CN1869679B - 采用双方向发振减小弹性波动信号测试误差的方法 - Google Patents

Abstract

如果能够精确地测试弹性波的衰减特性，可以推定材料的力学特性以及裂缝等缺陷的有无、程度，是非常有效的无损检测方法。但是，由于种种原因(如传感器的设置、测试系统的固有误差等)，弹性波衰减的测试精度不容易保证。本发明通过采用“双方向发振方法”，结合双曲线回归等数学计算手段，可以减小测试中各种系统误差因素，大大提高测试衰减特性的精度。本发明的具体实施方法是根据测试需要，固定两个或两个以上的传感器，设置测试系统，在全体传感器的一方发振，用传感器测试各个频道的振幅和波长。在同样的设置状态下，再从全体传感器的另一方开始发振，测试各个频道的振幅和波长。将两次测得的信号通过数学计算，采用双曲线回归求出振幅比与波长的关系，进而求得修正后的振幅比和弹性波信号的衰减率。

Description

采用双方向发振减小弹性波动信号测试误差的方法

技术领域

本发明属于波动传输与测量领域，具体指一种减小冲击弹性波信号测试误差的方法。

背景技术

弹性波作为一种有效的信号载体，在无损检测，物理探查等方面正得到越来越广泛的应用。其中，弹性波的衰减与材料的力学特性以及其中的缺陷(裂缝的有无及深度)有很大的关系。因此，准确地测试弹性波的衰减，对于确定材料的力学特性以及裂缝等缺陷的有无和缺陷程度，是非常重要的。但是，由于种种原因，衰减特性的测试精度不容易得到保证。

确定弹性波的衰减时，取决于测得的信号的振幅。但是信号的振幅受传感器的固定方法，位置和频道的固有误差(传感器、信号线、电荷放大器、电缆、A/D转换卡等)影响较大。其主要误差因素有：

1)随机噪声误差：主要是电气噪声和环境噪声带来的误差，为了消除其误差，可在同

一地方重复测试。理论上，平均N次测试的结果，信噪比(S/N)可上升倍。

2)系统误差：主要是由于传感器的固定方式，场所，各频道的固有特性而造成的。为了解决这个问题研究了种种办法。譬如，传感器和测量系统的校正，传感器感测表面的研磨等。但是对于某些未知的系统误差很难通过预设解决，因此，必须采取其他措施来减少系统误差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决在现有技术中测试弹性波衰减时的系统误差过大的问题。

本发明的目的通过采用“双方向发振方法”来实现。所述“双方向发振方法”是指，该方法按如下步骤操作：

a)根据测试需要，固定两个或两个以上的传感器，设置测试系统；

b)按通常的检测方法，在全体传感器的一侧发振，用传感器测试各个频道的振幅和波长；

c)在同样的设置状态下，在全体传感器的另一侧发振，再次用传感器测试各个频道的振幅和波长；

d)将两次测得的信号分别回归出振幅比与波长的曲线，求得修正后的振幅比，再利用修正后的振幅比和波长，求出准确的弹性波信号的衰减率。

通过采用该方法可以减小测试中各种系统误差因素，提高测试衰减率的精度。双方向发振方法测试弹性波衰减特性的概念，如图1所示。

附图说明

图1双方向发振方法测试弹性波衰减特性的概念。

图2双方向发振消除误差的原理。

图3双曲线回归计算方法的概念。

图4“双方向发振”处理结果的例子(较深的裂缝，振幅比比较大)。

图5“双方向发振”处理结果的例子(较浅的裂缝，振幅比比较小)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对双方向发振方法作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图2所示是使用两个传感器测试的例子，以此来说明消除误差的原理。

频道1和频道2分别采集信号S₁和S₂，测试对象材料的衰减率为f₀(测试目的)，频道1和频道2的衰减率分别为f₁和f₂。f₁和f₂是传感器的固定状态、灵敏度、A/D转换的固有误差的综合反映。

在频道1(CH-1)发振的情况下(信号振幅为S₀₁，)，信号比η₁：

${\mathrm{\η}}_1=S_2/S_1=\frac{f_2\·f_0\·S_{01}}{f_1\text{\·}{S}_{01}}=\frac{f_2{\·f}_0}{f_1}$ (式-1)

同样，在频道2(CH-2)发振的情况下(信号振幅为S₀₂，)，信号比η₂：

${\mathrm{\η}}_2=S_1/S_2=\frac{f_1\·f_0\·S_{02}}{f_2\text{\·}{S}_{02}}=\frac{f_1{\·f}_0}{f_2}$ (式-2)

两个信号比通过式-3的平均处理，即可求得准确值f₀：

$f_0=\sqrt{{\mathrm{\η}}_1\·{\mathrm{\η}}_2}$ (式-3)

因此，从理论上，双方向发振技术可以最大限度地消除测试误差，精确地测试弹性波的衰减程度。

表-1所示是对一裂缝深度具体计算的例子。

【表-1】

设裂缝对弹性波(波长1m)的衰减率为0.4，频道1和频道2衰减率分别为1.2和0.6。发振信号的强度为1。裂缝的深度可由式-4求得：

H＝-0.7429λln(x)        (式-4)

其中，H为裂缝的深度

λ为弹性波的波长(1m)

x为振幅比即，裂缝后的信号振幅/裂缝前的信号振幅。

从这个计算例子可知，现有的技术(单方向发振)测试结果产生的误差较大。而本技术可以得到非常准确的结果。此外，通过式-3的处理，较之单纯的平均更能大幅度地减小误差。

另一方面，在“双方向发振”技术中，式-3成立前提是，各频道的衰减率(信号的衰减)是一定的。值得注意的是，这个衰减率不仅与传感器的固有情况有关，还取决于弹性波的波长。但是，在实际的发振中，发振弹性波的波长并不一定，因此各频道的衰减率也随着波长的变化而变化的。为此，开发了基于双曲线的回归技术并考虑波长变化的“双方向发振”技术。

一般来说，几何衰减修正后的波长与振幅比间的关系，可由双曲线回归得到。双曲线回归，需要考虑以下条件：

1)振幅比x小于1，但在实际检测中，根据传感器的固定情况看，也有大于1的情况。

但纵使波长无限大时，也认为振幅比会收敛到一个定植。

2)波长λ趋近于零，振幅比x也趋近于零。

所以，回归双曲线，可由式-5来表示。

$x=\frac{\mathrm{\λ}}{a+\mathrm{b\λ}}$ (式-5)

把y＝λ/x代上式，通过最小二乘法可以得到下面的a和b。

$b=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{y})({\mathrm{\λ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})}{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\λ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})}^2}$

$a=\stackrel{\‾}{y}-b\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}$ (式-6)

其中，

和

是各测试点的平均值。

此外，为了增强回归的稳定性，最好是限制a和b。例如在0.05以上。

对频道-1发振数据和频道-2发振数据，分别回归，可以得到a₀和b₀以及a₁和b₁。如果平均化处理，与波长λ对应的修正振幅比为x_λ(参见图3)。

$x_{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\λ}/\sqrt{(a_0+b_0\mathrm{\λ})(a_1+b_1\mathrm{\λ})}$ (式-7)

利用修正振幅比x_λ和波长λ，求出对象材料弹性波的衰减特性。不仅可以计算裂缝深度，还可以测试材料的力学特性。比如，反映材料力学特性的损失系数h，可由下式求得：

$h=-\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δr}}\ln \left(x_{\mathrm{\λ}}\right)$ (式-8)

其中，Δr：传感器之间的距离

通过以上说明，本发明能精确地测试材料弹性波的衰减程度。因此，可以精确的对材料力学特性、缺陷(裂缝等)的有无以及其程度(裂缝的深度等)进行无损检测。

图4，图5是“双方向发振”测裂缝处理结果的例子，图4裂缝较深，振幅比比较大，图5裂缝较浅，振幅比比较小。

如上所述，通过双方向发振的方法，减小了弹性波动信号测试(特别是衰减特性测试)的误差，提高了测试精度。

Claims (1)

1.一种减小弹性波动信号测试误差的方法，其特征在于采用“双方向发振”，该方法按如下步骤实施：步骤A.根据测试需要，固定两个或两个以上的传感器，设置测试系统；步骤B.在全体传感器的一侧发振，用传感器测试各个频道的振幅和波长；步骤C.在同样的设置状态下，在全体传感器的另一侧发振，再次用传感器测试各个频道的振幅和波长；步骤D.将两次测得的信号分别回归出振幅比与波长的曲线，求得修正后的振幅比，再利用修正后的振幅比和波长，求出准确的弹性波信号的衰减率。

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