CN209471081U - 一种表面波和板波声速的非接触式测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种表面波和板波声速的非接触式测量装置，包括发射探头、接收探头、嵌入式系统、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、扫描架、脉冲发射器和电源；电源分别与扫描架、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、脉冲发射器及嵌入式系统连接，扫描架分别与嵌入式系统、信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，发射探头与脉冲发射器连接，接收探头与前置放大器连接，嵌入式系统分别与信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，前置放大器分别与脉冲放大器及信号采集与处理模块连接，信号采集与处理模块与前置放大器和嵌入式系统连接，电机驱动装置与嵌入式系统连接。

Description

一种表面波和板波声速的非接触式测量装置

技术领域

本实用新型涉及超声检测领域，特别涉及一种表面波和板波声速的非接触式测量装置。

背景技术

超声检测是最常规的无损检测方法之一，由于它具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低、设备相对简单、对人体无害等一系列特点，因此在工业领域得到了广泛应用。常规超声检测的方法是接触式，即在超声探头和待测试件之间必须用油、胶体或其他液体作为声耦合剂，这些耦合剂检测后需要清理，通常会影响整套系统工作或使工作场所变得脏乱。用液体或干耦合的一个缺点通常需要人力，难自动化，效率低，而且在同侧面检测时声传播距离的无法精确控制，会大大影响声速的测量精度。同时耦合的好坏会直接影响声信号的首波到达时的读取，也会进一步影响表面波和板波声速的测量精度。另一个缺点是接触式方法有时不适合也不容许液体或干耦合的材料及结构的声速测量，比如高温的工件。

非接触式超声检测手段有激光超声检测、电磁超声检测和空气耦合超声检测。激光超声检测主要用于高熔点金属和陶瓷材料检测。但对热和冲击敏感的材料难以应用；电磁超声检测主要适用于铁磁性材料中；而空气耦合超声检测将周围环境空气作为其声耦合剂，它具有非接触、非侵入、完全无损的特点，能对高温低温工件及不适合用声耦合剂的工件进行检测，已被应用于复合材料、轮胎、混凝土、纺织品、医疗应用等领域，对材料的力学参数与结构损伤进行检测。

空气耦合超声检测可分为异侧检测与同侧检测。在异侧检测中，已有专利提出利用空气耦合超声法测量材料的弹性模量、横波速度等(专利号：ZL201611051177.X；ZL201720742821.1)。在同侧检测的超声波探伤中，表面波与板波相比体波对表面和近表面及薄构件的缺陷较为敏感，因此常被用来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。特别的，当构件的厚度与波长处于同一数量级时即大约只产生于一个波长的构件内，纵波和横波发生耦合，于是固体声波导中形成一种特殊形式的弹性应力波，即为板波。目前，已有专利(专利号：ZL201210141763.9；ZL201210010938.2)和文献提出利用接触式楔块法和水浸法进行表面波和板波的声速测量，但由于耦合与试件尺寸的局限性使其应用范围被约束；且在测量时由于无法准确定位测点间距离或是采用提取首波到达时估算声速，而信号到达时会有一段逐渐增大的过程，无法有效判断首波到达时从而导致实验误差较大。

因此，亟需研究开发一种更为便捷、精确地测量表面波和板波声速的装置。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种更为便捷、精确地测量表面波和板波声速的装置。

本实用新型中的一种表面波和板波声速的非接触式测量装置，包括发射探头、接收探头、嵌入式系统、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、扫描架、脉冲发射器和电源；所述电源分别与扫描架、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、脉冲发射器及嵌入式系统连接，所述扫描架分别与嵌入式系统、信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，所述发射探头与脉冲发射器连接，所述接收探头与前置放大器连接，所述嵌入式系统分别与信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，所述前置放大器分别与脉冲放大器及信号采集与处理模块连接，所述信号采集与处理模块与前置放大器和嵌入式系统连接，所述电机驱动装置与嵌入式系统连接。

上述方案中，所述扫描架由第一支脚、第二支脚及设置在第一支脚和第二支脚上方的承载平台组成，所述第一支脚右表面与第二支脚左表面通过丝杠连接，所述丝杠与电机驱动装置连接；

所述承载平台上表面从左至右依次设有脉冲发射器、嵌入式系统和信号采集与处理模块，所述前置放大器设置在承载平台右表面上并与第二支脚连接，所述电源设置在第一支脚的左侧表面上。

本实用新型的优点和有益效果在于：(1)本实用新型实现了表面波和板波声速的非接触式的检测装置在不接触被测构件且不使用耦合剂耦合的前提下，即能达到快速自动化检测构件表面波或板波声速值的目的，提高检测效率，降低了检测成本；(2)本实用新型由基于嵌入式系统软件开发的检测系统完成对整个装置的控制和对超声波信号的发射、处理和结果显示，信号处理和分析功能强，便于系统便携化；(3)本实用新型采用步进电机控制探头移动距离，可消除整个测量系统的系统误差，声速测量可靠性好，精度高；(4)本实用新型的装置的发射与接收探头的倾斜角度可调，调整相应临界角入射时信号信噪比高，声速测量可靠性好，精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的装置示意图。

图2为本实用新型的系统框图。

图3为本实用新型的流程图。

图中：1、发射探头 2、接收探头 3、嵌入式系统 4、前置放大器 5、信号采集与处理模块 6、电机驱动装置 7、扫描架 71、第一支脚 72、第二支脚 73、支载平台 8、脉冲发生器9、电源

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1-图2所示，本实用新型是一种表面波和板波声速的非接触式测量装置，包括发射探头1、接收探头2、嵌入式系统3、前置放大器4、信号采集与处理模块5、电机驱动装置6、扫描架7、脉冲发射器8和电源9；电源9分别与扫描架7、前置放大器4、信号采集与处理模块5、电机驱动装置6、脉冲发射器8及嵌入式系统3连接，扫描架7分别与嵌入式系统3、信号采集与处理模块5、电机驱动装置6及脉冲发射器8连接，发射探头1与脉冲发射器8连接，接收探头2与前置放大器4连接，嵌入式系统3分别与信号采集与处理模块5、电机驱动装置6及脉冲发射器8连接，前置放大器4分别与脉冲放大器8及信号采集与处理模块5连接，信号采集与处理模块5与前置放大器4和嵌入式系统3连接，电机驱动装置6与嵌入式系统3连接。其中，电机驱动装置6具体为步进电机与驱动器，电源9为可充电电源。

进一步的，扫描架7由第一支脚71、第二支脚72及设置在第一支脚71和第二支脚72上方的承载平台73组成，第一支脚71与第二支脚72之间有通过电机驱动装置6控制的丝杠，丝杠与电机驱动装置6连接；承载平台73上表面从左至右依次设有脉冲发射器8、嵌入式系统3和信号采集与处理模块5，前置放大器4设置在承载平台73右表面上并与第二支脚72连接，电源9设置在第一支脚71的左侧表面上。

上述技术方案工作原理：首先通过嵌入式系统3控制电机驱动装置6与脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，激励发射探头1产生超声波，通过空气耦合将超声波导入被测构件，同时接收探头2将接收到沿试件内传播的衰减超声波信号经过前置放大器4放大调理后，由信号采集与处理模块5保存与处理波形，并通过扫描架7控制发射探头1位置调节进行扫描式检测，最后由嵌入式系,3在信号采集与处理模块5内通过互相关算法计算每次发射探头移动后的声延时，并通过数据拟合计算得到声速。

进一步的，应用上述装置的一种表面波和板波声速的非接触式测量方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：通过数据线将整套检测装置连接完整，通电；

S2：将被测构件置于扫描架7下方，参考被测构件随入射角和频厚积变化的频散曲线，调整发射探头1与被测构件形成一定倾斜角度，以满足临界角入射；

S3：操作嵌入式系统3使脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，并激励发射探头1产生超声波，根据频厚积(试样厚度与探头的中心频率的乘积)大小产生表面波或板波；

S4：观察波形，估计超声从空气中直接传播的到达声时；

S5：在上述声时约一半处放大波形，找到发射的超声波在被测构件中传播的信号并进行采集；

S6：接收探头2接收到的信号经前置放大器4放大后输出至信号采集与处理模块5并保存；

S7：操作嵌入式系统3控制电机驱动装置6移动发射探头1，步长一定距离 d，并重复步骤S6；

S8：多组数据采集完毕后，操作嵌入式系统3通过互相关算法计算每次发射探头1移动后的声延时，并通过数据拟合计算得到声速，拟合计算的公式为

s＝v·t

式中s为发射探头1相较于起始点移动的距离，t为相应的信号经处理后得到的声延时，v为拟合后得到的声速。拟合后误差平方和(SSE)和均方根误差 (RMSE)越接近0，复相关系数(R)越接近于1，则拟合结果越精确。

上述步骤S2中调整发射探头1与接收探头2到被测构件表面的距离不超过 20mm。

上述步骤S2中发射探头1的中心频率在10KHz-1MHz范围，可根据测量表面波还是板波声速的需要根据实际试样厚度来采用不同频率的探头。

上述步骤S7中电机驱动装置6控制移动发射探头1的扫描模式为线性扫描，每个移动为等间距，可根据测声速的范围选择不同的等移动间距。

上述步骤S8中拟合利用最小二乘法原理，即

式中v为所求声速，m为样本容量，t_i为样本中第i个信号延时值，s_i为样本中第i个探头移动距离值。

上述步骤S8中的互相关算法原理为对于两个离散信号s₁(t)、s₂(t)，计算它们的归一化相关系数

式中n是信号序列的个数，i(i＝1,2,…,n)表示第i个离散点。当相关系数R₁₂值最大、最接近于1时对应的i值乘以采样周期即得两个信号间的时延。且选取二分之一有用信号窗宽计算信号相关性结果最佳。

实施例一：

利用本装置检测8mm铝板的A0模态板波波速。具体检测过程为：

1)通过数据线将整套检测装置连接完整，通电；

2)将被测构件置于扫描架7下方，调整50kHz探头与被测构件形成一定倾斜角度，以满足临界角入射，经实验，当频厚积在5MHz·mm时从S0、A0模态板波波速趋于一致变为表面波，本实施例频厚积为0.4MHz·mm，入射角为 11.5°，产生的为A0模态板波；

3)工作人员操作嵌入式系统3使脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，并激励发射探头1产生超声波；

4)观察波形，确定超声从空气中传播的到达声时；

5)在上述声时约一半处放大波形，找到发射的超声波在被测构件中传播的信号并进行采集；

6)接收探头2接收到的信号经前置放大器4放大后输出至信号采集与处理模块5并保存；

7)操作嵌入式系统3控制电机驱动装置6移动发射探头1，步长10mm并重复步骤6)；

8)多组数据采集完毕后，操作嵌入式系统3通过互相关法计算每次发射探头1移动后相对于初始位置的声延时，并通过表1拟合计算得到如表5所示，铝钢板试件的板波波速为1744m/s。经实验，A0模态板波在频厚积0.4MHz·mm 处的相速度为1724m/s。因此曲线拟合结果良好，可反应该方法对检测薄构件板波波速结果准确。

探头移动距离(mm)	相较排一测点信号延时(μs)
		10.00	6.02
20.00	11.63
		30.00	17.50
40.00	23.25
		50.00	28.90
60.00	34.41
		70.00	40.10
80.00	45.74
		90.00	51.20
100.00	57.46
		110.00	63.09
120.00	68.92
		130.00	74.42
140.00	80.00
		150.00	86.23

表1测8mm铝板A0模态板波波速时移动发射探头后相对于初始位置的声延时表

实施例二：

利用本装置检测铝块的表面波速。其检测过程为：

1)通过数据线将整套检测装置连接完整，通电；

2)将被测构件置于扫描架7下方，调整50kHz探头与被测构件形成一定倾斜角度，以满足临界角入射；

3)工作人员操作嵌入式系统3使脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，并激励发射探头1产生超声波；

4)观察波形，确定超声从空气中传播的到达声时；

5)在上述声时约一半处放大波形，找到发射的超声波在被测构件中传播的信号并进行采集；

6)接受探头2接收到的信号经前置放大器4放大后输出至信号采集与处理模块5并保存；

7)操作嵌入式系统3控制电机驱动装置6移动发射探头1，步长10mm并重复步骤6)；

8)多组数据采集完毕后，操作嵌入式系统3通过互相关法计算每次发射探头1移动后相对于初始位置的声延时，并通过表2拟合计算得到声速如表5所示，从表5中可以看出水泥砌块试件的表面波声速为2881m/s，拟合曲线结果良好，可反应该方法对检测构件表面波声速结果准确。

探头移动距离(mm)	相较排一测点信号延时(μs)
		10.00	3.28
20.00	6.08
		30.00	9.02
40.00	13.55
		50.00	15.89
60.00	20.63
		70.00	24.21
80.00	28.69
		90.00	32.09
100.00	34.55
		110.00	40.10
120.00	43.26
		130.00	46.04
140.00	50.89
		150.00	53.51

表2测铝块表面波速时移动发射探头后相对于初始位置的声延时表

实施例三：

利用本装置检测12mm钢板的A0模态板波波速。具体检测过程为：

1)通过数据线将整套检测装置连接完整，通电；

2)将被测构件置于扫描架7下方，调整50kHz探头与被测构件形成一定倾斜角度，以满足临界角入射；

3)工作人员操作嵌入式系统3使脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，并激励发射探头1产生超声波；

4)观察波形，确定超声从空气中传播的到达声时；

5)在上述声时约一半处放大波形，找到发射的超声波在被测构件中传播的信号并进行采集；

6)接收探头2接收到的信号经前置放大器4放大后输出至信号采集与处理模块5并保存；

7)操作嵌入式系统3控制电机驱动装置6移动发射探头1，步长10mm并重复步骤6)；

8)多组数据采集完毕后，操作嵌入式系统3通过互相关法计算每次发射探头1移动后相对于初始位置的声延时，并通过数据表3拟合计算得到声速如表5 所示，从表5中可以看出钢板试件的板波波速为1885m/s，结果良好，可反应该方法对检测薄构件板波波速结果准确.

探头移动距离(mm)	相较第一测点信号延时(μs)
		10.00	5.6
20.00	10.8
		30.00	16.4
40.00	21.2
		50.00	26.8
60.00	32.0
		70.00	37.2
80.00	42.4
		90.00	46.4
100.00	52.8
		110.00	59.2

表3测12mm钢板的A0模态板波波速时移动发射探头后相对于初始位置的声延时

实施例四：

利用本装置检测水泥砌块的表面波速。具体检测过程为：

1)通过数据线将整套检测装置连接完整，通电；

2)将被测构件置于扫描架7下方，调整50kHz探头与被测构件形成一定倾斜角度，以满足临界角入射；

3)工作人员操作嵌入式系统3使脉冲发射器8持续产生高压脉冲信号，并激励发射探头1产生超声波；

4)观察波形，确定超声从空气中传播的到达声时；

5)在上述声时约一半处放大波形，找到发射的超声波在被测构件中传播的信号并进行采集；

6)接收探头2接收到的信号经前置放大器4放大后输出至信号采集与处理模块5并保存；

7)操作嵌入式系统3控制步进电机与驱动器6移动发射探头1，步长10mm 并重复步骤6)；

8)多组数据采集完毕后，操作嵌入式系统3通过互相关法计算每次发射探头1移动后相对于初始位置的声延时，并通过表4拟合计算得到声速如表5所示，从表5中可以看出水泥砌块试件的表面波声速为997.1m/s，拟合曲线结果良好，可反应该方法对检测构件表面波声速结果准确。

探头移动距离(mm)	相较第一测点信号延时(μs)
		10.00	10.0
20.00	19.6
		30.00	29.6
40.00	40.0
		50.00	50.0
60.00	60.0
		70.00	70.0
80.00	80.4
		90.00	90.0
100.00	100.4
		110.00	110.8
120.00	120.4
		130.00	130.4

表4测水泥砌块的表面波速时移动发射探头后相对于初始位置的声延时表

表5各实施例通过各表拟合计算得到的声速值

本实用新型的优点和有益效果：

(1)实现了非接触式的空气耦合检测装置在不接触被测构件且不使用耦合剂耦合的前提下，即能达到快速自动化检测构件表面波或板波声速值的目的，提高检测效率，降低了检测成本；

(2)由基于嵌入式系统软件开发的检测系统完成对整个装置的控制和对超声波信号的发射、处理和结果显示，信号处理和分析功能强，便于系统便携化；

(3)采用步进电机控制探头移动距离，可消除整个测量系统的系统误差，声速测量可靠性好，精度高；

(4)采用互相关算法处理信号，能有效地对非超声周期信号进行抑制，相比于首波声时法能有效避免人为误差，声速测量可靠性好，精度高；

(5)本实用新型装置的发射与接收探头的倾斜角度可调，调整相应临界角入射时信号信噪比高，声速测量可靠性好，精度高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种表面波和板波声速的非接触式测量装置，其特征在于，包括发射探头、接收探头、嵌入式系统、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、扫描架、脉冲发射器和电源；所述电源分别与扫描架、前置放大器、信号采集与处理模块、电机驱动装置、脉冲发射器及嵌入式系统连接，所述扫描架分别与嵌入式系统、信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，所述发射探头与脉冲发射器连接，所述接收探头与前置放大器连接，所述嵌入式系统分别与信号采集与处理模块、电机驱动装置及脉冲发射器连接，所述前置放大器分别与脉冲放大器及信号采集与处理模块连接，所述信号采集与处理模块与前置放大器和嵌入式系统连接，所述电机驱动装置与嵌入式系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种表面波和板波声速的非接触式测量装置，其特征在于，所述扫描架由第一支脚、第二支脚及设置在第一支脚和第二支脚上方的承载平台组成，所述第一支脚右表面与第二支脚左表面通过丝杠连接，所述丝杠与电机驱动装置连接；

所述承载平台上表面从左至右依次设有脉冲发射器、嵌入式系统和信号采集与处理模块，所述前置放大器设置在承载平台右表面上并与第二支脚连接，所述电源设置在第一支脚的左侧表面上。