凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀 在基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)無損檢測及在線監(jiān)測中的應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：

基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)材料損傷快速無損檢測及損傷在線監(jiān)測應(yīng)用。

挑戰(zhàn)：

目前廣泛應(yīng)用的超聲波檢測技術(shù)大多基于超聲體波，由于超聲體波的傳播特點(diǎn)，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐點(diǎn)檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點(diǎn);同時(shí)逐點(diǎn)掃描的檢測方式也限制了其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

超聲導(dǎo)波是體波在結(jié)構(gòu)界面反射疊加形成的沿結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波。超聲導(dǎo)波相對于體波具有衰減小，傳播距離長的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對形狀規(guī)則的大結(jié)構(gòu)件的快速無損檢測;并且具有在線應(yīng)用潛力，可作為結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測的技術(shù)手段。

但是超聲導(dǎo)波相對于體波更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為兩方面：一方面為導(dǎo)波的多模態(tài)特性，即同一頻率下同時(shí)存在有多種導(dǎo)波模態(tài);另一方面為頻散特性，即同一模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導(dǎo)波的復(fù)雜性對檢測平臺(tái)和檢測方法提出了更高的要求。

解決方案：

超聲導(dǎo)波檢測方法為主動(dòng)檢測，包括信號的激發(fā)的和接收。針對導(dǎo)波的多模態(tài)的特性，擬采用單一模態(tài)導(dǎo)波作為檢測信號，因此需要在檢測平臺(tái)從信號激發(fā)和接收兩方面抑制其他模態(tài)。主要通過傳感器尺寸，信號激發(fā)頻率，優(yōu)化匹配實(shí)現(xiàn)單一導(dǎo)波模態(tài)激發(fā)。

為了實(shí)現(xiàn)對被檢對象的快速檢測，根據(jù)雷達(dá)原理發(fā)展了適用于超聲導(dǎo)波的相控陣列及信號處理算法，以此實(shí)現(xiàn)對材料損傷的快速成像檢測。

1 應(yīng)用背景

隨著當(dāng)前對大型設(shè)備結(jié)構(gòu)安全性的日益關(guān)注，無損檢測技術(shù)已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域、石化輸運(yùn)加工領(lǐng)域等。這些領(lǐng)域的設(shè)備結(jié)構(gòu)通常處于較惡劣的工作條件，容易發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，危害結(jié)構(gòu)安全性。因此對這些設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷成為無損檢測技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。

目前工業(yè)界常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲波檢測，射線檢測。在這五種檢測方式中，超聲波檢測由于適用范圍廣(既可檢測金屬，也可檢測非金屬)，對人體無害而應(yīng)用較為普遍。目前常規(guī)的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區(qū)域或者探頭周圍很小范圍，因此通常采用逐點(diǎn)檢測的方法。逐點(diǎn)檢測方法的缺點(diǎn)就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導(dǎo)波的無損檢測技術(shù)則可以有效地解決這一問題。

超聲導(dǎo)波是目前常規(guī)應(yīng)用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質(zhì)中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的特征速度傳播而無波型耦合。 在有限尺寸波導(dǎo)(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由于受到邊界的制約以及在邊界處發(fā)生不斷的模態(tài)轉(zhuǎn)換，將會(huì)產(chǎn)生沿波導(dǎo)傳播的超聲導(dǎo)波。因此超聲導(dǎo)波是由超聲體波(包括縱波和橫波)在波導(dǎo)上下界面間反射疊加而形成的沿波導(dǎo)傳播的一種應(yīng)力波。

由于超聲導(dǎo)波是在具有上下界面的固體中傳播的應(yīng)力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發(fā)點(diǎn)向三個(gè)方向擴(kuò)散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導(dǎo)波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導(dǎo)傳播很長距離。

基于超聲導(dǎo)波傳播距離長的特點(diǎn)，其在無損檢測應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)一次檢測數(shù)米距離，是對傳統(tǒng)逐點(diǎn)掃描方式的極大改進(jìn)。同時(shí)，對于發(fā)電領(lǐng)域和石化領(lǐng)域常見的包覆及埋地結(jié)構(gòu)，利用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)只需要一點(diǎn)接入就可以檢測數(shù)米距離，不需要完全暴露結(jié)構(gòu)，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導(dǎo)波檢測距離長、范圍廣，具有在線應(yīng)用潛力，可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)檢測(SHM)的技術(shù)手段。

2 面臨問題

由于超聲導(dǎo)波是超聲體波在波導(dǎo)中的反射和疊加，因此超聲導(dǎo)波相對體波來說更加復(fù)雜，表現(xiàn)為多模態(tài)和頻散特性。

對于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構(gòu)件，其頻散關(guān)系可表達(dá)為：

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數(shù)，VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達(dá)方式，當(dāng)α=0代表對稱模態(tài)，當(dāng)α=π/2代表非對稱模態(tài)。

根據(jù)平板中的頻散關(guān)系可以得出導(dǎo)波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時(shí)存在多種導(dǎo)波模態(tài)。如800kHZ以下，同時(shí)存在有有三種模態(tài)，分別為A0模態(tài)、S0模態(tài)和SH0模態(tài)。隨著頻率的增加，同時(shí)存在的導(dǎo)波模態(tài)數(shù)也會(huì)隨之增加，如在2MHz下，平板內(nèi)存在有8種可傳播模態(tài)。導(dǎo)波這種多模態(tài)效應(yīng)會(huì)使得接收到的缺陷反射信號復(fù)雜化，對其檢測應(yīng)用產(chǎn)生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致激發(fā)信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導(dǎo)致激發(fā)信號時(shí)域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm厚鋼板中激發(fā)波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導(dǎo)波的頻散特性將會(huì)導(dǎo)致波包在時(shí)域上的延長，同時(shí)波包幅值也將嚴(yán)重降低。這種現(xiàn)象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特征無法識(shí)別。

(a)頻率-波數(shù)曲線

(b)頻率-相速度曲線

(c)頻率-群速度曲線

圖1. 2mm厚鋼板的頻散曲線

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)