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管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法和裝置，通過可以激勵單個導波模態的激勵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軸對稱模態，并利用配合對應的接收探頭擴大二階諧波信號的接收效率，提高系統對導波二階諧波的檢測能力，本發明檢測利用非線性響應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，實現對管道材料非線性的超聲導波評估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測管道微觀缺陷的早期檢測。
【專利說明】管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明公開一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法和裝置，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于無損檢測【技術領域】，具體是利用超聲導波在金屬管道結構傳播中發生的聲學非線性響應對結構材料內部微觀缺陷進行檢測。
【背景技術】
[0002]超聲導波可以對被檢測導體進行大面積、快速、整體檢測。這種檢測方法既可以檢測試樣表面缺陷，也可以對試樣內部損傷進行檢測與評估。導波檢測技術也是一種可以對結構件中不可達或隱蔽區域進行檢測的有效方法。另外，導波因其靈活的激發和檢測方式，且能攜帶大量檢測所需信息，被作為一種有效檢測手段被廣泛應用。在管道中，導波的能量可以隨管道結構長距離、快速傳播而很少擴散。因此，管道結構被認為最適合使用導波檢測的結構之一。
[0003]然而，目前的超聲導波管道檢測方法主要是基于導波傳播過程中，導波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，通過聲波線性物理參數的變化來對試件進行宏觀缺陷檢測。這種基于線性的導波檢測技術對微觀缺陷是不敏感或不可檢的。而對微損傷或微觀缺陷的早期檢測對構件的可靠性評估及壽命預測更為重要，越來越受到工業和學術界的重視。
[0004]基于傳播介質中微小的缺陷也能導致明顯的聲波非線性響應，聲波傳播過程中的非線性現象可以有效應用于對圍觀缺陷的超聲無損檢測。中國文獻CN 102866202 A 了非線性超聲導波時間反轉檢測管道微裂紋聚集區域的方法，采用非線性的三次諧波來進行檢測，其信號處理較復雜。

【發明內容】

[0005]針對現有技術的不足，本發明提供了一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，其能夠激勵單個模態的導波信號，并利用配合對應的接收探頭擴大二階諧波信號的接收效率，提高系統對導波二階諧波的檢測能力，利用檢測出來的二階諧波幅度的變化有效表征管道微觀缺陷。
[0006]本發明的另一目的是提供了一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測裝置。
[0007]為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的:
一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，包括如下步驟:
51、根據導波的模態信息:頻率、相速度和群速度，設計用于激勵特定導波模態的梳狀換能器，其中梳狀換能器的長度等于被檢測管道徑向截面外側周長，換能器相鄰的趾間電極距離是激勵模態波長的一半，特定導波模態波長的計算公式如下:
其中07和/分別表示需要激勵的導波模態的相速度和頻率；
52、將激勵換能器和接收換能器纏繞包裹被檢測管道試件，其中的激勵換能器激勵在管道中傳播的單個導波模態；53、移動接收換能器的位置，改變導波在管道中傳播的距離，根據移動的距離和穩定的波形在時間軸上的變化，計算檢測信號的群速度值，確認檢測信號的有效性；
54、接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，并將信號在示波器上經過100^2000次平均后存儲；
55、將存儲的信號經過Hanning窗戶處理，選擇其中穩定的部分進行
時-頻變換，有效獲得基頻導波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號幅度A2,計算數值；
56、移動接收換能器的位置，改變導波的傳播距離，重復步驟S4-S5，計算不同位置的數值；
57、在同一個被檢測管道試件中檢測不少于5次不同傳播距離的數值，并記下傳播距離義的數值，利用以下公式斜率表征材料非線性的變化:；
58、如果管道內部存在微觀缺陷，相對于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據這一變化表征材料內部的微損傷。
[0008]為了更有效的檢測到雙倍頻二階諧波信號，有別于常規線性導波接收換能器的設計，在本發明中，步驟S2接收換能器中相鄰的趾間電極距離是激勵換能器的一半，這樣可以更加突出的主要接收雙倍頻二階諧波信號。
[0009]為保證統一的耦合狀態，在激勵換能器外圍纏繞一個固定裝置以保證受壓穩定。 [0010]信號激勵和接收裝置發射信號經過濾波器，減少檢測裝置帶的噪音，提高信噪比。
[0011]一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測裝置，包括超聲導波信號的激勵/接收單元、阻抗器、激勵換能器、接收換能器、接收前置放大器、濾波器、示波器，激勵/接收單元激勵一定頻率的超聲波信號，經過阻抗器減少噪音連接激勵換能器經過耦合劑送入到被檢測試件，在試件的另一端連接接收換能器檢測傳播的導波信號，經接收前置放大器后進行濾波送入到示波器中，在示波器中對信號進行100-2000次平均而提高信噪比、存儲，將存儲的信號在示波器或在其他計算機上進行進一步信號分析。
[0012]進一步，所述激勵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管道試件，其中的接收換能器相鄰的趾間電極距離是激勵換能器的一半，換能器相鄰的趾間電極距離指相鄰的導電和空白之間的尺寸。
[0013]本發明一種利用超聲導波傳播的非線性響應檢測管道微損傷的方法和裝置，設計可以激勵單個導波模態的激勵換能器，換能器可以纏繞在管道上激勵軸對稱模態，接收非線性響應的換能器設計突出用于主要接收雙倍頻二階諧波。本發明利用非線性響應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，實現對管道材料非線性的超聲導波評估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測管道微觀缺陷的早期檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發明檢測裝置示意圖。
[0015]圖2是本發明激勵換能器示意圖。
[0016]圖3是本發明接收換能器示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作進一步說明:實施例:請參閱圖1至圖3，一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測裝置，包括超聲導波信號的激勵/接收單元1、阻抗器2、激勵換能器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，其中信號的激勵/接收單元I激勵一定頻率的超聲波信號，經過阻抗器2減少噪音連接開發的激勵換能器3經過耦合劑送入到被檢測試件N，在試件的另一端連接接收換能器4檢測傳播的導波信號，經放大器5后進行濾波6送入到示波器7中，在示波器7中對信號進行1000次平均而提高信噪比，存儲。將存儲的信號在示波器7上進行進一步信號分析，或在其他計算機上進行分析。
[0018]一種管道(金屬管道)微損傷的非線性超聲導波檢測方法，包括如下步驟:
1)根據導波特定的模態信息(頻率、相速度和群速度)設計用于激勵特定導波模態的可彎曲梳狀換能器(如圖2)，其可纏繞包裹被檢測管道試件；梳狀換能器的長度等于管道的周長，換能器相鄰的導電和空白之間的尺寸(趾間電極距離)是激勵模態波長的一半，特定導波模態波長的計算公式如下:
其中07和/分份別表示需要激勵的導波模態的相速度和頻率；
2)為了更有效的檢測到雙倍頻二階諧波信號，有別于常規線性導波接收換能器的設計，在本發明中，接收換能器中導電和空白之間的尺寸是激勵換能器的一半。這樣可以更加突出的主要接收雙倍頻二階諧波信號；
3)將設計的換能器包裹被檢測管道試件，固定試件在夾具上；
4)為保證統一的耦合狀態，在激勵換能器外圍纏繞一個固定裝置以保證受壓穩定； 5)信號激勵和接收裝置發射信號經過濾波器，減少檢測裝置帶的噪音，提高信噪比；
6)移動接收換能器的位置，改變導波在管道中傳播的距離。根據移動的距離，和穩定的波形在時間軸上的變化，計算檢測信號的群速度值，確認檢測信號的有效性；
7)接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，并將信號在示波器上經過100-2000次平均后存儲，優選為1000次平均；
8)將存儲的信號經過Hanning窗戶處理，選擇其中穩定的部分進行時_頻變換，有效獲得基頻導波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號幅度A2,計算數值；
9)移動接收換能器的位置，改變導波的傳播距離，重復步驟7)-8)，計算不同位置的數
值；
10)在同一個被檢測試件中檢測不少于5次不同傳播距離的數值，并記下傳播距離ζ的數值，利用以下公式斜率表征材料非線性的變化:；
11)如果管道內部存在圍觀缺陷，相對于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據這一變化表征材料內部的微損傷。本發明檢測方法，對激勵在管道中傳播的單個導波模態的激勵換能器的設計開發；為更突出接收雙倍頻二階諧波的非線性信號檢測的接收換能器的設計開發；對所激勵的導波模態信號的確認；對可彎曲梳狀換能器與被檢測試件耦合狀態的固定；對接收信號的處理上，使用信號通過功率放大器后濾波處理，并經1000次平均后存儲；信號分析前，對信號加窗并選擇穩態部分進行時-頻變換，獲得清晰的基頻波幅值和雙倍頻二階諧波幅值；根據導波可以長距離傳播的特點，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]本發明檢測方法的設計基礎及需求克服的問題:一種典型的非線性響應現象就是導波二階諧波的產生，二階諧波產生的機理是導波傳播過程中波形的畸變導致雙倍頻二階諧波的出現，相對于完好的結構件，導波在有微觀缺陷的結構件中二階諧波產生的非線性響應成量級式的增長，根據這種非線性響應的變化可以有效檢測和表征結構件中的微觀缺陷。而對于在管道中傳播的導波非線性響應，由于導波傳播的多模態和頻散特點，通常會激勵出多個不同的模態，波形混亂導致很難提出有用的信號信息。另外，由于雙倍頻二階諧波信號相對于基頻波信號非常微弱，考慮的導波傳播衰減的因素，需要設計特殊的檢測裝置用于有效提取出二階諧波信號。而本發明設計可以激勵單個導波模態的激勵換能器，換能器可以纏繞在管道上激勵軸對稱模態，接收非線性響應的換能器設計突出用于主要接收雙倍頻二階諧波。本發明利用非線性響應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，實現對管道材料非線性的超聲導波評估，利用非線性超聲的高靈敏性可用于檢測管道微觀缺陷的早期檢測。
[0020]以上所記載，僅為利用本創作技術內容的實施例，任何熟悉本項技藝者運用本創作所做的修飾、變化，皆屬本創作主張的專利范圍，而不限于實施例所揭示者。
【權利要求】
1.一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，其特征在于包括如下步驟: 51、根據導波的模態信息:頻率、相速度和群速度，設計用于激勵特定導波模態的可彎曲梳狀換能器，其中梳狀換能器的長度等于被檢測管道徑向截面外側周長，換能器相鄰的趾間電極距離是激勵模態波長的一半，特定導波模態波長的計算公式如下: 其中07和/分別表示需要激勵的導波模態的相速度和頻率； 52、將激勵換能器和接收換能器纏繞包裹被檢測管道試件，其中的激勵換能器激勵在管道中傳播的單個導波模態； 53、移動接收換能器的位置，改變導波在管道中傳播的距離，根據移動的距離和穩定的波形在時間軸上的變化，計算檢測信號的群速度值，確認檢測信號的有效性； 54、接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，并將信號在示波器上經過100^2000次平均后存儲； 55、將存儲的信號經過Hanning窗戶處理，選擇其中穩定的部分進行 時-頻變換，有效獲得基頻導波的幅度A1和雙倍頻二階諧波的信號幅度A2,計算數值； 56、移動接收換能器的位置，改變導波的傳播距離，重復步驟S4-S5，計算不同位置的數值； 57、在同一個被檢測管道試件中檢測不少于5次不同傳播距離的數值，并記下傳播距離義的數值，利用以下公 式斜率表征材料非線性的變化:； 58、如果管道內部存在微觀缺陷，相對于傳播距離的斜率有非常明顯的變化，根據這一變化表征材料內部的微損傷。
2.根據權利要求1所述的一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，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。
3.根據權利要求1或2所述的一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，其特征在于:在激勵換能器外圍纏繞一個固定裝置以保證受壓穩定。
4.根據權利要求1或2所述的一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測方法，其特征在于:所述信號激勵和接收裝置發射信號經過濾波器減少檢測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波檢測裝置，其特征在于:包括超聲導波信號的激勵/接收單元、阻抗器、激勵換能器、接收換能器、接收前置放大器、濾波器、示波器，激勵/接收單元激勵一定頻率的超聲波信號，經過阻抗器減少噪音連接激勵換能器經過耦合劑送入到被檢測試件，在試件的另一端連接接收換能器檢測傳播的導波信號，經接收前置放大器后進行濾波送入到示波器中，在示波器中對信號進行100-2000次平均而提高信噪比、存儲，將存儲的信號在示波器或在其他計算機上進行進一步信號分析。
6.根據權利要求5所述的一種管道微損傷的非線性超聲導波檢測裝置，其特征在于:所述激勵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管道試件，其中的接收換能器相鄰的趾間電極距離是激勵換能器的一半。
【文檔編號】G01N29/07GK103969339SQ201410205516
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】李衛彬, 秦曉旭, 胡詩誠 申請人:廈門大學