CN109781865A - 一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于检测高聚物粘结炸药表面裂纹的超声成像方法和装置，将检测被测材料表面裂纹的换能器作为传感器，在无损伤和有损伤试件上分别布置阵列传感器，激励一定频率的超声波，采集经过各路径无损伤时的参考信号和有损伤时的损伤信号，利用参考信号和损伤信号计算各路径SDC值和空间分布函数，根据各路径SDC值和空间分布函数重构损伤试件检测区域图像。本发明采用一种改进的基于相关性分析的概率损伤重构算法，针对复杂结构形状裂纹优化了传感器阵列方式，通过对时域信号的采集和处理，有效实现了高聚物粘结炸药表面复杂形状裂纹的无损评估。

Description

一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法和 装置

技术领域

本发明公开一种利用基于相关性分析的概率损伤重构算法进行高聚物粘结炸药表面裂纹成像的无损评估方法和装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于材料测试技术领域，具体是通过处理接收到的响应信号对材料进行无损评估的技术。

背景技术

高聚物粘结炸药是一种颗粒填充复合材料，以高能爆炸性晶体为主体，并由聚合物粘合剂固定在一起，具有能量密度高、机械性能优良和安全性能高等特点，在军事和民用领域应用广泛。然而，在生产、加工、运输及贮存的过程中可能会产生裂纹，尤其是表面裂纹的存在会严重影响材料性能。表面裂纹引起的裂纹端点处应力集中或裂纹扩展都会严重影响材料的使用性能，给生产加工等带来很大的安全隐患。因此，研究有效的高聚物粘结炸药表面裂纹的无损评估方法十分必要。

表面波在介质表面的运动可以看作是纵波和横波的合成，表面波的能量主要分布在材料表面，随着深度的增加而迅速衰减，因此对表面损伤较为敏感，非常适合于表面缺陷的检测，在无损检测领域中应用广泛。而基于相关性分析的概率损伤重构算法(RAPID)是一种利用有无损伤信号之间的差异进行损伤识别和重构的算法，相较于国内外已有的相控阵法、层析成像法和时间反转法等成像算法，具有成像快速准确、分辨率高等特点。概率损伤重构算法可分为信号对比和图像重构两部分。

目前，基于相关性分析的概率损伤重构算法(RAPID)多用于金属材料中缺陷的成像，缺陷多为圆形或正方形等规则形状，而对裂纹成像研究较少，特别是复杂形状裂纹缺陷。另外，在超声无损检测领域对于炸药的研究主要集中在定性分析外力或温度等影响下的损伤，或者采用波速或衰减来评估材料性能，高聚物粘结炸药表面裂纹的成像方法研究有待进一步的发展。

发明内容

针对目前高聚物粘结炸药的无损评估方法研究现状，本发明提出一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，该方法利用的是基于相关性概率损伤重构算法(RAPID)，根据高聚物粘结炸药的低声速的特性设计了一种硅胶楔块表面波换能器作为传感器，有效实现了高聚物粘结炸药表面复杂形状裂纹的成像。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，将检测被测材料表面裂纹的换能器作为传感器，在无损伤和有损伤试件上分别布置阵列传感器，激励一定频率的超声波，采集经过各路径无损伤时的参考信号和有损伤时的损伤信号，利用参考信号和损伤信号计算各路径SDC值和空间分布函数，根据各路径SDC值和空间分布函数重构损伤试件检测区域图像。

一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，包括步骤：

1)根据被测对象的波速信息设计用于检测高聚物粘结炸药表面裂纹的换能器作为阵列传感器；

2)固定无损伤的被测试件；

3)在无损伤的被测试件表面布置阵列传感器，传感器两两一组成对放置，成对传感器其中一端激励时另一端接收；

4)信号经耦合进入被测试件表面，采集所有接收端的信号，接着保持传感器位置不变，成对放置的传感器激励端接收端互换，采集所有接收端的信号，此时将采集到的所有信号作为参考信号；

5)固定有损伤的被测试件；

6)在引入表面裂纹的被测材料表面布置相同阵列传感器，传感器两两一组成对放置，成对传感器其中一端激励时另一端接收；

7)信号经耦合进入被测试件表面，经过裂纹区域之后被接收端接收，采集所有接收端的信号，接着保持传感器位置不变，成对放置的传感器激励端接收端互换，采集所有接收端的信号，此时将采集到的所有信号作为损伤信号；

8)综合所有的参考信号X和损伤信号Y，计算每条传感路径上对应信号的平均值μ_X和μ_Y，将采集数据中点的总个数作为数据长度K，分别计算各路径的SDC值，

9)计算各路径空间分布函数S_tr,其中，t表示激励，r表示接收，β为形状系数，可以表示为β_tr＝R_{tr,max-damage-range}>1，而R表示损伤区域内的点到激励端和接收端之和与激励端接收端的距离之比，即形状系数β取每条传感路径上R的最大值；

10)最后通过对每一条路径上概率分布进行线性叠加，得到带损伤被测材料表面的重构图像，计算公式为

一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像装置，其包括计算机、信号发生/接收器、衰减器、阵列传感器、示波器，阵列传感器由多组表面波换能器组成，每组表面波换能器包括激励端和接收端的表面波换能器成对组合；

计算机，其与信号发生/接收器相连，用来设置激励端信号频率周期参数并在采集信号之后进行信号分析；

信号发生/接收器，其产生信号经过衰减器之后进入表面波换能器激励端，信号经过被测试件后被接收端接收，接收的信号由示波器收集并输入到计算机中，同时信号发生/接收器测得的数据也会送入计算机进行信号分析。

本发明采用以上装置和成像方式，可以有效地对高聚物粘结炸药表面复杂形状裂纹进行成像，较好的反映出表面裂纹的大小、位置和形状信息。

附图说明

图1是本发明实施例表面波换能器内部结构示意图。

图2是本发明成像装置示意图。

图3是本发明各传感器阵列方式示意图。

图4是路径1-7上参考信号时域图。

图5是路径1-7上损伤信号时域图。

图6是带裂纹试件表面损伤示意图。

图7是本发明检测结果成像图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明：

一种高聚物粘结炸药表面裂纹成像方法，利用基于相关性分析的概率损伤重构算法进行复杂形状裂纹成像，根据材料低声速特点设计表面波硅胶探头用来激励表面波，成功获取了复杂形状表面裂纹大小、位置和形状信息，实现了高聚物粘结炸药表面缺陷的无损评估，首先介绍根据被测材料低声速特点设计制造的表面波换能器，请参阅图1，表面波换能器的结构包括塑料壳体1、吸声块2、电缆线3、背衬层4、电缆插座5、楔块6、防护底面7、匹配层8和压电陶瓷9。其中：表面波换能器框架由塑料壳体1，同轴电缆插座5和低声速硅胶制成的防护底面7密封组成，防护底面上安装硅胶楔块6，根据斯奈尔定理，表面波激励角度定为53度，即为楔块角度，楔块左上方连接橡胶吸声块2，楔块右上方与匹配层8粘接，在匹配层8之上依次粘接压电陶瓷9和背衬层4，匹配层和背衬层的材料均为环氧树脂与金属粉末的混合物，压电陶瓷9通过电缆线3与同轴电缆插座5正负极相连。

参照图2，一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像装置，包括衰减器11、信号发生/接收器12、计算机13、示波器14、表面波换能器激励端15和接收端16，信号发生/接收器12激励出特定频率的超声信号经过衰减器11进入到表面波换能器激励端15，经过波形转换后产生在试件表面传播的表面波，接着信号被接收端16接收经信号发生/接收器12送入示波器14实时显示接收到的时域信号并记录，同时示波器14内的波形和信号发生/接收器测得的数据送入计算机进行信号分析。

本发明的技术方案如下：

本发明用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，包括以下步骤：

1)根据被测对象的波速等信息设计用于检测高聚物粘结炸药表面裂纹的换能器作为阵列传感器，换能器内部楔块材料采用低声速硅胶，激励角度由斯奈尔定律根据被测材料和楔块声速计算得出；

2)固定无损伤的被测试件；

3)在无损伤的被测材料表面布置阵列传感器，传感器两两一组成对放置，其中一端激励时另一端接收，传感器阵列方式如图3；

4)信号经耦合进入被测表面，采集所有接收端的信号，然后保持传感器位置不变，成对放置的传感器激励端接收端互换，采集所有接收端信号，将采集到的所有信号作为参考信号X，如图4；

5)固定有损伤的被测试件；

6)在引入表面裂纹的被测材料表面布置相同阵列传感器，传感器两两一组成对放置，一端激励时另一端接收；

7)信号经耦合进入被测表面，经过裂纹区域之后被接收端接收，采集所有接收端的信号，然后传感器位置保持不变，成对传感器激励段接收端互换，采集所有接收端信号，采集到的所有信号作为损伤信号Y，如图5；

8)综合所有的参考信号X和损伤信号Y，计算每条传感路径上对应信号的平均值μ_X和μ_Y，将采集数据中点的总个数作为数据长度K，分别计算各路径的SDC值，对比图4和5可以看出，参考信号和损伤信号幅值差异明显；

9)计算各路径空间分布函数S_tr,其中，t表示激励，r表示接收，β为形状系数，可以表示为β_tr＝R_{tr,max-damage-range}>1，而R表示损伤区域内的点到激励端和接收端之和与激励端接收端的距离之比，即形状系数β取每条传感路径上R的最大值；

10)最后通过对每一条路径上概率分布进行线性叠加，得到带损伤被测材料表面的重构图像，计算公式为从图6中重构图像与图7中带裂纹试样表面示意图的对比可以看出，该方法可以有效地用于高聚物粘结炸药表面复杂形状裂纹形状、大小以及位置信息的无损评估。

本发明中上述步骤2)和5)中，使用实验室中夹持装置固定被测试件。步骤3)中，传感器阵列以损伤区域为中心采用正方形分布，如图3所示，即传感器a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a10、a11、a12，相对形成一组，共6组，使用实验室固定装置对传感器进行固定，使传感器耦合条件保持稳定。步骤4)中，传感器采用表面波探头(表面波换能器)来实现对表面裂纹的检测，表面波内楔块采用低声速硅胶材料，用凡士林作耦合剂在被测材料表面上激励出表面波，耦合剂粘度范围为(8-18)×10^-3Pa·s。根据斯奈尔定理，楔块角度定为53度，即声束入射角为53度。成对传感器一端激励一端接收，采集信号之后保持阵列传感器位置不变，激励端接收端互换，采集信号。

本发明利用基于相关性分析的概率损伤重构算法，开发出一种高聚物粘结炸药表面裂纹成像方法。这项技术对材料表面裂纹缺陷较为敏感，可以有效、快速的对复杂裂纹进行成像，实现对高聚物粘结炸药表面特性的无损评估。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：将检测被测材料表面裂纹的换能器作为传感器，在无损伤和有损伤试件上分别布置阵列传感器，激励一定频率的超声波，采集经过各路径无损伤时的参考信号和有损伤时的损伤信号，利用参考信号和损伤信号计算各路径SDC值和空间分布函数，根据各路径SDC值和空间分布函数重构损伤试件检测区域图像。

2.根据权利要求1所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据被测试件材料的波速信息设计用于检测被测材料表面裂纹的换能器作为阵列传感器；

2)固定无损伤的被测试件；

3)在无损伤的被测试件表面布置阵列传感器，传感器两两一组成对放置，其中一端激励时另一端接收；

4)信号经耦合进入被测试件表面，采集所有接收端的信号，接着保持传感器位置不变，成对放置的传感器激励端接收端互换，采集所有接收端的信号，此时将采集到的所有信号作为参考信号X；

5)固定有损伤的被测试件；

6)在引入表面裂纹的被测度件表面布置与步骤3)相同阵列传感器，传感器两两一组成对放置，成对传感器其中一端激励时另一端接收；

7)信号经耦合进入被测试件表面，经过裂纹区域之后被接收端接收，采集所有接收端的信号，接着保持传感器位置不变，成对放置的传感器激励端接收端互换，采集所有接收端的信号，此时将采集到的所有信号作为损伤信号Y；

8)综合所有的参考信号X和损伤信号Y，计算每条传感路径上对应信号的平均值μ_X和μ_Y，将采集到的离散数据中离散点的总个数作为数据长度K，分别计算各路径信号差异系数SDC的值，

9)计算各路径空间分布函数S_tr,其中，t表示激励端位置编号，r表示接收端位置编号，β为形状系数，表示为β_tr＝R_{tr,max-damage-range}>1，而R表示损伤区域内的点到激励端和接收端之和与激励端接收端的距离之比，即形状系数β取每条传感路径上R的最大值；

10)最后通过对每条路径上的概率分布进行线性叠加，得到带损伤被测试件表面的重构图像，计算公式为

3.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：阵列传感器采用的是表面波换能器，以损伤区域为中心采用正方形分布，使用实验室固定装置对表面波换能器进行固定，在被测材料表面激励出一定频率的表面波以检测被测材料表面裂纹。

4.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：表面波换能器的密封防护底面采用硅胶材料，防护底面内部设有硅胶楔块，防护底面及硅胶楔块的声速小于被测试件材料声速。

5.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：表面波换能器激励角度由斯奈尔定律根据被测材料和楔块声速计算得出，声束入射角为53度。

6.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：表面波换能器与被测试件之间采用凡士林作为耦合剂，粘度范围为(8-18)×10^{- 3}Pa·s。

7.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：在采集信号时采用传感器位置不变的方式改变激励端接收端，使换能器耦合条件保持稳定。

8.根据权利要求2所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像方法，其特征在于：被测试件为引入复杂形状表面裂纹的高聚物粘结炸药或非金属表面复杂形状裂纹成像。

9.一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像装置，其特征在于：包括计算机、信号发生/接收器、衰减器、阵列传感器、示波器，阵列传感器由多组表面波换能器组成，每组表面波换能器包括激励端和接收端的表面波换能器成对组合；

计算机，其与信号发生/接收器相连，用来设置激励端信号频率周期参数并在采集信号之后进行信号分析；

信号发生/接收器，其产生信号经过衰减器之后进入表面波换能器激励端，信号经过被测试件后被接收端接收，接收的信号由示波器收集并输入到计算机中，同时信号发生/接收器测得的数据也会送入计算机进行信号分析。

10.根据权利要求9所述的一种用于高聚物粘结炸药表面裂纹检测的超声成像装置，其特征在于：表面波换能器包括塑料壳体、吸声块、背衬层、电缆插座、楔块、防护底面、匹配层和压电陶瓷，表面波换能器框架由塑料壳体，同轴电缆插座和低声速硅胶制成的防护底面密封组成，防护底面上安装硅胶楔块，表面波激励角度定为53度，即为楔块角度，楔块左上方连接橡胶吸声块，楔块右上方与匹配层粘接，在匹配层之上依次粘接压电陶瓷和背衬层，匹配层和背衬层的材料均为环氧树脂与金属粉末的混合物，压电陶瓷通过电缆线与同轴电缆插座正负极相连。