CN113758617B - 一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统及其检测方法。步骤1：标定待测对象的LCR波速度；步骤2：基于步骤1的待测对象的LCR波速度及待测对象深度方向的应力梯度测量范围，计算宽带扫频信号的起始频率和截止频率；步骤3：基于步骤2的起始频率和截止频率的相位延迟，将相位延迟换算为时间延迟信息；步骤4：基于步骤3的时间延迟信息，确定不同频率分量对应深度的应力，最终实现被测对象不同深度处应力的逐层扫描。本发明用以解决应力梯度测量准确度低的问题，实现深度方向上的应力梯度高效表征。

Description

一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系 统及其检测方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域；具体涉及一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统及其检测方法。
背景技术
在航空航天领域，机械结构部件总是在复杂的应力状态下工作，包括拉应力、压应力及其两者的组合。这些应力的存在对机械结构部件的强度、疲劳寿命和尺寸稳定性具有重大影响，在大多数情况下，这些应力会使构件的强度降低，并在制造过程中产生变形和裂纹等工艺缺陷，造成构件的疲劳寿命缩短。因此，掌握构件中的应力状态(应力大小、方向和梯度分布)对构件的性能、运行状况以及寿命估计具有重要作用。目前，应力测量方法已达十几种，依据是否对构件造成破坏性，可将其分为有损检测和无损检测两大类，无损检测方法可以在不损害被测构件使用性能的前提下，通过表征声速、磁场等特性物理量与应力之间的关系来进行应力测量，超声波法凭借其测量装置简单、适用范围广等独特的优势而得到广泛的应用。
现有技术在测量不同层的应力时，应力的长度平均范围不同，若应力在沿材料长度方向的均匀性较差，计算得到的应力梯度测量结果准确度大大较低。
现有技术仅在时域计算有无应力对比信号之间的声时差，对于宽频换能器，其激励信号中包含了大量的频率成分，不同频率信号在被测对象内部不同深度位置传播，但是时域法计算的声时差无法准确反应被测对象不同深度的内应力对超声信号不同频率分量的影响，基于这种声时测量方法得到的应力为一定深度范围内的平均应力，无法反应被测对象内部深度上的应力梯度。
利用声弹性对被测对象的内部应力进行测量时，由于应力引起的超声波速度变化非常小，通常100MPa的应力大约引起超声波传播速度1％的变化，这样微小的速度改变量很难测准，因此实际的超声应力测量装置通常根据固定距离内超声波传播声时的变化来对应力进行表征。
发明内容
本发明提出的一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统及其检测方法，用以解决应力梯度测量准确度低的问题，实现深度方向上的应力梯度高效表征。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统，所述检测系统包括任意波形发生器1、功率放大器2、发射探头3、接收换能器4、高带宽接收放大装置5、单通道高速数据采集系统6和PC机7，所述任意波形发生器1与功率放大器2相连接，所述功率放大器2与发射探头3相连接，所述发射探头3与接收换能器4均设置在标定装置上，所述接收换能器4与高带宽接收放大装置5相连接，所述高带宽接收放大装置5与单通道高速数据采集系统6相连接，所述单通道高速数据采集系统6与PC机7相连接。
进一步的，所述标定装置包括发射探头3、接收换能器4、楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55，所述楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55分立在被测对象51的两端，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55上设置发射探头3，所述楔块Ⅱ55或楔块Ⅰ53上设置接收换能器4，所述发射探头3和接收换能器4相对设置，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55在一个平面上。
一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，所述应力梯度高效无损检测方法包括以下步骤：
步骤1：标定待测对象的LCR波速度；
步骤2：基于步骤1的待测对象的LCR波速度及待测对象深度方向的应力梯度测量范围，计算宽带扫频信号的起始频率和截止频率；
步骤3：基于步骤2的起始频率和截止频率的相位延迟，将相位延迟换算为时间延迟信息；
步骤4：基于步骤3的时间延迟信息，确定不同频率分量对应深度的应力，最终实现被测对象不同深度处应力的逐层扫描。
进一步的，所述步骤1中标定待测对象的LCR波速度中的标定装置包括发射探头3、接收换能器4、楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55，所述楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55分立在被测对象51的两端，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55上设置发射探头3，所述楔块Ⅱ55或楔块Ⅰ53上设置接收换能器4，所述发射探头3和接收换能器4相对设置，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55在一个平面上。
进一步的，所述步骤1标定装置中楔块的传播速度已知，被测对象51LCR波的传播速度通过折射定律进行计算得出；利用经过汉宁窗调制的5周期正弦波激励发射探头3，同时触发数据采集板卡采集接收换能器(4)的超声信号，调整收发探头的偏转角度，计算接收信号的能量，当收发探头的偏转角度满足第一临界折射角时，接收换能器收到信号的能量最高，此时被测对象LCR波的传播速度满足：
Figure BDA0003257068030000031
式中，c0为楔块的传播速度，θ0为楔块的偏转角度。
进一步的，所述步骤2具体为，确定被测对象深度方向的应力梯度测量范围，测量的起始深度为d0，测量的截止深度为d1；线性扫频信号的起始频率为f0＝c/d1，截止频率为f1＝c/d0，扫频信号的带宽B＝f1-f0，设置激励信号的脉冲宽度为T，则宽带扫频信号可以表示为：
S＝exp(j2πBt2/T) (2)
将产生的宽带扫频信号数据装载到任意波形发生器中，即产生用于激励发射探头的宽带扫频信号。
进一步的，其特征在于，所述步骤3具体为，对发射探头的激励信号和接收换能器的采集信号分别进行FFT变换，傅里叶变换后的信号不仅包含了各个频率分量的幅值信息，同时包含了相位信息，计算同一频率处两个信号的相位差，相位差
Figure BDA0003257068030000032
与超声信号的传播延迟的关系满足：
Figure BDA0003257068030000033
其中，w为信号的角频率，Δt为对应角频率信号的延迟时间。
进一步的，所述步骤4具体为，
进行FFT变换时，以对原始信号进行扩展，即增大FFT的点数，从而提高FFT变换后的频率分辨力，相应地就可以提高深度方向的应力梯度空间分辨力，计算宽带扫频信号中不同频率分量的延迟时间，即可得到对应被测对象内部不同深度层的应力，利用应力的叠加关系，最终实现被测对象深度方向的应力梯度测量；
若频率f1对应测量深度为D1，其测量应力值为σ1，频率f2对应测量深度为D2，其测量应力值为σ2，则D1-2层的应力值σ1-2有：
Figure BDA0003257068030000034
本发明的有益效果是：
本发明的测量装置中采用一组偏转角度任意可调的超声探头，根据当收发探头的偏转角度满足第一临界折射定律时，接收换能器得到的LCR波能量最大的条件，实现了对LCR波传播速度的高精度表征，整个测量装置简单易操作。
本发明根据不同频率LCR波的应力检测深度以及被测对象深度方向的目标检测范围，计算宽带扫频信号的起始频率和截止频率，生成相应的线性扫频信号作为超声探头的激励信号，保证超声探头激励出的超声波的波长范围完全覆盖目标检测深度，相对于传统的窄带信号激励多组探头才能覆盖检测深度，这种高带宽探头配合扫频信号的激励方式降低了检测成本，提高了检测的便捷性。
本发明对原始激励信号和接收换能器采集到的超声信号进行FFT变换，计算不同频率处对应的相位延迟，根据公式可以折算为时域的时间延迟，不同频率对应的时间延迟又对应的不同检测深度的应力，从而计算被测对象目标深度范围内的应力梯度。通过频域方法计算声时差的一个优点就是原信号中的高斯白噪声的作用可以被大大减弱，有效提高声时差计算的抗干扰能力。
附图说明
附图1是本发明的标定装置示意图。
附图2是本发明的测量系统示意图。
附图3是本发明的宽带扫频信号的时域波形图。
附图4是本发明的宽带扫频信号的频域波形图。
附图5是本发明的应力梯度超声检测模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统，所述检测系统包括任意波形发生器1、功率放大器2、发射探头3、接收换能器4、高带宽接收放大装置5、单通道高速数据采集系统6和PC机7，所述任意波形发生器1与功率放大器2相连接，所述功率放大器2与发射探头3相连接，所述发射探头3与接收换能器4均设置在标定装置上，所述接收换能器4与高带宽接收放大装置5相连接，所述高带宽接收放大装置5与单通道高速数据采集系统6相连接，所述单通道高速数据采集系统6与PC机7相连接。
进一步的，所述任意波形发生器1的正极与功率放大器2的正极相连接，所述任意波形发生器1的负极与功率放大器2的负极相连接，所述功率放大器2的正极与发射探头3相连接，所述功率放大器2的负极与发射探头3相连接，所述发射探头3与接收换能器4均设置在标定装置上，所述接收换能器4与高带宽接收放大装置5的正极相连接，所述接收换能器4与高带宽接收放大装置5的负极相连接，所述高带宽接收放大装置5的正极与单通道高速数据采集系统6中的数模转换芯片的正极相连接，所述高带宽接收放大装置5的负极与单通道高速数据采集系统6中的数模转换芯片的负极相连接，所述单通道高速数据采集系统6中的数模转换芯片与单通道高速数据采集系统6中的PFGA芯片相连接，所述单通道高速数据采集系统6中的PFGA芯片与单通道高速数据采集系统6中的PXIE总线，所述单通道高速数据采集系统6中的PXIE总线与PC机7相连接。
任意波形发生器1产生的信号为低压扫频信号，必须经过功率放大器2进行放大后，才能激励起发射探头3，LCR波沿被测对象上表面传播，被接收换能器4接收，接收信号为mV量级的微弱信号，其不易被采集，且容易受到随机电子噪声的干扰，因此必须对原信号进行非失真放大，然后对放大信号进行带宽滤波。接收换能器4得到的原始信号输入到高带宽输入放大装置5中，通过增益粗调与增益微调保证信号放大到数模转换芯片的输入范围内，再根据扫频信号的带宽设置低通滤波器的下线截止频率和上限截止频率，经过放大和滤波后的信号输入到单通道高速数据采集系统6中，通过FPGA芯片对信号进行编码处理，将采样信号利用PXIE总线传输到上位机7中，存储起来，用于后续的离线处理。
进一步的，所述标定装置包括发射探头3、接收换能器4、楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55，所述楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55分立在被测对象51的两端，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55上设置发射探头3，所述楔块Ⅱ55或楔块Ⅰ53上设置接收换能器4，所述发射探头3和接收换能器4相对设置，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55在一个平面上。
一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，所述应力梯度高效无损检测方法包括以下步骤：
步骤1：标定待测对象的LCR波速度；因为超声波的传播速度和激励频率共同决定超声波的波长，波长又决定着LCR波应力测量的深度，对待测对象LCR波的传播速度进行高精度表征至关重要；
步骤2：基于步骤1的待测对象的LCR波速度及待测对象深度方向的应力梯度测量范围，计算宽带扫频信号的起始频率和截止频率；利用数学工具产生相应的波形数据，装载到波形发生器中产生相应的波形；将波形发生器产生的激励信号经过功率放大器进行放大后，连接到发射换能器，另一端的接收换能器的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行离线处理；对激励信号和接收信号进行FFT，计算不同频率分量处；
步骤3：基于步骤2的起始频率和截止频率的相位延迟，将相位延迟换算为时间延迟信息；
步骤4：基于步骤3的时间延迟信息，确定不同频率分量对应深度的应力，最终实现被测对象不同深度处应力的逐层扫描。
进一步的，所述步骤1中标定待测对象的LCR波速度中的标定装置包括发射探头3、接收换能器4、楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55，所述楔块Ⅰ53和楔块Ⅱ55分立在被测对象51的两端，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55上设置发射探头3，所述楔块Ⅱ55或楔块Ⅰ53上设置接收换能器4，所述发射探头3和接收换能器4相对设置，所述楔块Ⅰ53或楔块Ⅱ55在一个平面上。
进一步的，所述步骤1标定装置中楔块的传播速度已知，被测对象51LCR波的传播速度通过折射定律进行计算得出；利用经过汉宁窗调制的5周期正弦波激励发射探头3，同时触发数据采集板卡采集接收换能器(4)的超声信号，不断调整收发探头的偏转角度，计算接收信号的能量，收发探头的偏转角度需要进行同步高精度调节，角度的调节准确性对速度标定具有一定的影响，当收发探头的偏转角度满足第一临界折射角时，接收换能器收到信号的能量最高，此时被测对象LCR波的传播速度满足：
Figure BDA0003257068030000061
式中，c0为楔块的传播速度，θ0为楔块的偏转角度。
进一步的，所述步骤2具体为，完成LCR波传播速度的标定后，开始产生宽带扫频信号作为发射探头的激励信号；确定被测对象深度方向的应力梯度测量范围，测量的起始深度为d0，测量的截止深度为d1；因为临界折射纵波的应力测量深度与其波长有关，声波能量主要集中在一个波长范围内，所以线性扫频信号的起始频率为f0＝c/d1，截止频率为f1＝c/d0，扫频信号的带宽B＝f1-f0，设置激励信号的脉冲宽度为T，则宽带扫频信号可以表示为：
S＝exp(j2πBt2/T) (2)
将产生的宽带扫频信号数据装载到任意波形发生器中，即产生用于激励发射探头的宽带扫频信号。
进一步的，其特征在于，所述步骤3具体为，对发射探头的激励信号和接收换能器的采集信号分别进行FFT变换，傅里叶变换后的信号不仅包含了各个频率分量的幅值信息，同时包含了相位信息，计算同一频率处两个信号的相位差，相位差
Figure BDA0003257068030000071
与超声信号的传播延迟的关系满足：
Figure BDA0003257068030000072
其中，w为信号的角频率，Δt为对应角频率信号的延迟时间。
进一步的，所述步骤4具体为，
进行FFT变换时，以对原始信号进行扩展，即增大FFT的点数，从而提高FFT变换后的频率分辨力，相应地就可以提高深度方向的应力梯度空间分辨力，计算宽带扫频信号中不同频率分量的延迟时间，即可得到对应被测对象内部不同深度层的应力，利用应力的叠加关系，最终实现被测对象深度方向的应力梯度测量；
若频率f1对应测量深度为D1，其测量应力值为σ1，频率f2对应测量深度为D2，其测量应力值为σ2，则D1-2层的应力值σ1-2有：
Figure BDA0003257068030000073
根据被测对象内部深度方向应力梯度的测量范围，设置扫频信号的起始频率和截至频率，分别对超声换能器的激励信号以及接收到的脉冲信号进行频域变换，计算不同频率分量的相位延迟，然后根据相位变化与声时差之间的对应关系，可以确定被测对象内部应力对扫频信号中不同频率分量的声弹性效应，因为不同频率分量的信号对应不同的测量深度，从而可以通过宽带扫频信号的频域计算实现被测对象内部应力的逐层计算，最终得到深度方向上的应力梯度高效表征。
实施例2
在常温条件下，被测对象为铝板，其为各向同性材料，LCR波在其内部传播的速度为6300m/s，目标深度测量范围是1mm-10mm，则计算可以得到宽带扫频信号的起始频率和截止频率为0.6MHz和6MHz，利用EasyWave软件生成宽带扫频信号波形，然后通过USB通信方式将数据导入到鼎阳信号发生器中，信号发生器产生的低频信号经过安泰功率放大器进行一级放大，利用高压扫频信号激励超声探头，同时产生触发信号，利用高速数据采集板卡采集接收换能器得到的超声信号，在对接收信号采集前，先对信号进行微弱信号和带通滤波，将信号放大到数采卡的输入电压范围，同时滤除信号中的低频噪声和高频噪声，对接收信号连续进行10次采集，将采集到的信号进行平滑滤波，滤除一部分电子噪声，提高接收信号的信噪比。为了得到被测对象内部的绝对应力值，必须首先对零应力测量样品进行测量，得到不同频率信号的零应力声时，然后对实际被测样品进行测量，得到不同频率信号的实际声时，根据被测对象的的声弹性系数以及实测样品与零应力样品之间的声时差，计算得到被测对象内部不同深度的应力值，然后根据应力的叠加关系，最终得到目标深度范围内的应力梯度表征。

Claims (4)

1.一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测系统包括任意波形发生器(1)、功率放大器(2)、发射探头(3)、接收换能器(4)、高带宽接收放大装置(5)、单通道高速数据采集系统(6)和PC机(7)，所述任意波形发生器(1)与功率放大器(2)相连接，所述功率放大器(2)与发射探头(3)相连接，所述发射探头(3)与接收换能器(4)均设置在标定装置上，所述接收换能器(4)与高带宽接收放大装置(5)相连接，所述高带宽接收放大装置(5)与单通道高速数据采集系统(6)相连接，所述单通道高速数据采集系统(6)与PC机(7)相连接；
所述应力梯度高效无损检测方法包括以下步骤：
步骤1：标定待测对象的LCR波速度；
步骤2：基于步骤1的待测对象的LCR波速度及待测对象深度方向的应力梯度测量范围，计算宽带扫频信号的起始频率和截止频率；
步骤3：基于步骤2的起始频率和截止频率的相位延迟，将相位延迟换算为时间延迟信息；
步骤4：基于步骤3的时间延迟信息，确定不同频率分量对应深度的应力，最终实现被测对象不同深度处应力的逐层扫描；
所述步骤1标定装置中楔块的传播速度已知，被测对象(51)LCR波的传播速度通过折射定律进行计算得出；利用经过汉宁窗调制的5周期正弦波激励发射探头(3)，同时触发数据采集板卡采集接收换能器(4)的超声信号，调整收发探头的偏转角度，计算接收信号的能量，当收发探头的偏转角度满足第一临界折射角时，接收换能器收到信号的能量最高，此时被测对象LCR波的传播速度满足：
Figure FDA0003833205060000011
式中，c0为楔块的传播速度，θ0为楔块的偏转角度；
所述步骤3具体为，对发射探头的激励信号和接收换能器的采集信号分别进行FFT变换，傅里叶变换后的信号不仅包含了各个频率分量的幅值信息，同时包含了相位信息，计算同一频率处两个信号的相位差，相位差
Figure FDA0003833205060000012
与超声信号的传播延迟的关系满足：
Figure FDA0003833205060000013
其中，w为信号的角频率，Δt为对应角频率信号的延迟时间。
2.根据权利要求1所述一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤1中标定待测对象的LCR波速度中的标定装置包括发射探头(3)、接收换能器(4)、楔块Ⅰ(53)和楔块Ⅱ(55)，所述楔块Ⅰ(53)和楔块Ⅱ(55)分立在被测对象(51)的两端，所述楔块Ⅰ(53)或楔块Ⅱ(55)上设置发射探头(3)，所述楔块Ⅱ(55)或楔块Ⅰ(53)上设置接收换能器(4)，所述发射探头(3)和接收换能器(4)相对设置，所述楔块Ⅰ(53)或楔块Ⅱ(55)在一个平面上。
3.根据权利要求1所述一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为，确定被测对象深度方向的应力梯度测量范围，测量的起始深度为d0，测量的截止深度为d1；线性扫频信号的起始频率为f0＝c/d1，截止频率为f1＝c/d0，扫频信号的带宽B＝f1-f0，设置激励信号的脉冲宽度为T，则宽带扫频信号表示为：
S＝exp(j2πBt2/T) (2)
将产生的宽带扫频信号数据装载到任意波形发生器中，即产生用于激励发射探头的宽带扫频信号。
4.根据权利要求1所述一种基于宽带扫频信号频域计算的应力梯度高效无损检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤4具体为，
进行FFT变换时，以对原始信号进行扩展，即增大FFT的点数，从而提高FFT变换后的频率分辨力，相应地就能提高深度方向的应力梯度空间分辨力，计算宽带扫频信号中不同频率分量的延迟时间，即可得到对应被测对象内部不同深度层的应力，利用应力的叠加关系，最终实现被测对象深度方向的应力梯度测量；
若频率f1对应测量深度为D1，其测量应力值为σ1，频率f2对应测量深度为D2，其测量应力值为σ2，则D1-2层的应力值σ1-2有：
Figure FDA0003833205060000021
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