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管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法和裝置，通過可以激勵(lì)單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)換能器及配合的接收換能器，換能器可以纏繞在管道上激勵(lì)軸對(duì)稱模態(tài)，并利用配合對(duì)應(yīng)的接收探頭擴(kuò)大二階諧波信號(hào)的接收效率，提高系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)波二階諧波的檢測(cè)能力，本發(fā)明檢測(cè)利用非線性響應(yīng)與傳播距離的比值表征材料非線性的變化，有效減少儀器非線性的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道材料非線性的超聲導(dǎo)波評(píng)估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測(cè)管道微觀缺陷的早期檢測(cè)。
【專利說明】管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法和裝置，按國(guó)際專利分類表(IPC)劃分屬于無損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是利用超聲導(dǎo)波在金屬管道結(jié)構(gòu)傳播中發(fā)生的聲學(xué)非線性響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部微觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲導(dǎo)波可以對(duì)被檢測(cè)導(dǎo)體進(jìn)行大面積、快速、整體檢測(cè)。這種檢測(cè)方法既可以檢測(cè)試樣表面缺陷，也可以對(duì)試樣內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)也是一種可以對(duì)結(jié)構(gòu)件中不可達(dá)或隱蔽區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)的有效方法。另外，導(dǎo)波因其靈活的激發(fā)和檢測(cè)方式，且能攜帶大量檢測(cè)所需信息，被作為一種有效檢測(cè)手段被廣泛應(yīng)用。在管道中，導(dǎo)波的能量可以隨管道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)距離、快速傳播而很少擴(kuò)散。因此，管道結(jié)構(gòu)被認(rèn)為最適合使用導(dǎo)波檢測(cè)的結(jié)構(gòu)之一。
[0003]然而，目前的超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)方法主要是基于導(dǎo)波傳播過程中，導(dǎo)波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，通過聲波線性物理參數(shù)的變化來對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)。這種基于線性的導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)微觀缺陷是不敏感或不可檢的。而對(duì)微損傷或微觀缺陷的早期檢測(cè)對(duì)構(gòu)件的可靠性評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)更為重要，越來越受到工業(yè)和學(xué)術(shù)界的重視。
[0004]基于傳播介質(zhì)中微小的缺陷也能導(dǎo)致明顯的聲波非線性響應(yīng)，聲波傳播過程中的非線性現(xiàn)象可以有效應(yīng)用于對(duì)圍觀缺陷的超聲無損檢測(cè)。中國(guó)文獻(xiàn)CN 102866202 A 了非線性超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，采用非線性的三次諧波來進(jìn)行檢測(cè)，其信號(hào)處理較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，其能夠激勵(lì)單個(gè)模態(tài)的導(dǎo)波信號(hào)，并利用配合對(duì)應(yīng)的接收探頭擴(kuò)大二階諧波信號(hào)的接收效率，提高系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)波二階諧波的檢測(cè)能力，利用檢測(cè)出來的二階諧波幅度的變化有效表征管道微觀缺陷。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供了一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，包括如下步驟:
51、根據(jù)導(dǎo)波的模態(tài)信息:頻率、相速度和群速度，設(shè)計(jì)用于激勵(lì)特定導(dǎo)波模態(tài)的梳狀換能器，其中梳狀換能器的長(zhǎng)度等于被檢測(cè)管道徑向截面外側(cè)周長(zhǎng)，換能器相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)模態(tài)波長(zhǎng)的一半，特定導(dǎo)波模態(tài)波長(zhǎng)的計(jì)算公式如下:
其中07和/分別表示需要激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài)的相速度和頻率；
52、將激勵(lì)換能器和接收換能器纏繞包裹被檢測(cè)管道試件，其中的激勵(lì)換能器激勵(lì)在管道中傳播的單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)；53、移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波在管道中傳播的距離，根據(jù)移動(dòng)的距離和穩(wěn)定的波形在時(shí)間軸上的變化，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度值，確認(rèn)檢測(cè)信號(hào)的有效性；
54、接收單元將接收的信號(hào)通過功率放大器后濾波，并將信號(hào)在示波器上經(jīng)過100^2000次平均后存儲(chǔ)；
55、將存儲(chǔ)的信號(hào)經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進(jìn)行
時(shí)-頻變換，有效獲得基頻導(dǎo)波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號(hào)幅度A2,計(jì)算數(shù)值；
56、移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波的傳播距離，重復(fù)步驟S4-S5，計(jì)算不同位置的數(shù)值；
57、在同一個(gè)被檢測(cè)管道試件中檢測(cè)不少于5次不同傳播距離的數(shù)值，并記下傳播距離義的數(shù)值，利用以下公式斜率表征材料非線性的變化:；
58、如果管道內(nèi)部存在微觀缺陷，相對(duì)于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據(jù)這一變化表征材料內(nèi)部的微損傷。
[0008]為了更有效的檢測(cè)到雙倍頻二階諧波信號(hào)，有別于常規(guī)線性導(dǎo)波接收換能器的設(shè)計(jì)，在本發(fā)明中，步驟S2接收換能器中相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)換能器的一半，這樣可以更加突出的主要接收雙倍頻二階諧波信號(hào)。
[0009]為保證統(tǒng)一的耦合狀態(tài)，在激勵(lì)換能器外圍纏繞一個(gè)固定裝置以保證受壓穩(wěn)定。 [0010]信號(hào)激勵(lì)和接收裝置發(fā)射信號(hào)經(jīng)過濾波器，減少檢測(cè)裝置帶的噪音，提高信噪比。
[0011]一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置，包括超聲導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)/接收單元、阻抗器、激勵(lì)換能器、接收換能器、接收前置放大器、濾波器、示波器，激勵(lì)/接收單元激勵(lì)一定頻率的超聲波信號(hào)，經(jīng)過阻抗器減少噪音連接激勵(lì)換能器經(jīng)過耦合劑送入到被檢測(cè)試件，在試件的另一端連接接收換能器檢測(cè)傳播的導(dǎo)波信號(hào)，經(jīng)接收前置放大器后進(jìn)行濾波送入到示波器中，在示波器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行100-2000次平均而提高信噪比、存儲(chǔ)，將存儲(chǔ)的信號(hào)在示波器或在其他計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)分析。
[0012]進(jìn)一步，所述激勵(lì)換能器和接收換能器均為可彎曲梳狀換能器，兩換能器纏繞包裹被檢測(cè)管道試件，其中的接收換能器相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)換能器的一半，換能器相鄰的趾間電極距離指相鄰的導(dǎo)電和空白之間的尺寸。
[0013]本發(fā)明一種利用超聲導(dǎo)波傳播的非線性響應(yīng)檢測(cè)管道微損傷的方法和裝置，設(shè)計(jì)可以激勵(lì)單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)換能器，換能器可以纏繞在管道上激勵(lì)軸對(duì)稱模態(tài)，接收非線性響應(yīng)的換能器設(shè)計(jì)突出用于主要接收雙倍頻二階諧波。本發(fā)明利用非線性響應(yīng)與傳播距離的比值表征材料非線性的變化，有效減少儀器非線性的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道材料非線性的超聲導(dǎo)波評(píng)估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測(cè)管道微觀缺陷的早期檢測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明檢測(cè)裝置示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明激勵(lì)換能器示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明接收換能器示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:實(shí)施例:請(qǐng)參閱圖1至圖3，一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置，包括超聲導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)/接收單元1、阻抗器2、激勵(lì)換能器3、接收換能器4、接收前置放大器(功率放大器5)、濾波器6、示波器7，其中信號(hào)的激勵(lì)/接收單元I激勵(lì)一定頻率的超聲波信號(hào)，經(jīng)過阻抗器2減少噪音連接開發(fā)的激勵(lì)換能器3經(jīng)過耦合劑送入到被檢測(cè)試件N，在試件的另一端連接接收換能器4檢測(cè)傳播的導(dǎo)波信號(hào)，經(jīng)放大器5后進(jìn)行濾波6送入到示波器7中，在示波器7中對(duì)信號(hào)進(jìn)行1000次平均而提高信噪比，存儲(chǔ)。將存儲(chǔ)的信號(hào)在示波器7上進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)分析，或在其他計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。
[0018]一種管道(金屬管道)微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，包括如下步驟:
1)根據(jù)導(dǎo)波特定的模態(tài)信息(頻率、相速度和群速度)設(shè)計(jì)用于激勵(lì)特定導(dǎo)波模態(tài)的可彎曲梳狀換能器(如圖2)，其可纏繞包裹被檢測(cè)管道試件；梳狀換能器的長(zhǎng)度等于管道的周長(zhǎng)，換能器相鄰的導(dǎo)電和空白之間的尺寸(趾間電極距離)是激勵(lì)模態(tài)波長(zhǎng)的一半，特定導(dǎo)波模態(tài)波長(zhǎng)的計(jì)算公式如下:
其中07和/分份別表示需要激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài)的相速度和頻率；
2)為了更有效的檢測(cè)到雙倍頻二階諧波信號(hào)，有別于常規(guī)線性導(dǎo)波接收換能器的設(shè)計(jì)，在本發(fā)明中，接收換能器中導(dǎo)電和空白之間的尺寸是激勵(lì)換能器的一半。這樣可以更加突出的主要接收雙倍頻二階諧波信號(hào)；
3)將設(shè)計(jì)的換能器包裹被檢測(cè)管道試件，固定試件在夾具上；
4)為保證統(tǒng)一的耦合狀態(tài)，在激勵(lì)換能器外圍纏繞一個(gè)固定裝置以保證受壓穩(wěn)定； 5)信號(hào)激勵(lì)和接收裝置發(fā)射信號(hào)經(jīng)過濾波器，減少檢測(cè)裝置帶的噪音，提高信噪比；
6)移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波在管道中傳播的距離。根據(jù)移動(dòng)的距離，和穩(wěn)定的波形在時(shí)間軸上的變化，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度值，確認(rèn)檢測(cè)信號(hào)的有效性；
7)接收單元將接收的信號(hào)通過功率放大器后濾波，并將信號(hào)在示波器上經(jīng)過100-2000次平均后存儲(chǔ)，優(yōu)選為1000次平均；
8)將存儲(chǔ)的信號(hào)經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進(jìn)行時(shí)_頻變換，有效獲得基頻導(dǎo)波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號(hào)幅度A2,計(jì)算數(shù)值；
9)移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波的傳播距離，重復(fù)步驟7)-8)，計(jì)算不同位置的數(shù)
值；
10)在同一個(gè)被檢測(cè)試件中檢測(cè)不少于5次不同傳播距離的數(shù)值，并記下傳播距離ζ的數(shù)值，利用以下公式斜率表征材料非線性的變化:；
11)如果管道內(nèi)部存在圍觀缺陷，相對(duì)于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據(jù)這一變化表征材料內(nèi)部的微損傷。本發(fā)明檢測(cè)方法，對(duì)激勵(lì)在管道中傳播的單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)換能器的設(shè)計(jì)開發(fā)；為更突出接收雙倍頻二階諧波的非線性信號(hào)檢測(cè)的接收換能器的設(shè)計(jì)開發(fā)；對(duì)所激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài)信號(hào)的確認(rèn)；對(duì)可彎曲梳狀換能器與被檢測(cè)試件耦合狀態(tài)的固定；對(duì)接收信號(hào)的處理上，使用信號(hào)通過功率放大器后濾波處理，并經(jīng)1000次平均后存儲(chǔ)；信號(hào)分析前，對(duì)信號(hào)加窗并選擇穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行時(shí)-頻變換，獲得清晰的基頻波幅值和雙倍頻二階諧波幅值；根據(jù)導(dǎo)波可以長(zhǎng)距離傳播的特點(diǎn)，采用與傳播距離ζ的比值征材料非線性的變化，可以有效避免儀器非線性的干擾。
[0019]本發(fā)明檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及需求克服的問題:一種典型的非線性響應(yīng)現(xiàn)象就是導(dǎo)波二階諧波的產(chǎn)生，二階諧波產(chǎn)生的機(jī)理是導(dǎo)波傳播過程中波形的畸變導(dǎo)致雙倍頻二階諧波的出現(xiàn)，相對(duì)于完好的結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)波在有微觀缺陷的結(jié)構(gòu)件中二階諧波產(chǎn)生的非線性響應(yīng)成量級(jí)式的增長(zhǎng)，根據(jù)這種非線性響應(yīng)的變化可以有效檢測(cè)和表征結(jié)構(gòu)件中的微觀缺陷。而對(duì)于在管道中傳播的導(dǎo)波非線性響應(yīng)，由于導(dǎo)波傳播的多模態(tài)和頻散特點(diǎn)，通常會(huì)激勵(lì)出多個(gè)不同的模態(tài)，波形混亂導(dǎo)致很難提出有用的信號(hào)信息。另外，由于雙倍頻二階諧波信號(hào)相對(duì)于基頻波信號(hào)非常微弱，考慮的導(dǎo)波傳播衰減的因素，需要設(shè)計(jì)特殊的檢測(cè)裝置用于有效提取出二階諧波信號(hào)。而本發(fā)明設(shè)計(jì)可以激勵(lì)單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)換能器，換能器可以纏繞在管道上激勵(lì)軸對(duì)稱模態(tài)，接收非線性響應(yīng)的換能器設(shè)計(jì)突出用于主要接收雙倍頻二階諧波。本發(fā)明利用非線性響應(yīng)與傳播距離的比值表征材料非線性的變化，有效減少儀器非線性的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道材料非線性的超聲導(dǎo)波評(píng)估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測(cè)管道微觀缺陷的早期檢測(cè)。
[0020]以上所記載，僅為利用本創(chuàng)作技術(shù)內(nèi)容的實(shí)施例，任何熟悉本項(xiàng)技藝者運(yùn)用本創(chuàng)作所做的修飾、變化，皆屬本創(chuàng)作主張的專利范圍，而不限于實(shí)施例所揭示者。
【權(quán)利要求】
1.一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟: 51、根據(jù)導(dǎo)波的模態(tài)信息:頻率、相速度和群速度，設(shè)計(jì)用于激勵(lì)特定導(dǎo)波模態(tài)的可彎曲梳狀換能器，其中梳狀換能器的長(zhǎng)度等于被檢測(cè)管道徑向截面外側(cè)周長(zhǎng)，換能器相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)模態(tài)波長(zhǎng)的一半，特定導(dǎo)波模態(tài)波長(zhǎng)的計(jì)算公式如下: 其中07和/分別表示需要激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài)的相速度和頻率； 52、將激勵(lì)換能器和接收換能器纏繞包裹被檢測(cè)管道試件，其中的激勵(lì)換能器激勵(lì)在管道中傳播的單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)； 53、移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波在管道中傳播的距離，根據(jù)移動(dòng)的距離和穩(wěn)定的波形在時(shí)間軸上的變化，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度值，確認(rèn)檢測(cè)信號(hào)的有效性； 54、接收單元將接收的信號(hào)通過功率放大器后濾波，并將信號(hào)在示波器上經(jīng)過100^2000次平均后存儲(chǔ)； 55、將存儲(chǔ)的信號(hào)經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進(jìn)行 時(shí)-頻變換，有效獲得基頻導(dǎo)波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號(hào)幅度A2,計(jì)算數(shù)值； 56、移動(dòng)接收換能器的位置，改變導(dǎo)波的傳播距離，重復(fù)步驟S4-S5，計(jì)算不同位置的數(shù)值； 57、在同一個(gè)被檢測(cè)管道試件中檢測(cè)不少于5次不同傳播距離的數(shù)值，并記下傳播距離義的數(shù)值，利用以下公 式斜率表征材料非線性的變化:； 58、如果管道內(nèi)部存在微觀缺陷，相對(duì)于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據(jù)這一變化表征材料內(nèi)部的微損傷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，其特征在于:步驟S2接收換能器中相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)換能器的一半，這樣可以更加突出的主要接收雙倍頻二階諧波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，其特征在于:在激勵(lì)換能器外圍纏繞一個(gè)固定裝置以保證受壓穩(wěn)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，其特征在于:所述信號(hào)激勵(lì)和接收裝置發(fā)射信號(hào)經(jīng)過濾波器減少檢測(cè)裝置帶的噪音以提高信噪比。
5.一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置，其特征在于:包括超聲導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)/接收單元、阻抗器、激勵(lì)換能器、接收換能器、接收前置放大器、濾波器、示波器，激勵(lì)/接收單元激勵(lì)一定頻率的超聲波信號(hào)，經(jīng)過阻抗器減少噪音連接激勵(lì)換能器經(jīng)過耦合劑送入到被檢測(cè)試件，在試件的另一端連接接收換能器檢測(cè)傳播的導(dǎo)波信號(hào)，經(jīng)接收前置放大器后進(jìn)行濾波送入到示波器中，在示波器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行100-2000次平均而提高信噪比、存儲(chǔ)，將存儲(chǔ)的信號(hào)在示波器或在其他計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種管道微損傷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置，其特征在于:所述激勵(lì)換能器和接收換能器均為可彎曲梳狀換能器，兩換能器纏繞包裹被檢測(cè)管道試件，其中的接收換能器相鄰的趾間電極距離是激勵(lì)換能器的一半。
【文檔編號(hào)】G01N29/07GK103969339SQ201410205516
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李衛(wèi)彬, 秦曉旭, 胡詩(shī)誠(chéng) 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)