CN112083080A - 非线性脉冲反射测量装置、装置中探头的校验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非线性脉冲反射测量装置、装置中探头的校验装置及方法，首先通过传统的基于自互易的探头校验方式得到标准传递函数，然后基于标准传递函数，选用另一个探头发射信号，测量被校验探头分别处于不同电路连接下的输出电流，以修正电路阻抗对探头传递函数的影响。水的绝对非线性系数测量实验的结果表明，在修正电子设备阻抗对探头作为接收器时的传递函数的影响后，可以实现精确的测量，本发明为压电接收探头检验技术的发展和脉冲反射非线性测量系统的设计与搭建起到推进和参考作用。

Description

非线性脉冲反射测量装置、装置中探头的校验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种非线性脉冲反射测量装置、装置中探头的校验装置及方法。
背景技术
近来，非线性声学方法已广泛用于无损检测和评估，例如固体材料的早期损伤评估和生物介质中的组织表征。非线性声学方法通常测量二次谐波(SHG)以获得非线性参数(β)，该参数定义为二次谐波振幅与基波振幅平方的比值，并得出有关材料状态的结论。然而，大多数情况下，当前主要利用要求具备双边测量条件的透射模式测量材料的相对β以评价材料，所以在对只有单边测量条件的现场应用中，该方法难以使用。此外绝对β比相对β具有更多的优点，比如它可以定量评估材料损伤和弹性常数的反转测量。所以可以进行单边测试在线服役材料的脉冲反射模式下的绝对β测量技术有利于非线性超声技术的现场应用，更具工业应用价值。
脉冲反射绝对非线性测量技术的发展主要受限于两个方面：1、反射界面会严重改变二次谐波的生成过程，从而会极大降低声波中二次谐波并影响测量精度，该问题可以通过理论上补偿声波衍射、衰减和反射界面的影响从而提高绝对β的计算准确度；2、由于反射法接收的低二次波幅值，当前主要依靠专门且昂贵的美国RITEC系统来保证测量精度，该系统能在发生高能超声波的同时，保持整个系统的输入、输出阻抗均为统一的50欧姆。此时，通过传统自互易探头校验方法获得探头传递函数，可准确测量接收质点振动幅值，从而在补偿声波传播作用下准确测量材料绝对β。然而大部分实验设备或自主搭建的系统无法满足专门系统的阻抗匹配和测量精度，也就无法保持非线性声波测量精度，同时传统自互易探头校验方法也将失效，最终导致无法实现绝对β的准确测量。
故目前需要一种适用的探头校验方法，以提高测量精度的同时摆脱对专门系统和特殊设备条件的依赖，进而实现推广脉冲反射绝对非线性方法的应用和系统搭建。
发明内容
为了解决目前在脉冲反射测量时由于阻抗变化，导致探头的校准结果有误从而影响测量结果的技术问题，本发明提供一种能够有效实现探头准确校正的非线性脉冲反射测量装置、装置中探头的校验装置及方法。
本发明的技术效果在于，给出了在脉冲反射测量系统中准确实现探头校验的技术方案，从而能够修正电子设备阻抗对探头作为接收器时的传递函数，实现精确的测量；同时放宽了非线性脉冲反射测量绝对非线性系数的严苛设备条件，不需要使用昂贵的成套系统，可以自主搭建然后利用本发明方法校准所搭建系统对探头传递函数的影响即可实现精确测量。
附图说明
图1为本实施例非线性脉冲反射测量装置示意图；
图2为本实施例测量标准传递函数的装置示意图；
图3为本实施例测量实际传递函数的装置示意图；
图4为本实施例探头校验第一步测量的输入、输出电流图；其中(a)为输入电流图，(b)为输出电流图；
图5为本实施例50欧姆阻抗下探头的标准传递函数图；
图6为本实施例第二步测量电流信号图，其中两信号时间轴平移以便于比较；
图7为本实施例探头传递函数的修正系数C(ω)计算结果图；
图8为本实施例探头连接脉冲反射系统和50欧姆电阻的传递函数图；
图9为本实施例两种传递函数下的绝对β计算结果随距离变化关系图。
具体实施方式
目前使用的各种非线性脉冲反射测量系统所采用的电子设备和仪器连接方式各有不同，使用的仪器主要采用成套系统及其辅件(如美国RITEC)或复杂的电子设备。在不清楚仪器和实验构型对脉冲反射法测量绝对β的影响的情况下，只能采用昂贵的成套设备，这大大提高了工业成本。此外，具有双接口的50欧姆电阻(RITEC)被认为在非线性脉冲反射实验电路中必不可少。放大器一般为提高放大能力，其输出阻抗极小，不应直接连接探头，否则会导致严重的阻抗不匹配问题；同轴衰减器可以减小输入探头的能量以保护探头，同时可显著调节系统的阻抗。
参见图1，本实施例所采用的非线性脉冲反射测量装置，不含双接口的50欧姆电阻。该装置的电子设备由可选择的市面上常见的函数发生器，线性放大器，普通同轴衰减器，电流计，示波器和超声压电探头组成。示波器将读取自电流计的电流信号数字化并保存下来。函数发生器发射短纯音正弦电信号。线性放大器用于放大电信号，以保证系统可以产生有限幅值声波。同轴衰减器用于控制输出的能量，保护电路元件。电流计测量电路中流过的电流信号。超声探头发出声波信号并接收反射的声波信号。
参见图2，本实施例首先通过基于自互易的探头校验方法以获得其在50欧姆终端负载下的传递函数H(ω)即标准传递函数。本实施例通过考虑衍射衰减修正以及消除输入/探头阻抗不匹配问题可以获得准确的探头传递函数，但是由于需要保持接收探头保证连接50欧姆的阻抗。而脉冲反射模式不能像一发一收模式那样简单地为接收探头选择固定值(50欧姆)的阻抗，系统设备的变换也会给阻抗带来未知的影响，此时利用该方法计算会带来误差。因此提出第二步的修正测量实验，在第一步的基础获得探头在脉冲反射系统中的实际传递函数。
第一步分为两小步，如图2所示，将所用的脉冲发生器/接收器的源负载ZS(ω)和接收负载ZL(ω)均设置为50欧姆。采用自互易方法测定连接50欧姆终端阻抗时的水浸探头的传递函数H(ω)，声波总的传播距离是x，被校验的探头编号为A。第一小步：测定探头接收经由反射块反射后的输出电流信号Iout(ω)；第二小步：断开探头，测量脉冲发生器/接收器直接连接50欧姆电阻
Figure BDA0002695368150000031
的输入电流信号
Figure BDA0002695368150000032
探头传递函数定义为探头输出电流与接收质点振动幅值的比：
Figure BDA0002695368150000033
式中Ainc(ω)＝vinc(ω)/iω是接收探头表面的声波质点振动幅值。vinc(ω)是探头A接收的回波速度信号，该信号与探头A发出的声波信号以及在介质中的传播相关。基于此定义可以得到探头A的传递函数为：
Figure BDA0002695368150000034
其中，ZL(ω)是脉冲发生器/接收器的接收阻抗，
Figure BDA0002695368150000035
是声辐射阻抗，ρ,c分别是水的密度和声速，SR＝πa2是接收探头的有效面积，a是探头晶片半径。ta(ω)是考虑波传播中声束衍射、材料衰减和界面发射的声传递函数，在图2所示情况下，ta(ω)表示为：
ta(ω)＝2[Rf][exp(-αfx)][1-exp(ika2/x)(J0(ka2/x)-iJ1(ka2/x))] (3)
其中Rf(＝(ρ1c1-ρc)/(ρ1c1+ρc))是反射系数，ρ1,c1分别是反射器材料的密度和声速，k(＝ω/c)是波数，J0，J1分别是第零阶、第一阶贝塞尔函数，α(f)是水的衰减系数，与频率f相关。
第二步如图3所示，另一个探头(编号为B)作为发射器发射声波，第一步中的探头A作为接收器。分别测量探头A连接50欧姆终端负载和接入脉冲反射实验系统中的输出电流
Figure BDA0002695368150000041
和I′out(ω)。测量中，串联的函数发生器、线性放大器和同轴衰减器会发射极高频的极小电流信号(50MHz，1mv信号)，保持电路处于工作状态且不干扰第一探头的接收信号。两次测量其他条件保持不变。由上可以得到在该脉冲反射测量系统中，探头A的实际传递函数H′(ω)为：
Figure BDA0002695368150000042
定义
Figure BDA0002695368150000043
为修正系数。该方法理论上可以测定接入任意电子设备构型的探头的实际传递函数，用于计算接收质点振动幅值，为绝对非线性的精准测量提供保证。
本实施例按图1所示搭建了水浸非线性脉冲反射测量系统。这些设备包括：Agilent Technologies生产的33250A函数发生器,Electronics&Innovation生产的2100L放大器，Tektronix,Inc生产的Tektronix CT-2电流计，MDO3024示波器，Olympus生产的I3-0508-S水浸平面探头，以及一个6dB同轴衰减器。采用本实施例提出的校验方法对该系统中的探头接收进行校验，然后通过水的绝对β测量实验来验证本文提出的探头校验方法对于脉冲反射法准确测量绝对β的有效性和必要性。
首先对所搭建的脉冲反射系统中的探头进行探头校验并测定其在系统中的实际传递函数，该过程分为两大步。第一步是测定50欧姆终端负载下的标准传递函数H(ω)：如图3所示，脉冲发生器/接收器(DPR300,JSR,USA)产生信号驱动被校验探头发出宽频带脉冲波，该声波传播3cm后被304不锈钢块垂直反射回来并被探头接收。输出电信号被电流计测量并由示波器数字化存储在工作站中。完成后，断开探头，转接50欧姆电阻，测量输入电流信号。第二步：测定探头接入非线性脉冲反射系统的实际传递函数，如图3所示，另一个探头(I3-0508-S,Olympus,JPN)在脉冲发生器/接收器发出的信号驱动下发出宽频带脉冲波，声波传播3cm后被校验的探头接收，两个探头保持对中。最后分别测量探头A连接50欧姆电阻和接入非线性脉冲反射系统时的输出电流，注意测量时反射系统的电子设备处于工作状态。
接下来是非线性测量实验，利用图1所示系统完成。函数发生器产生初始电压为400mv，频率为3.5Mz的20个周期的正弦脉冲，该信号然后由放大器线性放大。放大后的信号通过电流探头后，直接驱动探头A发出声波。波传播到液体中，然后被304不锈钢块垂直反射后被换能器A接收。示波器将电流探头测得的电流信号数字化。探头A与不锈钢块之间的距离以1cm的步距从2cm增加到10cm。
探头校验第一步测量的输入、输出电流如图4所示。输入电流信号是一个宽频带负尖峰脉冲信号。利用测量的电流信号通过公式(3)计算50欧姆下探头的标准传递函数，结果如图5所示。由于采用50欧姆终端来消除探头阻抗不匹配问题，传递函数曲线很光滑。
第二步测量的电流信号如图6所示，可以看见当探头连接50欧姆电阻和接入脉冲反射系统时探头的输出电流存在幅值上的差异。利用测量信号计算校正系数C(ω)，结果如图7所示。探头在有效频带内的低频段(2.5-5MHz)修正值接近1；然而在高频段(5-8MHz)，修正系数明显增大，最高达到1.4，可见该脉冲反射系统对探头接收能力的影响较大且主要在高频段。图8是利用公式(4)计算的脉冲反射系统中探头的实际传递函数与标准结果的对比，可以直观的看到两条曲线在频率大于5MHz时的分离。因此，利用不同电子和设备构型的非线性脉冲反射系统测量时，如果不校正探头传递函数，而利用传统自互易校验方法得到的标准结果，可能会对非线性系数测量结果造成误差。
采用汉宁窗函数提取非线性实验电流信号的稳态部分并对其进行快速傅立叶变换(FFT)。将频域信号分别乘以两种探头校验结果H(ω)和H′(ω)，然后用矩形窗提取基波和二次谐波分量进行快速逆傅立叶变换(IFFT)，获取基波和二次谐波的峰值位移幅度作为质点振动幅值A1,A2。然后利用位移值计算绝对非线性系数，计算过程中，均对衍射、衰减和反射效果进行了修正，具体公式如下：
Figure BDA0002695368150000051
式中，x是声波传播的总距离，k是波数，CT1和CT2分别是基波和谐波对声束衍射、材料衰减以及界面反射的修正系数。
利用修正的实际传递函数H′(ω)和未修正的标准传递函数H(ω)计算的非线性结果随距离变化关系如图9所示。实际传递函数是指连接在这个非线性脉冲反射系统中真实的传递函数。在用被校验过的系统+探头测量绝对非线性系数时，将探头的对应接收电流频域信号乘以实际校验函数再IFFT便可得到对应频带的接收位移幅值。其中绝对非线性系数利用获得的准确的位移幅值来计算得到。
随着距离的增加，测量结果趋于稳定，同时在利用修正后得到的实际探头传递函数计算绝对β可以得到良好的结果，而使用传统自互易校正方法得到的结果会产生将近10％的偏差。以上结果可以证明本实施例提出的校验方法的有效性，同时说明在利用脉冲反射测量系统时不可直接使用传统自互易校验方法的校验结果，否则会产生较大误差；此时需要利用本实施例来修正该校验结果，才可以准确测量流体的绝对非线性系数。

Claims (8)

1.一种非线性脉冲反射测量装置，其特征在于，包括信号显示及存储装置、函数发生器、信号调整装置、电流计和第一超声压电探头，所述的函数发生器产生电信号并同时触发信号显示及存储装置进行同步显示及信号存储，电信号经依次串联的信号调整装置和电流计后到达超声压电探头，并驱动超声压电探头朝向待测物体发射声波信号且接收待测物体的声波反射信号，产生电信号后经电流计测量并将测量结果输出至信号显示及存储装置。
2.根据权利要求1所述的一种非线性脉冲反射测量装置，其特征在于，所述的信号调整装置包括串联的线性放大器和同轴衰减器，所述的线性放大器的输入端连接信号发生器，所述的同轴衰减器的输出端连接电流计。
3.一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验装置，其特征在于，包括标准传递函数测定装置和实际传递函数测定装置；
所述的标准传递函数测定装置包括信号显示及存储装置、脉冲发生/接收器、电流计、终端负载、第一超声压电探头和反射块；
脉冲发生/接收器依次串联电流计和第一超声压电探头，信号显示及存储装置分别连接脉冲发生/接收器和电流计，脉冲发生/接收器产生电信号同时触发信号显示及存储装置进行同步显示及信号存储，并经电流计驱动第一超声压电探头朝向反射块发射声波信号，第一超声压电探头接收反射块的声波反射信号后产生电信号并经电流计发送至信号显示及存储装置，以测量并记录第一超声压电探头产生的电信号即第一输出电流信号；
脉冲发生/接收器依次串联电流计和终端阻抗，信号显示及存储装置分别连接脉冲发生/接收器和电流计，脉冲发生/接收器产生电信号同时触发信号显示及存储装置进行同步显示及信号存储，电流信号经电流计发送至终端阻抗并同时由信号显示及存储装置记录，以测量并记录输入终端阻抗的输入电流信号；
根据第一输出电流信号、输入电流信号及已知量得到标准传递函数；
所述的实际传递函数测定装置包括如权利要求1所述的非线性脉冲反射测量装置，还包括脉冲发生/接收器、终端阻抗、第二超声压电探头；
脉冲发生/接收器分别连接信号显示及存储装置和第二超声压电探头，第一超声压电探头依次串联电流计和终端阻抗，电流计同时连接至信号显示及存储装置，脉冲发生/接收器产生电信号同时触发信号显示及存储装置进行同步显示及信号存储，电信号经电流计驱动第二超声压电探头朝向第一超声压电探头发射声波信号，第一超声压电探头接收声波信号后产生电信号，经电流计发送至信号显示及存储装置，以测量并记录第一超声压电探头产生的电信号即第二输出电流信号；
脉冲发生/接收器分别连接信号显示及存储装置和第二超声压电探头，第一超声压电探头依次串联电流计、处于开启状态的串联的函数发生器和信号调整装置，电流计同时连接至信号显示及存储装置，脉冲发生/接收器产生电信号同时触发信号显示及存储装置进行同步显示及信号存储，电信号经电流计驱动第二超声压电探头朝向第一超声压电探头发射声波信号，第一超声压电探头接收声波信号后产生电信号，经电流计发送至信号显示及存储装置，以测量并记录第一超声压电探头产生的电信号即第三输出电流信号；
根据标准传递函数、第二输出电流信号和第三输出电流信号得到实际传递函数。
4.根据权利要求3所述的一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验装置，其特征在于，所述的标准传递函数由输出电流与接收质点振动幅值的比值确定，其中接收质点振动幅值由输出电流信号、输入电流信号及已知量计算得到。
5.根据权利要求3所述的一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验装置，其特征在于，所述的实际传递函数由终端阻抗输出电流信号和脉冲反射装置输出电流信号的比值作为修正系数，并乘以标准传递函数得到。
6.一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，测量在未连接终端阻抗的情况下，由电信号驱动的第一超声压电探头发射声波信号后，第一超声压电探头接收到的声波反射信号所形成的第一输出电流信号；
步骤二，测量在断开第一超声压电探头并连接终端阻抗后，将与步骤一相同电信号发送至终端阻抗后得到的终端阻抗的输入电流信号；
步骤三，根据第一输出电流信号、输入电流信号及已知量得到标准传递函数；
步骤四，测量在连接终端阻抗后，由电信号驱动的第二超声压电探头发射声波信号，并由第一超声压电探头接收后所产生的第二输出电流信号；
步骤五，测量在断开终端阻抗并连接处于开启状态的串联的函数发生器、线性放大器和同轴衰减器后，由电信号驱动的第二超声压电探头发射声波信号，并由第一超声压电探头接收后所产生的第三输出电流信号；
步骤六，根据标准传递函数、第二输出电流信号和第三输出电流信号得到实际传递函数。
7.根据权利要求6所述的一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的标准传递函数由输出电流与接收质点振动幅值的比值确定，其中接收质点振动幅值由输出电流信号、输入电流信号及已知量计算得到。
8.根据权利要求6所述的一种用于非线性脉冲反射测量装置中探头的校验方法，其特征在于，所述的步骤六中，所述的实际传递函数由终端阻抗输出电流信号和脉冲反射装置输出电流信号的比值作为修正系数，并乘以标准传递函数得到。
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