CN113447568A - 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法 - Google Patents

面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113447568A
CN113447568A CN202110718417.1A CN202110718417A CN113447568A CN 113447568 A CN113447568 A CN 113447568A CN 202110718417 A CN202110718417 A CN 202110718417A CN 113447568 A CN113447568 A CN 113447568A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
voltage
ultrasonic
frequency
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110718417.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113447568B (zh
Inventor
项延训
陈兰岚
朱武军
轩福贞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China University of Science and Technology
Original Assignee
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China University of Science and Technology filed Critical East China University of Science and Technology
Priority to CN202110718417.1A priority Critical patent/CN113447568B/zh
Publication of CN113447568A publication Critical patent/CN113447568A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113447568B publication Critical patent/CN113447568B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法，所述系统包括：上位机模块，输出配置信息、接收采样数据并处理获得采样的损伤评价结果；单片机模块，产生相应的高频互补PWM脉冲信号，接收采样回波数据并传输给上位机模块；高压脉冲发射电路模块，接收上述脉冲信号并产生高压脉冲方波信号；低通滤波电路模块，接收上述方波信号并产生高频高压正弦波信号；超声波探头，将声波及电信号进行相互转换；高压隔离衰减电路，对超声波回波信号进行隔离衰减；FPGA模块及信号采集电路，由FPGA控制信号采集电路采集回波信号并传输到单片机模块中。本系统中产生的高频高压正弦波信号具有良好的非线性超声效应，评价结果更加准确。

Description

面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种非线性超声导波检测系统及方法，特别是面向高频高压激励信号的非线性导波信号检测。该系统具有多个模块，能够激发具有良好非线性效应的高频高压超声信号，用于材料损伤程度的监测和评价，属于无损检测领域。
背景技术
在化工、电力、航天航空等众多工业领域中广泛存在处于高温高压等服役环境的构件，在极端服役环境下，构件会不可避免的发生各种损伤，导致材料性能退化。损伤积累到一定程度会形成宏观裂纹，严重威胁辅以设备的安全性和可靠性。研究表明，对于设计良好的服役构件，宏观裂纹形成前的材料损伤演化过程占据整个服役寿命的70％以上。因此材料损伤程度的有效检测和表征对大型服役设备的正常运行和保障人们生命财产安全具有重要的意义。
超声检测作为一种传统无损检测方法，具有快速、检测范围大、无污染、无损伤等优点。根据声波的声学特征不同，超声检测技术又可分为线性超声检测技术和非线性超声检测技术。传统超声检测技术基于声波在缺陷处的衍射、反射和透射等原理，通过对回波信号幅值或相位分析，可以有效检测的材料损伤后期的宏观缺陷，如宏观裂纹、夹杂等。
非线性超声检测技术是利用有限振幅超声波和材料中微损伤相互作用产生的非线性响应，依据检测信号内的非激励带宽内的其他频率成分信号的变化对材料早期损伤状态进行表征。
目前国内外学者对于非线性超声展开了充分研究。对于板材构件中的兰姆波，解放军后勤工程学院的邓明晰教授在《平面固体结构中兰姆波二次谐波的发生与传播研究》中首次给出了兰姆波二次谐波声场解析解，并通过实验证明了兰姆波强烈的非线性效应，并在《层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》中提出应力波损伤因子的概念，对层状固体板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性积累损伤进行了研究。美国乔治亚理工学院的Kim教授在《Feasibility of using nonlinear guided waves tomeasure acoustic non-linearity of aluminum》中对不同铝板中的疲劳损伤、塑性损伤进行了检测。Jones和Kobett等人最早在《Interaction of elastic waves in anisotropic solid》和《Interaction of ultrasonic waves in solid media》中提出了两束体波相互作用生成混频波的5种模式。Nagy在《Fatigue damage assessment bynonlinear ultrasonic materials characterization》中验证了非线性超声混频方法可以检测金属材料低周疲劳损伤、塑性变形和裂纹扩展状态。随着混频技术的发展，非线性兰姆波混频方法逐渐更适用于平板状材料的损伤检测。Hasania和Lissenden在《Secondorder harmonic guided wave mutual interactions in plate:Vector analysis,numerical simulation,and experimental results》中在数值模拟和实验两个方面研究了两束SH波对向混频生成对称兰姆波的产生机理，验证了混频信号的产生是来源于材料内部的某种非线性力学行为。
使用非线性超声检测技术对材料损伤程度检测和表征时，超声导波的谐波组分幅值远低于基波组分，且谐波组分在板状或管状材料传播过程中的衰减会更大，使得非线性导波检测较为困难。为了激发具有良好非线性特性的超声信号，需要在发射端激励出多周期正弦信号。传统方法是通过数模转换器和线性功率放大器，提高发射激励信号的幅值，但系统体积庞大，操作复杂，难以进行实时数据分析，增加了设计复杂度和成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统(以下也简称为“非线性超声导波检测系统”或“本发明系统”)，通过高压脉冲发射电路和低通滤波电路模块产生高频高压正弦波信号，可以转换成超声信号在材料中传播，由此采集的超声回波数据通过分析可以进行材料损伤评价。本发明系统中产生的高频高压正弦波信号具有良好的非线性超声效应，评价结果更加准确，且体积小易操作，在超声无损检测方面具有前景和应用价值。
本发明的非线性超声导波检测系统可以通过以下技术方案实现：
面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其包括：
上位机模块，用于接收采样数据并对数据进行处理获得采样的损伤评价结果，同时向单片机模块输出配置信息；
单片机模块，用于接收来自上述上位机模块的配置信息，产生相应的高频互补PWM脉冲信号(即、“高频互补脉冲宽度调制信号”)，并且接收采样回波数据并进行处理，并将采样回波数据传输给上述上位机模块；
高压脉冲发射电路，与上述单片机模块连接，用于接收其产生的高频互补PWM脉冲信号，从而产生高压脉冲方波信号；
低通滤波电路，与上述高压脉冲发射电路连接，用于接收其输出的高压脉冲方波信号，从而产生高频高压正弦波信号；
超声波探头，包括超声波发射探头和超声波接收探头，分别安装于待测材料两端，用于将超声波信号和电信号相互转换；
高压隔离衰减电路，与上述超声波接收探头连接，接收其回波信号，并对该回波信号进行隔离和衰减；
信号采集电路，与上述高压隔离衰减电路连接，用于采集回波信号并将其转换成数字信号；以及
FPGA模块(即、“现场可编程逻辑门阵列模块”)，用于控制信号采集电路进行采集回波信号，并读取其采样数据，最后将数据传输至上述单片机模块。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述高压脉冲发射电路采用类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述单片机模块产生的高频互补PWM脉冲信号具有一种以上的高频、任意脉冲个数和任意脉冲间隔。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述单片机模块通过UART(即、“通用非同步收发传输器”)与上述上位机模块进行数据通信。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述低通滤波电路采用切比雪夫滤波电路。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述超声波发射探头和上述超声波接收探头分别对称地安装于待测材料两端，且通过耦合剂进行安装。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述高压隔离衰减电路包括隔离电路和衰减电路，上述隔离电路将回波信号隔离，上述衰减电路将回波信号衰减。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述FPGA模块通过并行数据总线与信号采集电路进行通信，并通过FIFO缓存电路将数据通过UART传到上述单片机模块。
上述非线性超声导波检测系统中，优选地，上述上位机模块接收到回波数据后，通过快速傅里叶变换计算波形各频率的幅值，并通过二次谐波的幅值比基波幅值的平方计算出非线性参量，最后根据理论非线性参量和标准损伤曲线库得出实际的损伤评价结果。
本发明的另一目的是提供对材料结构损伤评价更加准确的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测方法(以下也简记为“非线性超声导波检测方法”或“本发明方法”)。
本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测方法包括以下步骤：
由上位机模块控制单片机模块产生高频互补PWM脉冲信号；
通过高压脉冲发射电路接收上述高频互补PWM脉冲信号并产生高压脉冲方波信号，
通过低通滤波电路接收上述高压脉冲方波信号并产生高频高压正弦波信号；
通过超声波发射探头接收上述高频高压正弦波信号并将其转换成超声波信号在待测材料中传输，之后通过超声波接收探头将超声波信号转换成回波电信号；
通过高压隔离衰减电路对回波信号隔离和衰减，由信号采集电路将回波信号转换成数字信号；
通过FPGA模块读取上述信号采集电路中的数据，并传输至上述单片机模块以进行处理，最后将数据传输至上述上位机模块进行频谱分析以得出损伤评价结果。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明采用高频高压激励信号对待测材料进行探伤，回波中基波和谐波的幅值较明显，具有更好的非线性超声效应，评价结果更准确。
2)本发明采用类H桥Mos驱动电路，提供了稳定可靠的前端激励信号电压，通过输入不同的供电电压，可以提供不同的激励电压，方便对比各个电压的超声效应。
3)本发明的上位机模块可以控制产生多种高频高压激励信号，可以适应于更多型号材料的无损检测结果判断，提高了系统的检测探伤适用性。
4)本发明数据采集通过在FPGA中使用FIFO进行缓存，保证了采集数据的连续性与准确性。
本发明的其他有益效果将在以下的描述中进一步进行说明。
附图说明
图1为本发明一实施方式的非线性超声导波检测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中的高压脉冲发射电路的说明图。
图3为本发明实施例中的样品厚度与非线性参量的变化曲线图。
图4为本发明实施例中使用的低通滤波器的幅频曲线图。
图5为本发明实施例的低通滤波器电路设计图。
图6为本发明实施例中低通滤波后的激励脉冲信号。
符号说明
1 上位机模块
2 单片机模块
3 高压脉冲发射电路
4 低通滤波电路
5 超声波发射探头
6 待测材料
7 超声波接收探头
8 高压隔离衰减电路
9 信号采集电路
10 FPGA模块。
具体实施方式
以下结合优选的实施方式及附图说明本发明的技术特征，这旨在说明本发明而不是限制本发明。附图被大大简化以用于进行说明，但不一定按比例绘制。
应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，并且在不相矛盾的前提下，在以下所描述的不同实施方式中的技术特征可以任意组合，而这些都落在本发明的保护范围之内。
[非线性超声导波检测系统]
以下参照图1详细说明本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统的结构组成及特征。图1显示本发明一实施方式的非线性超声导波检测系统的结构示意图。
本发明的非线性超声导波检测系统包括：上位机模块1、单片机模块2、高压脉冲发射电路3、低通滤波电路4、超声波探头(5、7)、高压隔离衰减电路8、信号采集电路9、和FPGA模块10。
上述上位机模块1用于接收采样数据并对数据进行处理获得采样的损伤评价结果，同时向单片机模块2输出配置信息。
上述单片机模块2用于接收来自上位机模块1的配置信息，产生相应的高频互补PWM脉冲信号，并且接收采样回波数据并进行处理，并将采样回波数据传输给上位机模块1。
上述高压脉冲发射电路3与单片机模块2连接，用于接收其产生的高频互补PWM脉冲信号，从而产生高压脉冲方波信号。
上述低通滤波电路4与高压脉冲发射电路3连接，用于接收其输出的高压脉冲方波信号，从而产生高频高压正弦波信号。
超声波探头包括超声波发射探头5和超声波接收探头7，分别安装于待测材料6的两端，用于将超声波信号和电信号相互转换，其中超声波发射探头5用于将高频高压正弦波信号转换为超声波信号，超声波接收探头7用于将超声波信号转换为回波信号。
上述高压隔离衰减电路8与超声波接收探头7连接，接收其回波信号，并对该回波信号进行隔离和衰减。
上述信号采集电路9与高压隔离衰减电路8连接，用于采集回波信号并将其转换成数字信号。
FPGA模块10用于控制信号采集电路9进行采集回波信号，并读取其采样数据，最后将数据传输至单片机模块2。
作为待测材料6，没有特别限定，可以是金属、塑料、陶瓷、玻璃、复合材料等，但在本发明中，优选使用金属材料作为待测材料。作为待测材料的形状，没有特别限定，例如可以是截面为正方形、矩形、三角形、圆形、扁圆形或其他不规则形状的材料，本发明中，为了便于对称安装超声波探头，优选使用两端截面为正方形的规则材料。
根据本发明的非线性超声导波检测系统，采用高频高压激励信号对待测材料进行探伤，回波中基波和谐波的幅值较明显，具有非常好的非线性超声效应，评价结果更准确。此外，采用高压脉冲发射电路来产生高压信号，克服了传统芯片无法生成高压信号的难题。
在一些优选的实施方式中，上述高压脉冲发射电路3可采用类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号。通过采用类H桥Mos驱动电路，能够提供稳定可靠的前端激励信号电压，通过输入不同的供电电压，可以提供不同的激励电压，方便对比各个电压的超声效应。在一个优选的实施方式中，控制类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号，高压可达到192V。
本发明系统中，上位机模块1输出配置信号，可以控制单片机模块2产生相应的高频互补PWM脉冲信号，高压脉冲发射电路3接收单片机模块2产生的高频互补PWM脉冲信号，从而产生高压脉冲方波信号。在一些优选的实施方式中，单片机模块产生的高频互补PWM脉冲信号具有一种以上的高频、任意脉冲个数和任意脉冲间隔。在一些优选的实施方式中，上述脉冲的频率范围可以为1MHZ到10MHZ，优选2MHZ到8MHZ，更优选2MHZ到6MHZ，特别优选2MHZ、3MHZ、4MHZ、5MHZ、6MHZ；脉冲个数可以设置为4到32个，优选4到24个，更优选4到20个，进一步优选4到10个，特别优选4、6、8、10个。超声导波检测时，超声效应会受到激发电压频率的影响，所以需要输入不同频段的激励电压信号。通过控制产生多种高频高压激励信号，可以适应于更多型号材料的无损检测结果判断，提高了系统的检测探伤适用性。通过控制脉冲个数，可以达到对不同厚度的材料进行超声探伤的效果，但是材料厚度较薄时，如果采用多脉冲，则会造成回波信号与激励信号重叠，对结果产生影响。控制一段脉冲的间隔时间，可以达到多次测量求平均的效果，可以稳定看出激励电压的超声效应。
在一些优选的实施方式中，单片机模块2可以通过UART与上位机模块1进行数据通信，该通信方式较为简单，使用范围广。
本发明系统中，低通滤波电路4可以采用切比雪夫滤波电路，优选地，可采用六阶切比雪夫滤波电路。通过低通滤波电路可滤掉高压方波中的高次正弦波信号，产生高频高压正弦波信号。采用切比雪夫低通滤波器时，其阻带特性较好，幅值响应下降迅速，因而优选。
在一些优选的实施方式中，超声波发射探头5和超声波接收探头7分别对称地安装于待测材料6两端，且通过耦合剂进行安装。通过对称地安装超声波发射探头5和超声波接收探头7，可以保证回波信号更完整的被接收到，如果倾斜或不对称地安装，则会造成一部分回波信号的衰减，有可能影响判断结果。
在一些优选的实施方式中，高压隔离衰减电路8包括隔离电路和衰减电路，其中隔离电路将回波信号隔离，衰减电路将回波信号衰减。衰减电路中，可以控制衰减倍数为2、3、4等。通过隔离电路和衰减电路，保证回波信号被限制在一定电压范围以内，方便后续信号采集电路对信号的采集，即不影响后续信号的采集，因为信号采集电路对信号的幅值有一定的限制。
在一些优选的实施方式中，FPGA模块10通过并行数据总线与信号采集电路9进行通信，并通过FIFO缓存电路将数据通过UART传到单片机模块2。本发明系统中，单片机模块2通过IO口触发采集信号，之后FPGA模块10通过并行数据总线与信号采集电路9进行通信，并进行FIFO缓存数据，优选地FIFO缓存大小可设置为32KB、64KB、128KB等。回波信号由信号采集电路进行采集，然后通过FPGA模块进行读取，由于采集速度远高于传输速度，为保证采集数据的连续性以及准确性，需要在FPGA模块中使用FIFO缓存。在上述的回波信号采集过程中，优选采用A/D差分信号输入，由此可提高系统的信噪比。
上述信号采集电路9优选由FPGA模块10通过锁相环倍频提供65M高频时钟来采集回波信号，其中采样位数为12位，采样精度可以达到0.2mV。
在不影响本发明的效果的情况下，上述FPGA模块10优选设有指示灯，用于指示数据开始采集、采集完成和传输完成三个状态。通过设置指示灯，可方便系统的调试与检修。
在一些优选的实施方式中，上位机模块1接收到回波数据后，通过快速傅里叶变换计算波形各频率的幅值，并通过二次谐波的幅值A2比基波幅值的平方A12计算出非线性参量β，最后根据理论非线性参量β0和标准损伤曲线库对比得出实际的损伤评价结果。
在本发明的非线性超声导波检测系统中，优选在各模块的输出端均串并联电阻和电容，由此可保证前级电路和后级电路的阻抗匹配，提高了整个系统中信号的完整性。
[非线性超声导波检测方法]
以下参照图1详细说明本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测方法。
本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测方法包括以下步骤(1)～(6)：
(1)由上位机模块1控制单片机模块2产生高频互补PWM脉冲信号。在一些优选的实施方式中，上述脉冲信号的频率范围可以为1MHZ到10MHZ，优选2MHZ到8MHZ，更优选2MHZ到6MHZ，特别优选2MHZ、3MHZ、4MHZ、5MHZ、6MHZ；脉冲个数可以设置为4到32个，优选4到24个，更优选4到20个，进一步优选4到10个，特别优选4、6、8、10个。
(2)通过高压脉冲发射电路3接收高频互补PWM脉冲信号并产生高压脉冲方波信号。优选地，高压脉冲发射电路3采用类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号，在一个优选的实施方式中，控制类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号，高压可达到192V。
(3)通过低通滤波电路4接收上述高压脉冲方波信号并产生高频高压正弦波信号。在一些优选的实施方式中，低通滤波电路4可以采用切比雪夫滤波电路，优选采用六阶切比雪夫滤波电路；
(4)通过超声波发射探头5接收上述高频高压正弦波信号并将其转换成超声波信号在待测材料6中传输，之后通过超声波接收探头7将超声波信号转换成回波电信号。
(5)通过高压隔离衰减电路8对回波信号隔离和衰减，由信号采集电路9将回波信号转换成数字信号。在一些优选的实施方式中，高压隔离衰减电路8包括隔离电路和衰减电路，其中衰减电路可以控制衰减倍数为2、3、4等。
(6)通过FPGA模块10读取上述信号采集电路9中的数据，并传输至上述单片机模块2以进行处理，最后将数据传输至上述上位机模块1进行频谱分析以得出损伤评价结果。在一些优选的实施方式中，FPGA模块10通过并行数据总线与信号采集电路9进行通信，并进行FIFO缓存数据，优选地FIFO缓存大小设置为32KB、64KB、128KB等。
实施例
以下通过实施例进一步说明本发明的构成及其优点，但应知晓，以下实施例只是实施本发明的例示，并不意图限定本发明的保护范围。
为了实施本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，采用类H桥Mos驱动电路作为高压脉冲发射电路以产生高压脉冲方波信号，并且采用切比雪夫(Chebyshev)滤波器作为低通滤波电路以用于接收高压脉冲方波信号，从而产生高频高压正弦波信号。以下结合图2～6进行详细说明，图2为本发明实施例中的高压脉冲发射电路的说明图，图3为本发明实施例中的样品厚度与非线性参量的变化曲线图，图4为本发明实施例中使用的低通滤波器的幅频曲线图，图5为本发明实施例的低通滤波器电路设计图，图6为本发明实施例中低通滤波后的激励脉冲信号。
(高压脉冲发射电路)
本发明系统中使用类H桥Mos驱动电路作为高压脉冲发射电路来产生高压激励信号，如图2所示。图2中“激励电压”部分类似于一个“H”，由此称为类H桥驱动电路，其中“P驱动”表示正向电压驱动，“N驱动”表示反向电压驱动，用于驱动Mos管输出，“激励电压”为最后的输出，通过四个通道IN1、IN2、IN3和IN4控制4个Mos管。
通过改变供电电压的输入，可以获取不同的激励电压，最高达到(96-(-96))＝192V，通过实验测试，发现随着测试样品厚度的增加，其非线性参量不断增加，存在积累效应，说明具有超声非线性，可以进行探伤。
实验测试数据如下：
样品：铝合金，测试厚度分别为30、50、70mm；
检测系统脉冲电压：96V；
激发脉冲个数：10个；
激发脉冲频率：2MHZ；
激发探头和接收探头：2.25MHZ和5MHZ。
不同厚度样品的非线性效应结果示于下述表1。
表1不同厚度下的非线性效应
Figure BDA0003135943590000111
其中β为非线性参量，在30mm、50mm和70mm厚度下进行三次测试，取其平均值作为结果。A1为回波中基波幅值，A2为回波中二次谐波幅值。
根据上述测定的结果，制作了样品厚度与非线性参量的变化曲线图，如图3所示。
(低通滤波电路)
本发明系统使用切比雪夫滤波器作为低通滤波电路，其幅度平方函数式定义如下所示：
Figure BDA0003135943590000121
其中ε是一个小于1的常数，常数的大小表征通带内纹波大小，ωc是通带内截止频率，Tn为切比雪夫多项式。
切比雪夫滤波器具有以下基本特征：
(1)ω＝ωc时，所有幅度响应曲线都通过
Figure BDA0003135943590000122
该点为截止频率所在点。
(2)ω≤ωc时，幅值响应在
Figure BDA0003135943590000123
之间起伏。
切比雪夫滤波器的阻带特性较好，幅值响应下降迅速，对于本发明系统这种滤除方波中的高次谐波信号，较为合适。但同时由于此滤波器会在通带内出现纹波(纹波的程度由ε决定)，可能会导致在通带频段内信号幅值不稳定，因此需要对ε提出一定的要求。因此在实际当中选择的时候，需要选择合适的ε参数来减少通带内的纹波，具体则是通过滤波器的阶数来选则合适的ε，即通过电容和电感的个数选择。
本发明系统中激发脉冲为2MHZ，如果采取截止频率为2MHZ，则实际中2MHZ会有-3db的衰减，所以实际采取截止频率为2.4MHZ，在选定完参数之后，在仿真软件Proteus上面进行仿真测试并得出低通滤波器的幅频曲线如图4所示。
通过观察图4可以发现，在2MHZ附近衰减倍数几乎为0，而达到2.4MHZ及之后时，开始有较大的衰减，可以得出设计的低通滤波器能够满足理论验证。
在理论验证完成之后，进行本发明系统的实际的低通滤波器设计，电路设计图如图5所示。图5中，IN为高压脉冲输入，OUT为脉冲输出，C为电容，L为电感。滤波器为9阶，5个电容，4个电感。电容的参数依次为：1580pF、2830pF、2920pF、2830pF、1580pF；电感的参数依次为：4.7uH、5.4uH、5.4uH、4.7uH。
使用本发明涉及的低通滤波器对由类H桥Mos驱动电路产生的高压脉冲方波信号进行滤波，滤掉高次谐波之后的波形如图6所示，可以看出，波形平滑且符合正弦波波形形状，波形之间无小脉冲等杂波波形，产生了良好的高频高压正弦波信号。由此可知，实际低通滤波器的滤波性能良好，幅值衰减能够满足本发明的非线性超声导波检测要求。
本发明系统采用类H桥Mos电路和切比雪夫低通滤波器产生的激励信号进行材料探伤，通过多次对不同厚度的材料进行探伤数据采集(如表1数据展示)，发现回波中基波与二次谐波的波形均较明显，且随着材料厚度的增加，计算出的非线性参量值也逐步增大，说明存在积累效应，有较好的非线性超声效应，评价结果更加准确。
最后，应当理解，上述实施方式和实施例的说明在所有方面均为例示，不构成对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不背离本发明的精神的范围内无需创造性劳动就可以进行各种改进。本发明的范围是由权利要求书来表示的，而不是由上述实施方式或实施例来表示的。此外本发明的范围包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。
工业上的可利用性
本发明的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法采用高频高压激励信号对待测材料进行探伤，回波中基波和谐波的幅值较明显，具有更好的非线性超声效应，评价结果更准确。本发明的非线性超声导波检测系统及方法在钢铁工业、冶金、建筑等领域的金属材料超声无损检测方面具有前景和应用价值。

Claims (10)

1.面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，包括：
上位机模块，用于接收采样数据并对数据进行处理获得采样的损伤评价结果，同时向单片机模块输出配置信息；
单片机模块，用于接收来自所述上位机模块的配置信息，产生相应的高频互补PWM脉冲信号，并且接收采样回波数据并进行处理，并将采样回波数据传输给所述上位机模块；
高压脉冲发射电路，与所述单片机模块连接，用于接收其产生的高频互补PWM脉冲信号，从而产生高压脉冲方波信号；
低通滤波电路，与所述高压脉冲发射电路连接，用于接收其输出的高压脉冲方波信号，从而产生高频高压正弦波信号；
超声波探头，包括超声波发射探头和超声波接收探头，分别安装于待测材料两端，用于将超声波信号和电信号相互转换；
高压隔离衰减电路，与所述超声波接收探头连接，接收其回波信号，并对该回波信号进行隔离和衰减；
信号采集电路，与所述高压隔离衰减电路连接，用于采集回波信号并将其转换成数字信号；以及
FPGA模块，用于控制信号采集电路进行采集回波信号，并读取其采样数据，最后将数据传输至所述单片机模块。
2.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述高压脉冲发射电路采用类H桥Mos驱动电路产生高压方波信号。
3.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述单片机模块产生的高频互补PWM脉冲信号具有一种以上的高频、任意脉冲个数和任意脉冲间隔。
4.根据权利要求3所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述单片机模块通过UART与所述上位机模块进行数据通信。
5.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述低通滤波电路采用切比雪夫滤波电路。
6.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述超声波发射探头和所述超声波接收探头分别对称地安装于待测材料两端，且通过耦合剂进行安装。
7.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述高压隔离衰减电路包括隔离电路和衰减电路，所述隔离电路将回波信号隔离，所述衰减电路将回波信号衰减。
8.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述FPGA模块通过并行数据总线与信号采集电路进行通信，并通过FIFO缓存电路将数据通过UART传到所述单片机模块。
9.根据权利要求1所述的面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述上位机模块接收到回波数据后，通过快速傅里叶变换计算波形各频率的幅值，并通过二次谐波的幅值比基波幅值的平方计算出非线性参量，最后根据理论非线性参量和标准损伤曲线库得出实际的损伤评价结果。
10.面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
由上位机模块控制单片机模块产生高频互补PWM脉冲信号；
通过高压脉冲发射电路接收所述高频互补PWM脉冲信号并产生高压脉冲方波信号，
通过低通滤波电路接收所述高压脉冲方波信号并产生高频高压正弦波信号；
通过超声波发射探头接收所述高频高压正弦波信号并将其转换成超声波信号在待测材料中传输，之后通过超声波接收探头将超声波信号转换成回波电信号；
通过高压隔离衰减电路对回波信号隔离和衰减，由信号采集电路将回波信号转换成数字信号；
通过FPGA模块读取所述信号采集电路中的数据，并传输至所述单片机模块以进行处理，最后将数据传输至所述上位机模块进行频谱分析以得出损伤评价结果。
CN202110718417.1A 2021-06-28 2021-06-28 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法 Active CN113447568B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110718417.1A CN113447568B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110718417.1A CN113447568B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113447568A true CN113447568A (zh) 2021-09-28
CN113447568B CN113447568B (zh) 2022-11-22

Family

ID=77813264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110718417.1A Active CN113447568B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113447568B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113907795A (zh) * 2021-11-03 2022-01-11 天津大学 一种应用于血管内超声成像的收发系统
CN114324608A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 中广核检测技术有限公司 全数字式非线性检测装置及方法
CN114910565A (zh) * 2022-07-19 2022-08-16 天津市特种设备监督检验技术研究院(天津市特种设备事故应急调查处理中心) 一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9157898B1 (en) * 2010-03-22 2015-10-13 Lutron Electronics Co., Inc. Ultrasonic receiving circuit
CN106093213A (zh) * 2016-08-04 2016-11-09 河北工业大学 便携式电磁超声脉冲激发装置
CN110836927A (zh) * 2019-11-27 2020-02-25 复旦大学 基于pwm编码激励的非线性超声导波检测系统及方法
CN110865124A (zh) * 2019-11-27 2020-03-06 华东理工大学 一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法
CN111157623A (zh) * 2020-01-17 2020-05-15 中山大学 一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9157898B1 (en) * 2010-03-22 2015-10-13 Lutron Electronics Co., Inc. Ultrasonic receiving circuit
CN106093213A (zh) * 2016-08-04 2016-11-09 河北工业大学 便携式电磁超声脉冲激发装置
CN110836927A (zh) * 2019-11-27 2020-02-25 复旦大学 基于pwm编码激励的非线性超声导波检测系统及方法
CN110865124A (zh) * 2019-11-27 2020-03-06 华东理工大学 一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法
CN111157623A (zh) * 2020-01-17 2020-05-15 中山大学 一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
艾伯特·马尔维诺 等著: "《电子电路原理》", 31 January 2020 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113907795A (zh) * 2021-11-03 2022-01-11 天津大学 一种应用于血管内超声成像的收发系统
CN113907795B (zh) * 2021-11-03 2024-03-29 天津大学 一种应用于血管内超声成像的收发系统
CN114324608A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 中广核检测技术有限公司 全数字式非线性检测装置及方法
CN114910565A (zh) * 2022-07-19 2022-08-16 天津市特种设备监督检验技术研究院(天津市特种设备事故应急调查处理中心) 一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法
CN114910565B (zh) * 2022-07-19 2022-09-27 天津市特种设备监督检验技术研究院(天津市特种设备事故应急调查处理中心) 一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113447568B (zh) 2022-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113447568B (zh) 面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法
CN113325075A (zh) 一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法
CN100510738C (zh) 利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法
CN1865980B (zh) 近表面缺陷的超声检测方法
CN102692453B (zh) 一种基于非线性声学的材料无损检测方法和装置
CN110836927B (zh) 基于pwm编码激励的非线性超声导波检测系统及方法
CN103148815A (zh) 基于声压反射系数自相关函数的薄层厚度超声检测方法
CN104297110A (zh) 一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法
CN111157623A (zh) 一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置
CN102608212A (zh) 基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法
CN105424804A (zh) 一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法
CN105424810A (zh) 纤维增韧陶瓷基复合材料均匀性评价方法
CN106198727A (zh) 一种用于金属圆管损伤评价的非线性周向超声导波方法
CN110865124B (zh) 一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法
CN110687213A (zh) 一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法
CN116298720A (zh) 一种电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统
CN211505333U (zh) 一种非线性超声导波检测装置
CN112730613B (zh) 一种复合板粘接层性能退化评估方法
CN110208383A (zh) 一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法
CN104749082A (zh) 孔隙含量超声多功能评价方法及装置
CN205844271U (zh) 一种基于差频非线性超声检测金属薄板微裂纹的检测系统
da Silva et al. Development of circuits for excitation and reception in ultrasonic transducers for generation of guided waves in hollow cylinders for fouling detection
CN108195934B (zh) 基于时频分析的超声导波检测频率优选方法
Zagrai et al. N‐Scan®: New Vibro‐Modulation System for Crack Detection, Monitoring and Characterization
CN110702801A (zh) 基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant