放大器进行放大；然后，微波信号放大器将微波信号放大后输出到微波激励传感器，微波激励传感器将微波信号辐射到被检试件上，被检试件在微波场作用下整体被加热并在内部传导；随即，被检试件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并通过声发射检测仪传输存入处理器；最后，采用热像仪记录被测物的表面温度变化，热像仪将获取被检试件表面的缺陷信息传输给处理器，处理器通过热像仪和声发射检测仪传输的信息提取被检试件可表征缺陷属性的特征。
进一步地，所述处理器的提取方式为：a)对热像仪传输的热成像图像序列进行数据处理，提取可表征缺陷属性的特征值；b)对声发射检测仪传输的多通道声发射信号进行数据处理，提取可表征缺陷属性的特征。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1)对复合材料微波激励下的多物理场耦合机理进行研究，揭示复合材料属性和缺陷深度变化对热波、弹性波和表面温度场的影响规律，为缺陷定量检测提供必要的理论基础；2)采用参数可控的周期性微波脉冲进行加热，从瞬态温度响应信号和声发射信号的时域和频域提取特征值，进行缺陷深度定量；3)采用基于自适应稀疏控制的缺陷盲源分离处理方法，分离损伤部位和对面积进行定量；4)研究成果可应用于复合材料板材生产和制造过程中的质量控制，并将在飞机、风电叶片等构件的在役检测和维护中发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明锁相信号处理示意图；
图3为本发明频域互相关算法模块示意图；
图4为本发明互相关幅值曲线图；
图5为本发明互相关相位曲线图。
【附图标记说明】
1：微波信号发生器；
2：微波信号放大器；
3：微波激励传感器；
4：热像仪；
5：处理器；
6：声发射检测仪；
7：声发射传感器；
8：同步模块；
9：被检试件。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明的所提到的方向只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间走向。
一种微波热声监测系统，如图1所示，包括微波激励组件、热成像检测组件、声发射监测组件，所述微波激励组件包括微波信号发生器1、微波信号放大器2和微波激励传感器3，所述微波信号放大器2与微波信号发生器1相连接，所述微波激励传感器3与微波信号放大器2相连接，所述微波激励传感器3为喇叭天线或矩形开口波导探头或吸波材料，喇叭天线的型号为ETS-Lindgrens Model 3117，和矩形开口波导探头的型号为WR-90或WR-42；所述热成像检测组件包括热像仪4、处理器5，所述处理器5为电脑，所述热像仪4与处理器5相连接，所述声发射监测组件包括声发射检测仪6、连接于被检试件9上的声发射传感器7，所述声发射传感器7与声发射检测仪6相连接，所述声发射检测仪6通过同步模块8与处理器5相连接，所述热像仪4通过同步模块8与处理器5相连接，所述微波信号发生器1通过同步模块8与处理器5相连接；微波信号发生器1、热像仪4、声发射检测仪6的数据通过同步模块8传输给处理器5，处理器5通过微波信号发生器1、热像仪4、声发射检测仪6获得被检试件9的可表征缺陷属性的特征。
一种微波热声监测系统的监测方法，具体为：首先，被检试件9在外荷载作用下出现损伤，声发射传感器7阵列采集损伤部位发出弹性波信号传输给声发射检测仪6，声发射检测仪6将数据传输给处理器5；其次，微波信号发生器1受处理器5控制触发向微波信号放大器2输出微波信号；然后，微波信号放大器2将微波信号放大后输出到微波激励传感器3，微波激励传感器3将微波信号辐射到被检试件9上，被检试件9在微波场作用下整体被加热并在内部传导；随即，被检试件9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7阵列采集并通过声发射检测仪6传输存入处理器5；最后，采用热像仪4记录被测物的表面温度变化，热像仪4将获取被检试件9表面的缺陷信息传输给处理器5，处理器5通过热像仪4和声发射检测仪6传输的信息提取被检试件9可表征缺陷属性的特征。
本实施例中，所述处理器提取方式如下：a)对热像仪传输的热成像图像序列进行数据处理，如频域分析、时频域分析、矩阵分解等，提取可表征缺陷属性的特征值；b)对声发射检测仪传输的多通道声发射信号进行数据处理，如时域包络分析、相关分析、频域分析等，提取可表征缺陷属性的特征，通过处理器5分析出的特征值，可以应用于复合材料板材生产和制造过程中的质量控制，并将在飞机、风电叶片等构件的在役检测和维护中发挥重要作用。
为提高检测效果，本发明需要在检测过程中进行优化，包括：①微波激励组件的设计和改进。微波激励组件的参数主要包括方向性(主要是方向性图和主瓣宽度)、效率、增益系数、工作频带宽度等。由于微波加热的效率与微波频率和微波辐射功率成正比，从加热效率来说，微波频率和辐射功率越大越好，但是高频率和大功率微波对设备投入要求很高。因此，在初步试验的过程中，必须对这些参数进行合理的优化，确定最佳工作频率和微波辐射功率。另外，也要根据被检试件9的具体形状来设计微波激励组件的尺寸。
②微波激励组件和热像仪4的放置方式。根据微波激励组件和热像仪4的配置，配置方式可采用反射式和穿透式。反射式指微波激励组件和热像仪4放置在被检试件9的同一侧；而穿透式是指微波激励组件和热像仪4分别放置在被检试件9的两侧。此外，被检试件9的材料种类对检测配置方式有影响：被检试件9属于非导体材料，可以采用反射式或穿透式；如果被检试件9是CFRP约束构件，由于CFRP属于导体材料，只能采用反射式检测。此外，试验中还需根据具体的被检试件9种类和尺寸来确定检测配置方式。
③微波激励信号的优化。通过仿真和试验研究相结合，通过使用不同功率微波信号源(利用1W左右微波信号发生器和1KW商用磁控管)、不同微波信号频率、微波加热时间等，全面考察微波脉冲加热-冷却过程，从而更准确地得到微波热成像检测过程中以上参数对缺陷检测效果的影响，通过三维有限元分析方法模拟整个检测过程，分析影响检测灵敏度的主要因素，找出微波脉冲加热热图像变化的规律，为进一步进行缺陷的定量化分析打下基础。
④被检试件9的选择与设置优化。先选用宽带传感器，对复合材料实施声发射试验，以获得他们的声发射信号特征，包括频率范围和声发射信号参数范围，同时获得试验过程中可能出现的非相关声发射信号的特征；在相关声发射信号特征明确之后，再选择合适的谐振式传感器，以增加声发射信号的灵敏度。
在实际的检测中，在周期性微波激励下，获得的温度序列和声发射序列也是周期性的。拟通过锁相技术对周期性信号进行处理和分析，实现高灵敏度温度和声信号的测量和缺陷检测。以热像仪图像序列为例，为了获取幅值和相位，必须对每个像素处的温度信号与正交参考信号进行乘法等运算，准确地获得实部图像和虚部图像，最终获得幅值和相位图。原理如图2所示，温度数据将会是一个类正弦信号，通过与正交参考信号的相乘等运算，可以得到实部和虚部的热图像，并得到幅值和相位图像。锁相技术的优点是，借助于频率可知道深度信息范围。相位图像的优点是信噪比高，缺陷更明显，相位图像对热扩散的影响更加敏感，并且相位图得到的信息要比在幅值图中要多。
实际检测中，缺陷的可检测性决定于缺陷导致的信号变化量与传感器的灵敏度。在传感器灵敏度固定的前提下，只有提高信噪比，才能增大缺陷的可检测性和可检测深度。除对声发射信号进行包络分析、频域分析之外，还将采用频域互相关方法对多通道声发射信号进行处理。首先，设置参考信号。采用有限元模型产生无缺陷区域的响应信号作为参考信号ref(t)。或者，采用试件无缺陷区域的检测信号作为参考信号ref(t)。为提高信噪比，也可以把检测数据中无缺陷区域某几个点的平均检测信号作为参考信号。其次，通过频域互相关算法计算检测数据中检测信号s(t)与参考信号ref(t)的同相和正交信号。如图3所示，把检测信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域检测信号；把参考信号进行希尔伯特变换(HT)产生正交参考信号；把参考信号和正交参考信号进行快速傅里叶变换(FFT)和复共轭运算，得到频域参考信号和频域正交参考信号；把频域检测信号与频域参考信号依次进行乘法运算、逆快速傅里叶变换(IFFT)和实部运算(Real)，得到同相信号；把频域检测信号与频域正交参考信号依次进行乘法运算、逆快速傅里叶变换(IFFT)和实部运算(Real)，得到正交信号。最后，对同相和正交信号求幅值后得到互相关幅值(CC Amp)信号，如图4所示。对正交和同相进行求相位后得到互相关相位(CC Phase)信号，如图5所示。
上述实施例只用来说明本发明的具体实施原理和功效，而非用来限制本发明。任何熟悉本行业技术的人士都可以在本发明阐述的方法的基础上加以修改或修饰，因此凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种微波热声监测系统，其特征在于：包括微波激励组件、热成像检测组件、声发射监测组件，所述微波激励组件包括微波信号发生器(1)、微波信号放大器(2)和微波激励传感器(3)，所述微波信号放大器(2)与微波信号发生器(1)相连接，所述微波激励传感器(3)与微波信号放大器(2)相连接，所述热成像检测组件包括用于获取受热后的被检试件(9)表面热图像的热像仪(4)、处理器(5)，所述热像仪(4)与处理器(5)相连接，所述声发射监测组件包括声发射检测仪(6)、连接于被检试件(9)上的声发射传感器(7)，所述声发射传感器(7)与声发射检测仪(6)相连接，所述声发射检测仪(6)通过同步模块(8)与处理器(5)相连接，所述热像仪(4)通过同步模块(8)与处理器(5)相连接，所述微波信号发生器(1)通过同步模块(8)与处理器(5)相连接；微波信号发生器(1)、热像仪(4)、声发射检测仪(6)的数据通过同步模块(8)传输给处理器(5)，处理器(5)通过微波信号发生器(1)、热像仪(4)、声发射检测仪(6)获得被检试件(9)的可表征缺陷属性的特征。
2.根据权利要求1所述的一种微波热声监测系统，其特征在于：所述微波激励传感器(3)为喇叭天线或矩形开口波导探头。
3.根据权利要求1所述的一种微波热声监测系统，其特征在于：所述微波激励传感器(3)为吸波材料。
4.根据权利要求1所述的一种微波热声监测系统，其特征在于：所述热像仪(4)与微波激励传感器(3)位于被检试件(9)的同一侧。
5.根据权利要求1所述的一种微波热声监测系统，其特征在于：所述热像仪(4)与微波激励传感器(3)分别位于被检试件(9)的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种微波热声监测系统，其特征在于：所述热像仪(4)为红外热像仪。
7.一种如权利要求1所述的微波热声监测系统的监测方法，其特征在于：具体如下：首先，被检试件(9)在外荷载作用下出现损伤，声发射传感器(7)阵列采集损伤部位发出弹性波信号传输给声发射检测仪(6)，声发射检测仪(6)将数据传输给处理器(5)；其次，在处理器(5)收到声发射检测仪(6)传输的数据时，处理器(5)控制微波信号发生器(1)输出微波信号，并经微波信号放大器(2)进行放大；然后，微波信号放大器(2)将微波信号放大后输出到微波激励传感器(3)，微波激励传感器(3)将微波信号辐射到被检试件(9)上，被检试件(9)在微波场作用下整体被加热并在内部传导；随即，被检试件(9)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(7)阵列采集并通过声发射检测仪(6)传输存入处理器(5)；最后，采用热像仪(4)记录被测物的表面温度变化，热像仪(4)将获取被检试件(9)表面的缺陷信息传输给处理器(5)，处理器(5)通过热像仪(4)和声发射检测仪(6)传输的信息提取被检试件(9)可表征缺陷属性的特征。
8.根据权利要求7所述的一种微波热声监测系统的监测方法，其特征在于：所述处理器(5)的提取方式为：a)对热像仪(4)传输的热成像图像序列进行数据处理，提取可表征缺陷属性的特征值；b)对声发射检测仪(6)传输的多通道声发射信号进行数据处理，提取可表征缺陷属性的特征。
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