CN111602049B - 用于无损测试的布置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于组件部件的无损测试的布置，该布置可包括第一端面和第二相对端面。该布置可包括：多个分立压电换能元件，按照圆形阵列来布置在第一端面上；以及电波信号发射和接收单元，电耦合到压电换能元件。电波信号发射和接收单元可以能够生成电激励波信号，并且接收电响应波信号。压电换能元件可在电激励波信号施加时以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够在组件部件中传播。

Description

用于无损测试的布置及其测试方法
相关申请的交叉引用
本申请要求本申请要求新加坡专利申请No.10201800876X(2018年2月1日提交)的权益，通过引用将其内容结合到本文中用于所有目的。
技术领域
各个实施例一般涉及用于无损测试的布置以及无损测试方法。特别是，各个实施例一般涉及用于无损测试的布置以及组件部件(例如结构螺栓)的无损测试方法。
背景技术
螺栓接头是工程结构应用中使用的最常见连接元件之一，主要提供结构的连续性以及内部负荷从一个构件到另一个构件的传递。由于它们在工业中的广泛使用，在各种国际标准中已经翔实记录螺栓类型、材料选择、尺寸和其他规格。但是在波动负荷条件下，结构螺栓易受到疲劳故障。裂纹能够在螺栓的高应力区域中发起，并且可增长到经受持续循环荷载的临界大小，从而引起紧固结构部件的完全分隔。此外，在包含多个螺栓的螺栓接头中，一旦它们之一出故障，则其余螺栓在其使用寿命期间必须耐受重新分布负荷，其中能够易于进一步引入疲劳开裂。因此，在服务中使用期间周期地监测螺栓的健康条件以便在可能开裂或腐蚀于材料深层传播并且最终导致整个结构的灾难性故障的情况下及时对它们进行检测是必不可少的。
检查结构螺栓的典型无损测试(NDT)方法包括磁粉粒检查、染料渗透剂、射线照相、涡流和超声测试。这些方式能够适用于识别螺栓中可在制造过程中或者在服务中使用期间出现的缺陷。
在磁粉粒测试中，试样必须被磁化，以及采取干式或者湿式悬浮形式的磁粉粒然后施加到螺栓的表面。由于结构的间断处的磁通量泄漏，粉粒将在缺陷区域中积聚，因而形成可见指示。这种技术易于实现并且对甚至极小缺陷也具有高灵敏度，但是只可适用于铁磁材料，并且只能检测表面和亚表面缺陷。染料渗透剂是螺栓检查的另一种经济方法，其中测试组件的整个表面将覆盖有渗透剂。在充分停留时间，去除多余渗透剂，并且随后施加显影剂，以便使缺陷指示是检查员在紫外光或白光下可见的。这种方式可以可适用于全部非铁和铁质材料，但是只能查找表面破裂缺陷。另外，对粗糙表面(例如螺纹)或者对多孔材料执行测试将使得难以去除任何多余渗透剂，并且可能引起假损坏指示。但是，这两种低成本但有效的NDT技术要求对整个螺栓结构的直接获取。因此，它们只能用于过程中控制和最终产品检查，但是难以作为现场检查用于服务中维护，因为已安装螺栓不能频繁地从接头结构拆卸以提供所要求的显露。其他NDT方法(例如射线照相和涡流测试)对于螺栓接头的这种现场检查也是费时和高费用的。
在可用NDT技术之中，常规超声测试方法可最适合于服务中使用期间的螺栓检查，因为它们是便携的，免于从已安装位置移开螺栓，并且具有高渗透深度以及对小缺陷的良好灵敏度。可通过脉冲回波模式的单个换能器或者采用透射模式的两个换能器来执行测试。通常，超声换能器被放置成与螺栓的一端直接接触，以及所传送超声波沿螺栓传播。传播路径中出现的缺陷将充当反射介质中传播的能量的一部分的反射器，以及能够通过反射波的到达时间和材料中的波速来确定缺陷的位置。
常规超声测试基于局部检查，并且只能够检查沿螺栓的轴的单行，这要求对螺栓端逐点扫描换能器，以便实现感兴趣区域的充分覆盖。因此，这类测试对损坏检测是费时和冗长的，以及所接收信号的解释已经证明在几何回波(例如螺栓螺纹、后壁)、模式转换以及裂纹进行的反射存在的情况下是困难的。然而，常规超声测试能够在测量螺栓长度中提供充分精度。
近年来，高级超声相控阵技术也用于螺栓检查中，其中阵列探头(与或者不与正常束楔所耦合)安装在螺栓头上的定制夹具中，以及执行小角扇形扫描(又称作方位扫描或掠角扫描)，以得到波束平面中的结构信息。然后应用探头的编码旋转，以覆盖螺栓的整个圆周。与常规超声测试相比，编码相控阵测试能够提供增加检测能力，但是其性能在遭遇长螺栓时不充分，其中对全长度覆盖将需要较大波束导向角。
相应地，存在对用于无损测试的更切实有效布置以及无损测试方法的需要。
发明内容
按照各个实施例，提供一种用于组件部件的无损测试的布置。该布置可包括待测试组件部件，所述组件部件可包括第一端面以及与第一端面相对的第二端面。该布置可进一步包括多个分立压电换能元件，所述压电换能元件按照圆形阵列来布置在组件部件的第一端面上。该布置可进一步包括电耦合到多个分立压电换能元件的电波信号发射和接收单元。电波信号发射和接收单元可以能够生成电激励波信号，并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件。电波信号发射和接收单元可以能够从压电换能元件来接收电响应波信号，并且处理所述电响应波信号。按照各个实施例，压电换能元件可配置和布置成在电激励波信号施加时以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面传播到第二端面以便由第二端面来反射并且作为响应波从第二端面返回到第一端面。响应波能够由压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元来接收和处理。
按照各个实施例，提供一种无损测试方法。该方法可包括按照圆形阵列在待测试圆柱组件部件的第一端面上布置多个分立压电换能元件。待测试圆柱组件部件可包括第一端面以及与第一端面相对的第二端面。该方法可进一步包括操作电波信号发射和接收单元(该电波信号发射和接收单元电耦合到多个分立压电换能元件)，以生成电激励波信号并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件，其方式是使压电换能元件以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面传播到第二端面以便由第二端面来反射并且作为响应波从第二端面返回到第一端面。响应波能够由压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元来接收和处理。结构承载波可采取基本扭转导波的形式来生成。
附图说明
附图中，相似参考标号一般在不同视图中通篇表示相同部件。附图不一定按比例绘制，重点而是一般在于示出本发明的原理。在以下描述中，参照以下附图来描述各个实施例，附图包括：
图1A和图1B示出圆柱杆波导中的导引模式的色散曲线，其中模式的相或群速度是频率和半径的乘积的函数；
图2A和图2B示出按照各个实施例、组件部件上的压电换能元件的布置；
图2C示意示出按照各个实施例的组件部件的无损测试的布置；
图3示出按照各个实施例、具有顶面和底面上的电极的极化压电陶瓷板；
图4A和图4B示出各个实施例中使用的梯形形状压电换能元件的配置和尺寸；
图5A示出按照各个实施例、使用图2C的布置、来自原始螺栓的示例检查数据；以及
图5B示出按照各个实施例、使用图2C的布置、来自被损坏螺栓的示例检查数据。
具体实施方式
下面在设备的上下文中描述的实施例对于相应方法类似地是有效的，反过来也是一样。此外将会理解，以下所述的实施例可相组合，例如一个实施例的一部分可与另一个实施例的一部分相组合。
应当理解，术语“上”、“之上”、“顶部”、“底部”、“下”、“侧面”、“后”、“左”、“右”、“前”、“横向”、“侧面”、“上”、“向下”等在以下描述中使用时是为了方便起见而使用的，并且帮助相对位置或方向的理解，而不是意在限制任何装置或结构或者任何装置或结构的任何部分的取向。另外，单数术语“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。类似地，词语“或者”意在包括“和”，除非上下文另加明确说明。
各个实施例一般涉及用于无损测试的布置以及无损测试方法。特别是，各个实施例一般涉及用于无损测试的布置以及组件部件(例如结构螺栓)的无损测试方法。组件部件可以是结构连接组件部件。按照各个实施例，提供一种用于使用超声导波的组件部件(例如结构螺栓)的无损测试(NDT)的布置和方法。
按照各个实施例，超声导波测试可以是组件部件(例如长结构螺栓)的现场检查的有效备选，因为它潜在地可允许对于与固定换能器的有效距离的快速筛选以及难以获取的结构的远程检查。它可实现波导(例如组件部件)的100％厚度覆盖，并且因而可以能够检测结构(例如组件部件)中的任何位置出现的主要检测。已经存在用于管线和轨道的远距离检查的导波的成功商业部署，虽然这类导波技术尚未对螺栓检查(或者组件部件的检查)商业化。这可能归因于通过螺栓头和支脚(例如内六角螺栓)所提供的受限换能器位置(或者组件部件的端面的受限区域)，这不利于导波模式的有效生成。更重要地，待克服的主要问题是色散以及导波中的多个模式的存在。导波一般是色散的，这意味着其相或群速度随频率而改变。导波的相速度表示波的单独顶点移动的速率，而群速度描述具有相似频率的分量的导波分组(或包络)的传播速度。图1A和图1B示出圆柱杆波导(或者圆柱体或圆柱结构)中的导引模式的色散曲线，其中模式的相或群速度是频率和半径的乘积的函数。色散曲线可用来预测色散将对给定波分组发生的程度。有限时间周期的任何激励波具有某个频率带宽，以及波分组中的每个频率分量可以以不同群速度传播。如果对感兴趣频率范围的速度的差较大，则不同频率分量可在不同时间到达，这在波分组传播时将引起波分组的形状的失真。相比之下，如果群速度对所生成频率范围极为接近，则波分组可在其整个传播中保持相似形状。
在实际远距离无损测试(NDT)/结构健康监测(SHM)应用中，有利的导引模式应该极少色散的，使得所检测信号的解释可以更简单。圆柱系统中的导波可按照波结构来分类为三种类型的模式。纵向(L)模式是纵向轴对称模式；扭转(T)模式主要具有圆周质点位移；挠性(F)模式是非轴对称弯曲模式。在这些模式之中，基本扭转导波模式T(0,1)是完全非色散的，这使信号的后处理比其他色散模式更不复杂。同时，仅存在低频率下的一种扭转轴对称模式，使得换能比L或F模式更不复杂，其中换能器系统必须仔细设计成抑制相同波系列中的其他模式的不需要并发激励。
由于上述原因，各个实施例可将基本扭转导波用于检测组件部件(例如长结构螺栓等)中的损坏。
各个实施例可对已安装组件部件(例如结构螺栓)中的现场损坏检测是特别有用的，这可以仅要求对螺栓的一端的获取以供换能，并且可免于从紧固件接头拆卸螺栓。
各个实施例可特别完全适合组件部件(例如螺栓)的远距离检查。按照各个实施例，所传送导波本身可以能够在组件部件(例如螺栓)中传播有效距离，从而实现整个组件部件的完全覆盖，使得可检测组件部件中的任何位置出现的主要缺陷。
此外，在各个实施例中，超声换能器(该超声换能器可包括超声传感器或压电换能元件)可永久地附连到组件部件(例如螺栓)的末端，这可促进已安装组件部件或螺栓接头的实时结构健康监测(SHM)。按照各个实施例，用于无损测试的布置可形成结构连接组件，其中组件部件是延长部件(可选地为螺栓)，该部件沿纵轴延伸，以及其中组件部件具有通过延长部件的第一和第二轴端面所形成的第一和第二端面。此外，超声换能器可永久地设置在组件部件的端面上。
按照各个实施例，提供一种用于组件部件(例如结构螺栓)的超声无损测试的设备，所述设备可包括：
梯形形状压电元件(或压电换能元件)的圆形阵列，该圆形阵列可产生经受所施加电场、沿圆周方向的纯剪切运动；以及
超声脉冲器/接收器单元(或者电波信号发射和接收单元)，生成所要求频率下的脉冲状激励信号(或者电激励波信号)，并且接收螺栓的远端和缺陷的反射波(或者接收通过梯形形状压电换能元件根据从结构组件部件和/或结构组件部件中的缺陷所接收的响应波而转换的电响应波信号)。
按照各个实施例，压电元件(或者压电换能元件)的所述阵列可耦合到结构组件部件(例如结构螺栓)的头部(或支脚)。它们可按照圆形配置来定位，并且每个梯形贴片(或压电换能元件)可优选地采用优化尺寸来配置，以便使压电元件(或压电换能元件)与组件部件的一端(或者螺栓端)的平面表面之间的接触面积为最大，特别是在可能遭遇内六角螺栓头时。全部这些贴片(或压电换能元件)可并联连接，使得它们可在电场被施加时生成同相剪切运动，以及组件部件(或螺栓)的圆周中的离散剪切运动可相长地引起扭转导波的生成。
按照各个实施例，用于NDT/SHM目的的超声信号可按照基本上非色散方式来传送，使得可进行准确定时测量(即，因此可确定缺陷的准确位置)。所生成基本扭转模式可沿组件部件(或螺栓)传播而没有呈现色散，使得所接收信号可保持与入射波相同的形状。同时，扭转模式可具有极少衰减，这可实现有效检查距离。
按照各个实施例，超声发生器组件(或超声换能器)可以可适合于组件部件的端面的不同几何结构(或者螺栓头几何结构)。因此，超声换能器可包括沿组件部件(或螺栓)的端面的圆周所配置的多个分立压电贴片(或压电换能元件)。按照各个实施例，每个贴片(或压电换能元件)的大小可调整成实现充分接触面积和最佳传输效率。另外，按照各个实施例，所使用的压电贴片(或压电换能元件)的数量可抑制挠性模式(所述挠性模式可能连同基本扭转模式一起被激励)。
按照各个实施例，所述压电元件(或压电换能元件)可通过下列方式的任一个来耦合到组件部件的端面(或者螺栓端)：(i)接合连接；以及(ii)机械固定和超声透射耦合剂。按照各个实施例，超声换能器与波导(即，组件部件)的可获取端之间的这类耦合可促进两者之间的有效能量传递。按照各个实施例的接合连接可包括粘合接合、焊接、软焊和其他接合技术。耦合超声换能器可工作在脉冲回波配置，使得压电元件(或压电换能元件)可用作发射器以及接收器。所接收信号(或电响应波信号)然后可由所述超声脉冲器/接收器单元(或者电波信号发射和接收单元)来取得和分析，从而给出结构完整性的指示。
各个实施例可允许已安装组件部件(或结构螺栓)在使用期限期间为了SHM目的而周期地被检查。为了实现这个方面，压电元件(或压电换能元件)的所述阵列可永久地附连到组件部件的端面或者螺栓头(例如通过粘合接合)，并且使关联导线端是从远程地点可获取的。因此，来自同一位置的相同传感器的多个数据收集可被比较和分析，以通过只将脉冲器/接收器单元(或者电波信号发射和接收单元)连接到那些导线来捕获定期监测组件部件(或螺栓)的变化。各个实施例还可允许环境影响(例如环境温度变化、应力和积液)与实际缺陷的更准确分隔。此外，这类测试可由缺乏训练人员来执行(当首次安装传感器或换能器时仅要求完全合格检查员)。
本文中将参照附图、通过检查采取结构螺栓形式的示例组件部件来描述各个实施例。
各个实施例将超声扭转导波用于组件部件(例如结构螺栓)中的损坏检测。如先前所述，与常规超声测试相比，可实现各个实施例，而免于对感兴趣域逐点扫描超声探头，并且所传送导波可用来快速筛选组件部件(或螺栓)，从而实现组件部件厚度(或螺栓厚度)的100％覆盖。此外，所选扭转导引模式在其传播中可以是非色散的，使得所接收信号的解释更简单。
从硬件的角度来看，市场销售换能器不能提供与复杂形状(例如具有内六角)的组件部件的端面(或螺栓头)的充分接触，并且因此导波模式可能难以生成。各个实施例使用分立压电元件(或压电换能元件)来产生同相剪切运动，从而匹配基本扭转模式的截面质点位移(即，模式形状)，使得可在组件部件(或螺栓)中有效激励模式。不失一般性，这种超声传感器或换能器配置可提供换能器配置方面的灵活性，以及如果所施加应力与关联模式形状完全对齐，则可在具有甚至更复杂的可获取几何结构的组件部件的结构中起动特定导引模式。
此外，常规超声测试以及商业换能器的使用使得难以实现SHM目的。各个实施例允许将传感器或换能器永久附连到服务中组件部件(或结构螺栓)的可行性以及周期数据取得以定期监测组件部件(或螺栓)的健康条件)的简易性。
各个实施例将基本扭转导波用于组件部件(或结构螺栓)的远距离检查。图1A和图1B示出圆柱钢杆中的导引模式的相和群速度色散曲线。圆柱钢杆的相和群速度色散曲线在图1A和图1B中作为频率-半径乘积的函数来示出。如所示，在1MHz-mm之下，仅三个模式可在杆中传播：L(0,1)模式(具有延伸行为的最低阶纵向模式)，F(1,1)模式(具有非轴对称弯曲运动的基本挠性模式)，以及T(0,1)模式(具有主要以圆周方向的质点位移的最低阶扭转模式)。这些模式可分别与平板中的S0(对称)、A0(反对称)和SH0(共享水平)模式类似。为了跟踪圆柱系统中存在的模式，通常使用双索引命名。第一索引表示模式的圆周顺序，描述圆柱的圆周周围的波长的整数，以及第二索引是计数器变量，指示其波系列中的模式的连续顺序。
从图1A和图1B可看到，F(1,1)模式是高度色散的，并且因此对NDT/SHM目的不是有利的，而L(0,1)模式以更低频率来处理较小色散，以及T(0,1)模式在所有频率下是完全非色散的。因此，L(0,1)模式可具有被用于低于0.8MHz-mm的相对极少色散体系中的检查。这些低频率可遭受极少衰减，并且因此可传播长轴距离而没有信号强度的显著损失。同时，更少的传播导引模式在低频率体系下存在，这可更加易于进行所选导引模式的激励，而没有激励可使所接收信号显著复杂化的其他不需要波模式。T(0,1)模式在激励的简易性方面可具有与L(0,1)模式相似的优点，并且可以以低许多的相速度传播，这意味着T(0,1)模式在给定频率下可具有比L(0,1)模式要短的波长，通常使它对缺陷更敏感。此外，在实际测试中使波长尽可能小时，T(0,1)模式的非色散性质可提供进行操作的更宽频率范围。因此，各个实施例可将基本扭转模式T(0,1)用于组件部件(或螺栓)检查。
各个实施例使用压电贴片(或压电换能元件)的空间环形阵列来激励预期基本扭转模式。图2A和图2B示出按照各个实施例、组件部件210上的压电换能元件220的布置，其中压电元件220(或压电换能元件)的阵列可采用内六角214来附连到组件部件220的端面212(或者螺栓头)。压电换能元件220可以是梯形形状压电换能元件。全部压电换能元件220可并联连接，并且可产生经受每个压电换能元件220上施加的电场的同相剪切运动。通过组件部件210的端面212(或螺栓头)上的对齐扭转应力，扭转导波因此可被生成，并且经过组件部件210的主体216(或者螺栓的螺纹牙底和杆部区)传播。图2A中，相应压电换能元件220的剪切运动通过箭头229示出。
图2C示意示出按照各个实施例(或者用于螺栓检查的超声导波系统的实施例)、用于组件部件210的无损测试的布置200。如先前所述，换能器221(所述换能器221包括压电换能元件220并且可耦合到组件部件210的端面212(或者测试螺栓头))可由电波信号发射和接收单元230(或者超声脉冲器/接收器单元)来驱动，该电波信号发射和接收单元230可工作在脉冲回波配置。由于非色散性质，所激励基本扭转导引模式(或结构承载波)可沿组件部件210(或螺栓结构)以恒定群速度Vgr传播。组件部件210(或螺栓)的表面或者其内部深处出现的缺陷可反射波能量的部分，以及反射波(或响应波)可由同一换能器221来捕获。用户界面240然后可以可视化所记录时间轨迹以确定反射波(或响应波)的到达时间(tarr)，以及缺陷与组件部件210(或螺栓头)的端面212之间的距离可作为d＝Vgrtarr/2来得到。
如所示，按照各个实施例，用于组件部件210的试的布置200可包括待测试组件部件210。按照各个实施例，组件部件210可以是结构连接组件部件或结构螺栓或者螺栓。相应地，组件部件210可以是沿纵轴延伸的延长部件。按照各个实施例，组件部件210可包括实心圆柱体。按照各个实施例，组件部件210可包括第一端面212以及与第一端面212相对的第二端面213。相应地，组件部件210的面212和第二端面213可通过延长部件的相应第一和第二轴端面来形成。
按照各个实施例，布置200步包括多个分立压电换能元件220，所述压电换能元件220按照圆形阵列222来布置在组件部件210的第一端面212上。相应地，多个分立压电换能元件220可被布置在延长部件的第一轴端面。按照各个实施例，圆形阵列222可通过按照如下方式放置或排列多个分立压电换能元件220来采取环形的形状：以使得将最后一个元件紧挨着第一元件放置，使得多个分立压电换能元件220按照连续圆形闭环来布置。
按照各个实施例，布置200可进一步包括电耦合或者电连接到多个分立压电换能元件220的电波信号发射和接收单元230。相应地，电波信号发射和接收单元230可与多个分立压电换能元件220电气通信。按照各个实施例，电波信号发射和接收单元230可以能够生成电激励波信号，并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件220。相应地，电波信号发射和接收单元230可将电激励波信号发送给压电换能元件220，以激励压电换能元件220。按照各个实施例，电波信号发射和接收单元230可以能够从压电换能元件220来接收电响应波信号，并且处理所述电响应波信号。相应地，压电换能元件220可将电响应波信号返回到电波信号发射和接收单元230以供处理。
按照各个实施例，电波信号发射和接收单元230可被理解为任何种类的电子装置或电路，所述电子装置或电路配置成生成电激励波信号，和/或配置成接收和处理电响应波信号。电波信号发射和接收单元230可包括两个或更多功能电路(例如电力供应电路、振荡器电路、放大器电路、信号处理电路等)的组合。
按照各个实施例，压电换能元件220可被配置和布置成在电激励波信号施加时以与组件部件210的第一端面212平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列222的相应切线方向变形。相应地，每个压电换能元件220可配置成在被电激励波信号所激励时进行剪切。压电换能元件220还可布置成使得相应剪切运动的相应方向可与组件部件210的第一端面212平行。此外，每个压电换能元件220的相应剪切运动的相应方向可沿圆形阵列222的圆周与相应压电换能元件220的相应位置相切。按照各个实施例，压电换能元件220的变形可在组件部件210的第一端面212生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面212传播到第二端面213，以便被第二端面213所反射，并且作为来自第二端面213的响应波来返回到第一端面212。相应地，压电换能元件220的剪切运动可将电激励波信号转换为采取结构承载波形式的波能量，所述波能量经过组件部件210从第一端面212来传播到第二端面213，通过组件部件210的几何边界所导引并且限定在其中。结构承载波的至少一部分然后可由组件部件210的第二端面213作为响应波来反射，所述响应波从组件部件210的第二端面213回传到组件部件的第一端面212。按照各个实施例，组件部件210可以是延长部件。相应地，结构承载波可沿延长部件的长度从延长部件的第一轴端面传播到延长部件的第二轴端面，以及响应波可沿延长部件的长度从延长部件的第二轴端面回传到延长部件的第一轴端面。
按照各个实施例，响应波可由压电换能元件220来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元230来接收和处理。相应地，响应波可由压电换能元件220经过组件部件210的第一端面212来接收。此外，压电换能元件220可将响应波的波能量转换为电响应波信号，所述电响应波信号然后由电波信号发射和接收单元230来接收。
按照各个实施例，组件部件210中的缺陷可使结构承载波的一小部分比组件部件210的第二端面213所反射的其余结构承载波更早被反射。相应地，响应波还可包括由组件部件210中的缺陷所反射的波能量。由于反射定时的差，来自缺陷的响应波可比来自组件部件210的第二端面213的响应波更早被返回。
按照各个实施例，电波信号发射和接收单元230可配置成生成电激励波信号，该电激励波信号具有使得对应创建的结构承载波是超声波的频率。相应地，超声导波可由压电换能元件220经过组件部件220来传播，以供组件部件220的测试。
按照各个实施例，多个分立压电换能元件220可相互电耦合或者电连接，以便在电激励波信号施加时按照同步方式共同变形。按照各个实施例，多个分立压电换能元件可相互电并联耦合或者电并联连接。相应地，电激励波信号可同时被施加到全部压电换能元件220，使得可实现多个分立压电换能元件220的同相剪切运动。
按照各个实施例，压电换能元件220可经由粘合或接合或机械固定连同它们之间的超声透射耦合剂的施加来耦合到组件部件210的第一端面212。相应地，压电换能元件220与组件部件210之间的有效能量传递可经过连接来促进。
图3示出沿x3方向所极化的压电陶瓷板308，其中具有压电陶瓷板308的顶面和底面上的电极307、309。如所示，x3方向处于与电极307、309所附连的顶面和底面平行的平面中。按照各个实施例，可使用厚度剪切模式PZT-5H晶圆，所述晶圆具有高d15压电耦合系数(经受关于压电性的IEEE标准)，以便在沿x1方向施加电场时生成纯剪切运动。如所示，x1方向与压电陶瓷板308的顶面和底面垂直。按照各个实施例，压电陶瓷板308然后可被切割为所要求尺寸的梯形，以便用作压电换能元件220。
按照各个实施例，压电换能元件220各可包括参考表面，以及电激励波信号可经由跨相应压电换能元件220的对应电位以与所述参考表面垂直的方向来施加，以便使相应压电换能元件220以相应剪切运动变形。相应地，电位可经过相应压电换能元件220从相应参考表面来施加到相应压电换能元件220的对应另一表面，所述另一表面与相应参考表面相对。
按照各个实施例，压电换能元件220各可包括至少一对电气触点结构，以接收电位，以及所述电气触点结构之一可设置在所述参考表面上。相应地，至少一对电气触点结构可被提供给每个压电换能元件220，使得电位可被施加到相应压电换能元件220。
按照各个实施例，电气触点结构的所述对可包括一对平面电极(例如电极307、309)。相应地，每个压电换能元件220可包括至少一对平面电极。按照各个实施例，所述平面电极之一可设置在相应压电换能元件220的所述参考表面上，而所述平面电极的第二个可设置在与参考表面相对的相应压电换能元件220的另一表面上。相应地，相应压电换能元件220的至少一对平面电极可处于相应压电换能元件220的相对表面上，以便夹合它们之间的压电材料。
按照各个实施例，相应压电换能元件220的参考表面可与组件部件210的第一端面212平行。相应地，跨相应压电换能元件220所施加的电位可与组件部件210的第一端面212垂直。按照各个实施例，相应压电换能元件220的电气触点结构对可设置在相应压电换能元件220的表面上，所述表面与组件部件210的第一端面212平行。按照各个实施例，相应压电换能元件220上的平面电极对可与组件部件210的第一端面212平行。
按照各个实施例，相应压电换能元件220的参考表面可以是相应压电换能元件220的配合表面，该配合表面被附连或粘合或固定或绑定到组件部件210的第一端面212，以便与组件部件210的第一端面212直接接触。按照各个实施例，相应压电换能元件220的平面电极对的第一个可设置在相应压电换能元件220的配合表面上。相应地，相应压电换能元件220可被附连或粘合或固定或绑定到组件部件210的第一端面212，其中平面电极对的第一个与组件部件210的第一端面212直接接触。按照各个实施例，相应压电换能元件220的平面电极对的第二个可设置在相应压电换能元件220的表面上，该表面与相应压电换能元件220的配合表面相对。相应地，平面电极对的第二个可外露，并且背离组件部件210的第一端面212来指向。按照各个实施例，电激励波信号可经过相应压电换能元件220经由跨平面电极对的对应电位以与所述配合表面垂直的方向来施加，以便使相应压电换能元件220以相应剪切运动变形。
又参照图2A和图2B，按照各个实施例，压电换能元件220各可以是梯形形状压电换能元件224。相应地，每个压电换能元件220可以是4边平坦形状，其中具有一对相对平行边225、226以及不是相互平行的另外两条边227、228。该对相对平行边225、226可具有不同长度。相应地，相对平行边对的较短边可以是较短底225，而相对平行边对的较长边可以是较长底226。按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件224可采用其相应较短底225朝圆形阵列222的中心223指向来定向。按照各个实施例，压电换能元件220可包括其他形状，例如矩形、正方形、三角形、平行四边形、菱形、箭头形状或者任何其他适当形状。
按照各个实施例，所使用的压电换能元件220(或压电陶瓷贴片)的数量以及每个压电换能元件220(或贴片)的尺寸可被确定成使得不影响激励波模式的纯度和波传输效率。按照各个实施例，沿圆周的多个压电换能元件220(或压电陶瓷贴片)可以以切线方向压迫组件部件210的端面212(或螺栓头)，以及可以仅当所施加应力与其截面模式形状完全匹配时才完全激励基本扭转模式。
图4A和图4B示出各个实施例中使用的梯形形状压电换能元件224的配置和尺寸。如所示，换能区域可通过圆形内和外边界来限制，其中半径分别为Ri和Ro。用来离散化圆的梯形形状压电换能元件224(或者压电换能元件或压电贴片或者贴片或压电元件)的数量(N)可通过分离角(θ)来确定：N＝2π/θ。如果过少梯形形状压电换能元件224用于激励(例如N≤4)，则挠性导引模式可易于连同预期扭转模式来生成，这可复杂化所接收信号的后处理以及组件部件210(或螺栓)中的损坏或缺陷的确定。但是，如果换能器包括过多梯形形状压电换能元件224，则关联制作过程、组装、耦合以及电路可变得更加复杂。因此，按照各个实施例，梯形形状压电换能元件224的数量N可被配置或选择成实现组装复杂度与总体性能之间的最佳折衷。
按照各个实施例，在梯形形状压电换能元件224的数量(或贴片数量)N的确定时，相应梯形形状压电换能元件224的尺寸可主要影响所选波模式的传输效率。大体上，所使用的梯形形状压电换能元件224越大，则可传送T(0,1)模式的更高幅度。因此，梯形形状压电换能元件224与组件部件210的第一端面212(或螺栓头)之间的接触面积可最大化，以便对给定激励电压来实现最高传输幅值。在各个实施例中，按照几何关系，对于选择梯形形状压电换能元件(或者梯形压电陶瓷元件)的适当高度(h)和底长度(a和b)可推荐下列准则：
(i)h≤ξ(Ro-Ri)，其中ξ＝0.8～0.9是间隙校正因子；
(ii)
(iii)a<π(Ro-Ri)/N<b。
按照各个实施例，这些准则可促进实现梯形形状压电元件224的平衡和健壮配置。
参照图2A、图2B和图4A，按照各个实施例，组件部件210的第一端面212可包括环状形状表面。相应地，组件部件210的第一端面212可包括中心空腔或插口(例如内六角插口)，使得第一端面212可具有环状形状表面。
参照上述准则(i)并且参照图4A和图4B，按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件224的较短底225和较长底226之间的垂直距离与环状形状表面的外圆周的半径Ro和环状形状表面的内圆周的半径Ri之间的差的比率可在0.8与0.9之间。
参照上述准则(ii)并且参照图4A和图4B，按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件224的较长底226的长度(‘b’)可使用作为斜边的环状形状表面的外圆周的半径Ro、作为第一条边的相应梯形形状换能元件224的垂直距离与环状形状表面的内圆周的半径Ri的和、以及作为第二条边的相应梯形形状换能元件的较长底226的长度(‘b’)的一半经由毕达哥拉斯定理来得到。
参照上述准则(iii)并且参照图4A和图4B，按照各个实施例，全部梯形形状压电换能元件224的较短底225的长度(‘a’)的总和可小于参考圆周231，以及全部梯形形状压电换能元件224的较长底226的长度(‘b’)的总和可大于参考圆周231。按照各个实施例，参考圆周231可以是具有环状形状表面的内圆周的半径Ri与环状形状表面的外圆周的半径Ro之间的半径的圆的圆周。按照各个实施例，参考圆周231的半径可以是环状形状表面的内圆周的半径Ri与环状形状表面的外圆周的半径Ro的总和的一半。
按照各个实施例，当压电换能元件220(或者压电陶瓷元件)在耦合到组件部件210的第一端面212(或者螺栓头)之前首先被接合到匹配层时，几何约束可略微放宽。另外，在各个实施例中，在被接合到组件部件210的第一端面212(或者螺栓头)或者被接合到匹配层时，接合模板(具有所要求数量的切口，例如梯形切口)可用来确保压电换能元件220(例如梯形形状压电换能元件224)的准确定位。一旦完全固化接合层，则可移开模板，以及导线随后可接合到相应压电换能元件220的电气触点结构(例如电极)。
按照各个实施例，压电换能元件220(或压电元件)可与适当匹配层和背材以及关联电极和导线相组合，以组成密封换能器，该密封换能器可用来在通用圆柱结构中传送和接收导波模式。按照各个实施例，可为离散NDT目的来开发这种换能器。
可封装各个实施例，包括永久附连压电换能元件220(或者传感器或换能器)、电波信号发射和接收单元230(或超声脉冲器/接收器单元)、关联电路硬件、无线数据传输、信号处理，以便产生远程监测系统以定期评估和记录工业中的其他圆柱组件的服务中螺栓的健康条件。
图5A示出从原始螺栓(直径：27mm；长度：435mm)所接收的示例时间轨迹，以及图5B示出使用按照各个实施例的用于无损测试的布置200在150kHz的激励频率下从被损坏螺栓(圆周裂纹长度：13mm；裂纹深度：2mm；位于螺栓中间)所接收的示例时间轨迹。作为示例，通过按照各个实施例的用于无损测试的布置200(或者超声导波系统)来筛选原始和开裂状态的两个独立钢螺栓。两种螺栓共有相同几何结构(长度：435mm；直径：27mm)和材料性质，以及在一个螺栓中间形成具有恒定2mm深度的13mm宽圆周裂纹。在本实施例中，八个梯形压电陶瓷元件耦合到螺栓头，并且以150kHz的中心频率来激励，以及完全起动基本扭转导引模式。这两个测试螺栓的所记录时间轨迹在图5A和图5B中示出。如所示，在原始螺栓中，只有入射波和后壁回波是可识别的，而在被损坏螺栓的头部所测量的时间轨迹中易于捕获裂纹进行的反射波。因此，按照各个实施例，可确定螺栓中的裂纹的位置，从而证明各个实施例的缺陷可检测性。
如通过参照图5A和图5B的上述示例所示，按照各个实施例，提供一种无损测试方法。该无损测试方法可包括按照圆形阵列在待测试圆柱组件部件的第一端面上布置多个分立压电换能元件。圆柱组件部件可包括第一端面以及与第一端面相对的第二端面。按照各个实施例，该方法可进一步包括操作电波信号发射和接收单元(该电波信号发射和接收单元电耦合到多个分立压电换能元件)，以生成电激励波信号并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件，其方式是使压电换能元件以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面传播到第二端面以便由第二端面来反射并且作为响应波从第二端面返回到第一端面。按照各个实施例，响应波可由压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元来接收和处理，其中结构承载波采取基本扭转导波形式来生成。
按照各个实施例，电激励波信号可具有使得对应创建的结构承载波是超声波的频率。
按照各个实施例，该方法可进一步包括经由电波信号发射和接收单元基于缺陷的对应响应波的经过时间来确定沿圆柱组件部件的长度的缺陷的位置。按照各个实施例，电波信号发射和接收单元可包括用户界面，从其中可确定缺陷的位置。
下面涉及各个实施例。
按照各个实施例，提供一种用于组件部件的无损测试的布置，该布置包括：
待测试组件部件，包括第一端面以及与第一端面相对的第二端面；
多个分立压电换能元件，按照圆形阵列来布置在组件部件的第一端面上；以及
电波信号发射和接收单元，电耦合到多个分立压电换能元件，以及能够生成电激励波信号并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件，以及能够从压电换能元件接收电响应波信号并且处理所述电响应波信号，
其中压电换能元件被配置和布置成在电激励波信号施加时以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面传播到第二端面以便由第二端面来反射并且作为响应波从第二端面返回到第一端面，该响应波能够由压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元来接收和处理。
按照各个实施例，电波信号发射和接收单元可配置成生成电激励波信号，该电激励波信号具有使得对应创建的结构承载波是超声波的频率。
按照各个实施例，压电换能元件各可包括参考表面，以及电激励波信号可经由跨相应压电换能元件的对应电位以与所述参考表面垂直的方向来施加，以便使相应压电换能元件以相应剪切运动变形。
按照各个实施例，压电换能元件各可包括至少一对电气触点结构，以接收电位，以及所述电气触点结构之一设置在所述参考表面上。
按照各个实施例，电气触点结构的所述对可包括一对平面电极。所述平面电极之一可设置在所述参考表面上，而所述平面电极的第二个可设置在与参考表面相对的相应压电换能元件的另一表面上。
按照各个实施例，相应压电换能元件的参考表面可与组件部件的第一端面平行。
按照各个实施例，参考表面可以是相应压电换能元件的配合表面。
按照各个实施例，压电换能元件各可包括配合表面，以及电激励波信号可经由跨相应压电换能元件的对应电位以与所述配合表面垂直的方向来施加，以便使相应压电换能元件以相应剪切运动变形，其中配合表面可与组件部件的第一端面相接触。
按照各个实施例，压电换能元件各可包括至少一对平面电极以接收电位，所述平面电极之一可设置在所述配合表面上，而所述平面电极的第二个可设置在可与配合表面相对的相应压电换能元件的另一表面上。
按照各个实施例，相应压电换能元件的配合表面可与组件部件的第一端面平行。
按照各个实施例，多个分立压电换能元件可相互电并联耦合或者电并联连接，以便在电激励波信号施加时按照同步方式共同变形。
按照各个实施例，压电换能元件可经由粘合或接合或机械固定连同它们之间的超声透射耦合剂的施加来耦合到组件部件的第一端面。
按照各个实施例，压电换能元件各可以是梯形形状压电换能元件。按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件可采用其相应较短底指向圆形阵列的中心来定向。
按照各个实施例，组件部件的第一端面可包括环状形状表面。
按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件的较短底和较长底之间的垂直距离与环状形状表面的外圆周的半径和环状形状表面的内圆周的半径之间的差的比率可在0.8与0.9之间。
按照各个实施例，相应梯形形状压电换能元件的较长底的长度可使用作为斜边的环状形状表面的外圆周的半径、作为第一条边的相应梯形形状换能元件的垂直距离与环状形状表面的内圆周的半径的和、以及作为第二条边的相应梯形形状换能元件的较长底的长度的一半经由毕达哥拉斯定理来得到。
按照各个实施例，全部梯形形状压电换能元件的较短底的长度的总和可小于参考圆周，以及全部梯形形状压电换能元件的较长底的长度的总和可大于参考圆周，其中参考圆周的半径可以是环状形状表面的内圆周的半径和环状形状表面的外圆周的半径的总和的一半。
按照各个实施例，组件部件可包括实心圆柱体。
按照各个实施例，该布置可形成结构连接组件。按照各个实施例，组件部件可以是延长部件(可选地为螺栓)，该延长部件可沿纵轴延伸。按照各个实施例，第一和第二端面可通过延长部件的第一和第二轴端面来形成。
按照各个实施例，提供一种无损测试方法，该方法包括：
以圆形阵列在待测试圆柱组件部件的第一端面上布置多个分立压电换能元件，该圆柱组件部件包括第一端面以及与第一端面相对的第二端面；以及
操作电波信号发射和接收单元(该电波信号发射和接收单元电耦合到多个分立压电换能元件)，以生成电激励波信号并且将所述电激励波信号施加到压电换能元件，其方式是使压电换能元件以与第一端面平行的同相剪切运动并且以相对圆形阵列的相应切线方向变形，以便在组件部件中在组件部件的第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从第一端面传播到第二端面以便由第二端面来反射并且作为响应波从第二端面返回到第一端面，该响应波能够由压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由电波信号发射和接收单元来接收和处理，其中结构承载波采取基本扭转导波形式来生成。
按照各个实施例，电激励波信号可具有使得对应创建的结构承载波可以是超声导波的频率。
按照各个实施例，该方法可进一步包括经由电波信号发射和接收单元基于缺陷的对应响应波的经过时间来确定沿圆柱组件部件的长度的缺陷的位置。
各个实施例提供可用于检测和定位服务中使用期间在组件部件(例如结构螺栓)中出现的损坏的布置和方法。通过已安装组件部件(例如结构螺栓)中检测的损坏，它们可及时被更换，以免损坏扩大为整个系统的灾难性故障。
虽然参照具体实施例特别示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，其中可进行形式和细节上的各种变更、修改、变化，而没有背离如所附权利要求书所限定的本发明的范围。本发明的范围因此通过所附权利要求书来指示，并且因此意在包含落入权利要求书的等效性的含意和范围之内的全部变更。

Claims (14)

1.一种用于组件部件的无损测试的布置，所述布置包括：
待测试的所述组件部件，包括第一端面以及与所述第一端面相对的第二端面；
多个分立压电换能元件，按照圆形阵列来布置在所述组件部件的所述第一端面上；以及
电波信号发射和接收单元，电耦合到所述多个分立压电换能元件，以及能够生成电激励波信号并且将所述电激励波信号施加到所述压电换能元件，以及能够从所述压电换能元件接收电响应波信号并且处理所述电响应波信号，
其中所述压电换能元件被配置和布置成在所述电激励波信号施加时以与所述第一端面平行的同相剪切运动并且以相对所述圆形阵列的相应切线方向变形，以便在所述组件部件中在所述组件部件的所述第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从所述第一端面传播到所述第二端面以便由所述第二端面来反射并且作为响应波从所述第二端面返回到所述第一端面，该响应波能够由所述压电换能元件接收并且对应地转换为所述电响应波信号，以便由所述电波信号发射和接收单元来接收和处理，
其中每个所述压电换能元件是梯形形状压电换能元件，并且其中相应梯形形状压电换能元件以其相应较短底指向所述圆形阵列的中心来定向，
其中所述组件部件的所述第一端面包括环状形状表面，
其中所述相应梯形形状压电换能元件的所述较短底和较长底之间的垂直距离与所述环状形状表面的外圆周的半径和所述环状形状表面的内圆周的半径之间的差的比率在0.8与0.9之间。
2.如权利要求1所述的布置，其中所述电波信号发射和接收单元配置成生成所述电激励波信号，所述电激励波信号具有使得对应生成的结构承载波为超声波的频率。
3.如权利要求1所述的布置，其中所述压电换能元件各包括配合表面，以及所述电激励波信号经由跨相应压电换能元件的对应电位以与所述配合表面垂直的方向来施加，以便使所述相应压电换能元件以相应剪切运动变形，其中所述配合表面与所述组件部件的所述第一端面相接触。
4.如权利要求3所述的布置，其中所述压电换能元件各包括至少一对平面电极以接收所述电位，所述平面电极之一设置在所述配合表面上，而所述平面电极的第二个设置在与所述配合表面相对的所述相应压电换能元件的另一表面上。
5.如权利要求3所述的布置，其中所述相应压电换能元件的所述配合表面与所述组件部件的所述第一端面平行。
6.如权利要求1所述的布置，其中所述多个分立压电换能元件相互电并联耦合，以便在所述电激励波信号施加时按照同步方式共同变形。
7.如权利要求1所述的布置，其中所述压电换能元件经由粘合或接合或机械固定连同它们之间的超声透射耦合剂的施加来耦合到所述组件部件的所述第一端面。
8.如权利要求1至7中任一项所述的布置，其中相应梯形形状压电换能元件的所述较长底的长度使用作为斜边的所述环状形状表面的所述外圆周的所述半径、作为第一条边的相应梯形形状换能元件的所述垂直距离与所述环状形状表面的所述内圆周的所述半径的和、以及作为第二条边的所述相应梯形形状换能元件的所述较长底的所述长度的一半经由毕达哥拉斯定理来得到。
9.如权利要求8所述的布置，其中全部所述梯形形状压电换能元件的所述较短底的长度的总和小于参考圆周，以及全部所述梯形形状压电换能元件的所述较长底的所述长度的总和大于所述参考圆周，并且其中所述参考圆周的半径是所述环状形状表面的所述内圆周的所述半径和所述环状形状表面的所述外圆周的所述半径的总和的一半。
10.如权利要求1至7中的任一项所述的布置，其中所述组件部件包括实心圆柱体。
11.如权利要求1至7中的任一项所述的布置，其中所述布置形成结构连接组件，其中所述组件部件是延长部件，所述组件部件沿纵轴延伸，以及其中所述第一和第二端面通过所述延长部件的第一和第二轴端面来形成。
12. 一种无损测试方法，包括：
以圆形阵列在待测试圆柱组件部件的第一端面上布置多个分立压电换能元件，所述圆柱组件部件包括第一端面以及与所述第一端面相对的第二端面；以及
操作电耦合到所述多个分立压电换能元件的电波信号发射和接收单元以生成电激励波信号，并且将所述电激励波信号以使所述压电换能元件以与所述第一端面平行的同相剪切运动并且以相对所述圆形阵列的相应切线方向变形的方式施加到所述压电换能元件，以便在所述组件部件中在所述组件部件的所述第一端面生成对应结构承载波，使得所述结构承载波能够从所述第一端面传播到所述第二端面以便由所述第二端面来反射并且作为响应波从所述第二端面返回到所述第一端面，所述响应波能够由所述压电换能元件来接收并且对应地转换为电响应波信号，以便由所述电波信号发射和接收单元来接收和处理，其中所述结构承载波采取基本扭转导波形式来生成，
其中每个所述压电换能元件是梯形形状压电换能元件，并且其中相应梯形形状压电换能元件以其相应较短底指向所述圆形阵列的中心来定向，
其中所述组件部件的所述第一端面包括环状形状表面，
其中所述相应梯形形状压电换能元件的所述较短底和较长底之间的垂直距离与所述环状形状表面的外圆周的半径和所述环状形状表面的内圆周的半径之间的差的比率在0.8与0.9之间。
13.如权利要求12所述的无损测试方法，其中所述电激励波信号具有使得所述对应生成的结构承载波是超声导波的频率。
14.如权利要求12或13所述的无损测试方法，进一步包括经由所述电波信号发射和接收单元基于缺陷的对应响应波的经过时间来确定沿所述圆柱组件部件的长度的所述缺陷的位置。
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