CN113960173B - 非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法，系统结构包括超声激励组件，超声激励组件包括超声发射接收器以及分别与其连接的超声发射斜探头和超声收发一体斜探头；两个探头各通过一斜楔设置在待检试件的同一侧表面，斜楔的用于固定探头的压电晶片的安装面与待检试件表面之间形成斜角、及两个探头的入射点之间的距离满足使两个探头的超声波在试件内形成共线混频，从而检测内部损伤。本发明检测方法通过动力组件驱动两个探头沿待检试件的同一侧表面同步移动，完成整个水平截面的扫描，利用数据采集卡及计算机检测软件根据每个扫描位置的混频波信号可对试件结构损伤区域进行成像。特别适用安装位置已定的在役构件的检测。

Description

非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法
技术领域
本发明涉及共线混频检测技术领域，尤其是一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法。
背景技术
钢材等金属材料在长期使用过程中，受自然环境及使用环境等因素的影响，不断累积损伤，这种累积的损伤导致结构性能的退化，一旦这些损伤达到某一临界值，将会导致装备损毁甚至人员安全，因此早期结构损伤的检测与评估成为必要。
对于远小于超声波长的损伤，声波在传播过程中会出现诸如波形畸变、高次谐波滋生、边频带形成等非线性现象。非线性超声检测技术能够表征材料的早期损伤和微小缺陷，非线性超声检测技术包括高次谐波法、非线性谐振法和混频法等。其中，非线性混频法超声检测可分为共线混频和非共线混频。其中双向共线混频相对于其他混频方式来可以保证两个初级波在一条直线上传播从而实现完美混频，因此耦合效果较好。然而，现有的双向共线混频方法需要两个超声探头从试件两侧，即激励装置分别位于待测产品相对的两侧面，然后分别激励超声横波和纵波来实现耦合，但由于现役构件通常已经将一侧面固定安装在相应的安装面上，因此上述需要两个超声探头分别放置在待测产品相对的两侧面上的检测结构不适用对现役构件进行检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法。解决了现役试件由于已经安装完成缺少合适的检测面，导致要将两超声探头分别设置在试件的相对两侧面的现有双向共线混频检测装置及方法不再适用的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，包括超声激励组件，所述超声激励组件包括超声发射接收器以及分别与其连接的超声发射斜探头和超声收发一体斜探头；
两个探头各通过一斜楔设置在待检试件的同一侧表面，两个探头的入射点之间的距离L设定为：
Figure BDA0003259135570000011
其中，H为待检试件厚度，cLM为折射纵波在待检试件中传播速度，cSM为折射横波在待检试件中传播速度；
所述斜楔的用于固定探头的压电晶片的安装面与待检试件表面之间形成斜角，使超声发射斜探头、超声发射超声收发一体斜探头的超声波入射方向与入射界面法线之间形成的夹角θ1、θ2满足以下条件：
Figure BDA0003259135570000021
其中，cLG为折射纵波在所述斜楔中的传播速度；
超声发射斜探头、超声收发一体斜探头激发的超声波频率ω1、ω2满足：
Figure BDA0003259135570000022
还包括动力组件，所述动力组件与两个探头连接，用于驱动两个探头沿待检试件的同一侧表面同步移动。
所述动力组件包括X轴移动机构和与其连接的Y轴移动机构。
还包括数据采集器，所述数据采集器内设置有第一板卡和第二板卡，所述第一板卡用于与超声发射接收器的数据端口连接，所述第二板卡用于与所述动力组件的控制器连接。
超声发射斜探头和超声收发一体斜探头的结构均包括：外壳、吸声材料、阻尼块、所述压电晶片和所述斜楔；
斜楔固定在所述外壳中，且底面用于与待检试件贴合；压电晶片通过所述阻尼块固定在斜楔的安装面上；外壳中其余空间被所述吸声材料填充。
一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统的检测方法，所述检测系统的结构还包括动力组件和数据采集器，数据采集器内设置有第一板卡和第二板卡；
所述检测方法具体包括：
将超声发射接收器的发射端口与超声发射斜探头连接，将超声发射接收器的发射/接收端口与超声收发一体斜探头连接；将所述第一板卡与超声发射接收器的数据端口连接，将所述第二板卡与所述动力组件的控制器连接；
将两个探头各通过一斜楔设置在待检试件的同一侧表面，且两个探头的入射点之间的距离设定为L，然后将两探头同时连接于所述动力组件上；
启动超声发射接收器，使超声发射斜探头和超声收发一体斜探头分别激发入射角为θ1、θ2的超声纵波；
启动动力组件，按照设定的步数和路径驱动两个探头沿待检试件表面同步移动，对试件整个表面进行扫描，使得扫描点呈矩阵分布，记录并保存所有扫描点的位置信息和获得的反馈超声信号；
提取反馈超声信号混频波时域范围内的最大幅值，以扫描路径的坐标轴作为重建图像的坐标轴，以所述最大幅值作为重建图像的颜色，得到沿扫描路径重建的关于最大幅值的数据矩阵，从而获得扫描图像。
本发明的有益效果如下：
本发明通过设置入射角度和位置，将两探头放在试件的同一侧面，即可实现共线混频检测，适用各类试件的检测，特别适用安装位置固定检测空间受限制的在役构件的检测。
本发明通过动力组件驱动探头沿特定路径移动，实现平面扫描，并利用扫描结果重建图像，建立损伤参数与图片颜色之间的关系，通过输出图像直接判断试件内的损伤情况，提高了可视化程度。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
图2为本发明实施例的超声信号传播原理示意图。
图3为本发明实施例的超声发射斜探头的结构示意图。
图4为本发明实施例的动力组件的结构示意图。
图5为本发明实施例的检测方法的平面扫描路径示意图。
图中：1、超声发射斜探头；2、探头固定支架；3、待检试件；4、超声收发一体斜探头；5、X轴丝杠；6、Y轴丝杠；7、数据采集器；8、计算机；9、超声发射接收器；10、外壳；11、吸声材料；12、斜楔；13、阻尼块；14、压电晶片；15、第二步进电机；16、丝杠螺母；17、联轴器；18、第一步进电机；19、折射纵波第一次声程；20、折射纵波第二次声程；21、耦合区域；22、折射横波第一次声程。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，包括超声激励组件，可参考图1，超声激励组件包括超声发射接收器9以及分别与其连接的超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4；
如图2所示，两个探头各通过一斜楔12设置在待检试件3的同一侧表面，两个探头的入射点之间的距离L设定为：
Figure BDA0003259135570000031
式(1)中，H为待检试件3厚度，cLM为折射纵波在待检试件3中传播速度，cSM为折射横波在待检试件3中传播速度；
如图3所示，斜楔12的用于固定探头的压电晶片14的安装面与待检试件3表面之间形成斜角，使超声发射斜探头1、超声收发一体斜探头4的超声波入射方向与入射界面法线之间形成的夹角θ1、θ2满足以下条件：
Figure BDA0003259135570000032
式(2)中，cLG为折射纵波在斜楔12中的传播速度；
超声发射斜探头1、超声收发一体斜探头4激发的超声波频率ω1、ω2满足：
Figure BDA0003259135570000033
上述实施例中，可参考图3，超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4的结构均包括：外壳10、吸声材料11、阻尼块13、压电晶片14和斜楔12；
斜楔12固定在外壳10中，且底面用于与待检试件3贴合；压电晶片14通过阻尼块13固定在斜楔12的安装面上；外壳10中其余空间被吸声材料11填充。
其中，压电晶片14用以发射和接收超声波，斜楔12保证压电晶片14发射的超声波按照设定的入射角倾斜入射到斜楔与试件的界面，从而能够在试件内形成特定波形和角度的声束，阻尼块13用以对压电晶片14起支承作用、以及对晶片振动起阻尼作用，吸声材料11用以对斜楔12内的反射声波进行吸收以减少噪声，外壳10起保护作用。
其中，超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4的结构相同，各自的斜楔12的摆放角度、安装面与试件表面的角度不同，由图3可知，超声发射斜探头1的斜楔12的底角即压电晶片14的安装面与试件表面之间的角度为θ1，从而使超声发射斜探头1的超声波入射方向与入射界面(试件与斜楔的接触面)法线之间形成的夹角θ1；同样的，超声收发一体斜探头4的斜楔12的底角即压电晶片14的安装面与试件表面之间的角度为θ2，从而使超声收发一体斜探头4的超声波入射方向与入射界面(试件与斜楔的接触面)法线之间形成的夹角θ2。
上述两个探头的入射点之间的距离L、夹角θ1、θ2、以及超声波频率ω1、ω2的设定，可以满足两个探头布置在试件同一侧面的情况下，两者激发的超声波也能形成共线混频，实现以对试件内部损伤进行检测。
上述实施例中，还包括数据采集器7，其内设置有第一板卡和第二板卡，第一板卡用于与超声发射接收器9的数据端口连接，第二板卡用于与动力组件的控制器连接。
作为具体实施形式，数据采集器7采用NI数据采集器，高功率超声发射接收器9的数据端口与所述NI数据采集器7的NI PXI-5114板卡连接，动力组件的两个步进电机的控制器分别与NI数据采集器7的NI USB-6501板卡连接。
上述实施例，还包括动力组件，可参考图1，动力组件与两个探头连接，用于驱动两个探头沿待检试件3的同一侧表面同步移动。
其中，动力组件包括X轴移动机构和与其连接的Y轴移动机构。用于驱动两个探头在待检试件3表面沿X轴、Y轴同步移动。
作为具体实施形式，可参考图4，图4对应于图1的俯视视角。X轴移动机构的结构包括X轴丝杠5，其一端连接第一步进电机18，X轴丝杠5上旋接有丝杠螺母16；Y轴移动机构的结构包括Y轴丝杠6，其上旋接有对应的螺母，并通过螺母与上述第一步进电机18连接，Y轴移动机构一端连接第二步进电机15。步进电机与对应丝杠之间通过联轴器17连接。
其中，丝杠螺母16与如图1所示的探头固定支架2连接，探头固定支架水平延伸，用于与两个探头连接。
工作时，将超声发射接收器9的发射端口与超声发射斜探头1连接，将超声发射接收器9的发射/接收端口与超声收发一体斜探头4连接，两个探头通过耦合剂粘贴在待检试件3的同一侧表面，两个探头的入射点之间的距离L、夹角θ1、θ2的设定满足上述公式的要求；超声发射接收器9通过超声发射斜探头1和超声发射接收斜探头4激发超声纵波，其中超声纵波的频率ω1、ω2满足式(3)的要求。
可参考图2，由于夹角θ2满足公式(2)，θ2为第一临界角，根据超声波传播的Snell定律，所以超声收发一体斜探头4激发的超声纵波入射待检试件3，其内部只会存在折射横波传播即形成折射横波第一次声程22，由于夹角θ1满足公式(2)，θ1为根据Snell定律由折射横波第一次声程22共线传播回路反推而来，所以所述超声发射斜探头1激发的超声纵波入射待检试件3内部，其内部会形成折射纵波第一次声程19经过试件底部反射后会形成折射纵波第二次声程20，由于两个探头的入射点距离L与待检试件3厚度H满足公式(1)，折射纵波第二次声程20会与折射横波第一次声程22在耦合区域21共线混频，进一步地，由于超声纵波第二次声程20和折射横波第一次声程22的声波频率ω1、ω2满足式(3)，若该耦合区域21存在结构损伤，会耦合出沿折射横波第一次声程22传播方向相反的混频波，混频波随即被超声收发一体斜探头4所接收并经过超声发射接收器9传输给数据采集器7，数据采集器7进一步会传输给计算机8上的检测软件并显示。
上述实施例，根据实际需要超声发射接收器9可采用高功率型超声发射接收器。
本实施例的一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统的检测方法，检测系统的结构包括上述的超声波激励组件、动力组件和数据采集器7及计算机8；
检测方法包括：
准备工作：
超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4分别与高功率超声发射接收器9的T(发射)、T/R(发射/接收)端口相连，超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4分别与探头固定支架2连接，然后分别通过耦合剂与待检试件3的同一侧表面粘结，且两个探头的入射点之间的距离L、夹角θ1、θ2的设定满足上述公式的要求；
将数据采集器7的第一板卡与超声发射接收器9的数据端口连接，将数据采集器7的第二板卡与动力组件的各步进电机的控制器连接；
开始测试：
启动超声发射接收器9，使超声发射斜探头1和超声收发一体斜探头4分别激发入射角为θ1、θ2的超声纵波；
启动动力组件，按照设定的步数和路径驱动两个探头沿待检试件3表面同步移动，对试件整个表面进行扫描，使得扫描点呈矩阵分布，记录并保存所有扫描点的位置信息和获得的反馈超声信号；
提取反馈超声信号混频波时域范围内的最大幅值，以扫描路径的坐标轴作为重建图像的坐标轴，以最大幅值作为重建图像的颜色，得到沿扫描路径重建的关于最大幅值的数据矩阵，从而获得扫描图像。
作为具体实施形式，进行扫描检测时，首先在计算机8上的LabVIEW检测软件中设定好超声激励组件和动力组件的工作参数，通过检测软件启动动力组件，然后检测程序向数据采集设备7发出控制信号，动力组件带动两个探头按照设定的S形路线进行扫描，可参考图5，图中所示为试件的测试平面，x轴沿正方向扫描达到指定步数后y轴步进一步接着x轴沿负方向步进，直到x轴和y轴都达到指定步数为止。
以x轴方向扫描的步数为m，y轴方向扫描的步数为n，m≥2，n≥2，可得到扫描过程中各个扫描点的位置矩阵P：
Figure BDA0003259135570000051
扫描的过程中会实时显示接收到的超声波信号并将扫描数据进行处理和保存，根据接收到的超声信号，提取各个扫描位置混频波时域范围T(t1，t2)内超声信号的最大幅值记为Ai，其中，t1，t2分别为混频波时域范围T所对应混频波传播时间的起点和终点，Ai中i的取值范围为1、2、3……m*n。
以x轴和y轴分别作为重建图像的横坐标和纵坐标，以Ai为重建图像颜色，对x轴和y轴的扫描数据进行S型重建从而得到数据矩阵A，扫描结束后矩阵A即为损伤区域的扫描图像，矩阵A为：
Figure BDA0003259135570000061
上述检测方法中，通过给两个超声波探头分别设置超声激发的延时时间，并控制延时时间的长短来实现超声纵波及横波在试件内混合区域的位置，进一步地可实现试件整个试件内部区域的扫描。

Claims (6)

1.一种非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，其特征在于，包括超声激励组件，所述超声激励组件包括超声发射接收器(9)以及分别与其连接的超声发射斜探头(1)和超声收发一体斜探头(4)；
两个探头各通过一斜楔(12)设置在待检试件(3)的同一侧表面，两个探头的入射点之间的距离L设定为：
Figure FDA0003259135560000011
其中，H为待检试件(3)厚度，cLM为折射纵波在待检试件(3)中传播速度，cSM为折射横波在待检试件(3)中传播速度；
所述斜楔(12)的用于固定探头的压电晶片(14)的安装面与待检试件(3)表面之间形成斜角，使超声发射斜探头(1)、超声发射超声收发一体斜探头(4)的超声波入射方向与入射界面法线之间形成的夹角θ1、θ2满足以下条件：
Figure FDA0003259135560000012
其中，cLG为折射纵波在所述斜楔(12)中的传播速度；
超声发射斜探头(1)、超声收发一体斜探头(4)激发的超声波频率ω1、ω2满足：
Figure FDA0003259135560000013
。
2.根据权利要求1所述的非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，其特征在于，还包括动力组件，所述动力组件与两个探头连接，用于驱动两个探头沿待检试件(3)的同一侧表面同步移动。
3.根据权利要求2所述的非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，其特征在于，所述动力组件包括X轴移动机构和与其连接的Y轴移动机构。
4.根据权利要求2所述的非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，其特征在于，还包括数据采集器(7)，所述数据采集器(7)内设置有第一板卡和第二板卡，所述第一板卡用于与超声发射接收器(9)的数据端口连接，所述第二板卡用于与所述动力组件的控制器连接。
5.根据权利要求1所述的非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统，其特征在于，超声发射斜探头(1)和超声收发一体斜探头(4)的结构均包括：外壳(10)、吸声材料(11)、阻尼块(13)、所述压电晶片(14)和所述斜楔(12)；
斜楔(12)固定在所述外壳(10)中，且底面用于与待检试件(3)贴合；压电晶片(14)通过所述阻尼块(13)固定在斜楔(12)的安装面上；外壳(10)中其余空间被所述吸声材料(11)填充。
6.一种根据权利要求1所述的非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测系统的结构还包括动力组件和数据采集器(7)，数据采集器(7)内设置有第一板卡和第二板卡；
所述检测方法具体包括：
将超声发射接收器(9)的发射端口与超声发射斜探头(1)连接，将超声发射接收器(9)的发射/接收端口与超声收发一体斜探头(4)连接；将所述第一板卡与超声发射接收器(9)的数据端口连接，将所述第二板卡与所述动力组件的控制器连接；
将两个探头各通过一斜楔(12)设置在待检试件(3)的同一侧表面，且两个探头的入射点之间的距离设定为L，然后将两探头同时连接于所述动力组件上；
启动超声发射接收器(9)，使超声发射斜探头(1)和超声收发一体斜探头(4)分别激发入射角为θ1、θ2的超声纵波；
启动动力组件，按照设定的步数和路径驱动两个探头沿待检试件(3)表面同步移动，对试件整个表面进行扫描，使得扫描点呈矩阵分布，记录并保存所有扫描点的位置信息和获得的反馈超声信号；
提取反馈超声信号混频波时域范围内的最大幅值，以扫描路径的坐标轴作为重建图像的坐标轴，以所述最大幅值作为重建图像的颜色，得到沿扫描路径重建的关于最大幅值的数据矩阵，从而获得扫描图像。
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