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(wú)損檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm鋼板中的頻散現(xiàn)象

(a為激發(fā)信號(hào);b為傳播1000mm厚波形;c為傳播1500mm后波形;d為傳播2000mm后波形)

導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散特點(diǎn)使其在信號(hào)激勵(lì)、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、傳播、接收和信息提取等方面均比常規(guī)超聲波檢測(cè)復(fù)雜。為了利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)需要從信號(hào)的激發(fā)、傳播、接收和信號(hào)提取等方面發(fā)展適用于超聲導(dǎo)波的方法和技術(shù)。

3 解決方案

3.1 單模態(tài)超聲導(dǎo)波激發(fā)

超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)的特點(diǎn)，隨著激發(fā)頻率的增加導(dǎo)波模態(tài)數(shù)不斷增加。導(dǎo)波的多模態(tài)特點(diǎn)會(huì)增加信號(hào)復(fù)雜性，使缺陷特征信號(hào)難以識(shí)別。因此為了適用于檢測(cè)應(yīng)用，需要激發(fā)單一導(dǎo)波模態(tài)。

根據(jù)導(dǎo)波頻散特性曲線，在高階導(dǎo)波模態(tài)截止頻率以下(對(duì)于2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導(dǎo)波，包擴(kuò)對(duì)稱(chēng)模態(tài)S0、非對(duì)稱(chēng)模態(tài)A0、水平剪切模態(tài)SH0。因此控制激發(fā)信號(hào)頻率在高階導(dǎo)波截止頻率以下可以將導(dǎo)波模態(tài)數(shù)降至三種。

對(duì)于S0、A0和SH0模態(tài)，其模態(tài)形狀存在區(qū)別。A0模態(tài)主要以離面位移為主，如圖3(a)所示，S0模態(tài)和SH0模態(tài)主要以面內(nèi)位移為主，其中S0的位移方向于波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態(tài)的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示。

超聲導(dǎo)波激發(fā)的實(shí)質(zhì)上就是在被檢測(cè)對(duì)象中耦合進(jìn)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波，為了獲得單一的導(dǎo)波模態(tài)，需要通過(guò)傳感器優(yōu)化來(lái)增強(qiáng)所需模態(tài)對(duì)應(yīng)的表面應(yīng)力分布，同時(shí)抑制其他模態(tài)對(duì)應(yīng)的表面應(yīng)力分布。

目前可以用于在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中耦合進(jìn)導(dǎo)波應(yīng)力場(chǎng)的傳感器可分為如下幾類(lèi)：壓電式換能器，電磁聲換能器(EMAT)，磁致伸縮換能器，激光超聲換能器。壓電式換能器主要利用晶體材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)作為導(dǎo)波激發(fā)和檢測(cè)傳感器，目前常用的壓電材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的壓電轉(zhuǎn)換效率較高，成本較低，但是材料無(wú)法彎曲;PVDF材料也具有壓電效應(yīng)，但是其壓電性相對(duì)于PZT材料要低，其優(yōu)點(diǎn)在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過(guò)改變金屬結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)，利用Lorenz力激勵(lì)導(dǎo)波應(yīng)力場(chǎng)。用于超聲導(dǎo)波激發(fā)的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波應(yīng)力場(chǎng)的激發(fā)。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測(cè)構(gòu)件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的激發(fā)，激光聲換能激發(fā)方式的儀器體積較大，成本較高，不適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用，目前主要用于實(shí)驗(yàn)室研究工作。

上述導(dǎo)波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，因此目前各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)主要使用PZT壓電晶片作為導(dǎo)波激發(fā)和接收換能器。

3.2 導(dǎo)波激發(fā)波形優(yōu)化

超聲導(dǎo)波具有頻散特性，不同頻率的波包成分的傳播速度不同，成為頻散現(xiàn)象。嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)混淆、缺陷特征無(wú)法提取。為了避免此問(wèn)題的發(fā)生，需要對(duì)導(dǎo)波激發(fā)頻率和波形進(jìn)行優(yōu)化。

超聲導(dǎo)波激發(fā)波形通常使用經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波。漢寧窗的作用是降低由于波形忽然開(kāi)始和忽然結(jié)束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率。通過(guò)對(duì)激發(fā)信號(hào)的加窗調(diào)制可以減小激發(fā)信號(hào)的頻帶寬度，減小頻散效應(yīng)。圖4為200kHz正弦波和加窗調(diào)制后的波形，以及其對(duì)應(yīng)的頻譜。

3.3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法不同于常規(guī)超聲檢測(cè)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速、大范圍檢測(cè)，而不是逐點(diǎn)檢測(cè)，同時(shí)為較精確定位缺陷，必須在試驗(yàn)中確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。因此在構(gòu)建檢測(cè)平臺(tái)上，針對(duì)超聲導(dǎo)波的特殊性(如所選激勵(lì)信號(hào)的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)，如圖5所示。

任意函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤l率的振動(dòng)信號(hào)，在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中傳播。但是，由任意波形信號(hào)發(fā)生器生成的電壓信號(hào)的幅度范圍為10mVP-P-10VP-P，遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器，在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。因此，必須加大激勵(lì)壓電陶瓷傳感器的激發(fā)電壓。檢測(cè)平臺(tái)中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)線性放大至180Vp-p。在180Vp-p輸出下，放大器線性放大頻率最高可達(dá)2MHz。

超聲導(dǎo)波的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)壓電傳感器，產(chǎn)生在管道中傳播的超聲導(dǎo)波，到達(dá)接收導(dǎo)波端時(shí)，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將會(huì)把振動(dòng)量轉(zhuǎn)化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)很微弱，壓電晶片驅(qū)動(dòng)電壓在100Vp-p時(shí)，接收端產(chǎn)生的輸出的電壓信號(hào)僅在毫伏量極。因此接受到信號(hào)需要先經(jīng)過(guò)前置放大器放大后，在可以進(jìn)入信號(hào)采集端。本平臺(tái)使用的前置放大器為自制的增益可調(diào)放大器，增益范圍在-4.5dB-525dB。由于壓電晶片具有很高的阻抗，而輸出的信號(hào)功率很小，因此將前置放大器的輸入阻抗匹配至其最大值6K歐姆。

信號(hào)采集端采用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率，適于導(dǎo)波信號(hào)采集。同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)四通道同時(shí)記錄，大大減少了導(dǎo)波陣列信號(hào)采集時(shí)間。

多路開(kāi)關(guān)單元的作用是切換激發(fā)和接收傳感器，由于壓電傳感器的激發(fā)端只有一路，而傳感器個(gè)數(shù)較多，因此通過(guò)多路開(kāi)關(guān)單元切換激發(fā)的傳感器。多路開(kāi)關(guān)單元基于繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道開(kāi)關(guān)，使用單片機(jī)對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，單片機(jī)與PC機(jī)之間通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信。