凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀 在基于超聲導波的結構健康狀態(tài)無損檢測及在線監(jiān)測中的應用

3.4 傳感器相控陣列(phased array)

傳感器陣列在聲納、雷達領域使用較多，其優(yōu)點在于基于多個傳感器，通過相陣列算法實現(xiàn)對空間不同位置的逐點掃描。超聲導波也具有長距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達中相控陣列(phased array)概念,實現(xiàn)對被檢測對象的逐點掃描成像檢測，實現(xiàn)超聲導波雷達。

超聲導波雷達中的關鍵就是相控陣列及相對應的算法。本應用實例中采用圓環(huán)形緊密排列相控陣列，如圖6所示。陣列由16個壓電晶片單元組成，每個壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個圓形壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列。為此陣列可以對周向0-360°范圍進行全方位掃描成像。

相控陣列包含有16個導波傳感器，每個傳感器相互獨立。在利用超聲導波雷達進行缺陷成像檢測時，需要首先激發(fā)一個傳感器，然后記錄16個傳感器接收到的導波信號，隨后激發(fā)另外一個傳感器，再記錄16個傳感器接收到的到波信號，最終將獲得16×16路時域信號，每路時域信號對應一個激發(fā)-接收傳感器組合。

由于超聲導波具有頻散特性，因此對相控陣列得到的信號處理方法具有自身特殊性。首先每路時域信號將通過FFT變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，得到的頻域信號將格局頻散特性關系轉(zhuǎn)換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號矩陣仍然為16×16路，為了實現(xiàn)對不同方向的掃描，需要使用相陣控算法，根據(jù)需要掃描的方向，每路信號將乘以一個相控系數(shù)然后相加。最后需要對信號矩陣每列進行逆傅里葉變換，將其從波數(shù)域轉(zhuǎn)換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達到成像檢測目的。

4 檢測實例

本實例使用相控導波陣列對板狀構件中缺陷進行了成像檢測。相控陣列如上文介紹，使用16個Φ7×0.2mm壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列而成。被檢測對象為2mm厚鋼板，缺陷為半徑為2mm的通孔，距離陣列中心500mm。導波激發(fā)信號為5周期漢寧窗調(diào)制的正弦波，中心頻率為200kHz。

檢測過程為每次使用1個傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時采集4個接收信號;然后通過多路開關單元更換另外4個傳感器作為接收傳感器，指導將16個傳感器的接收信號全部采集完成。之后更換另外一個傳感器作為激發(fā)傳感器，重復上述過程，直至16個傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號通過上文所述的相陣控信號處理方法處理，獲得對缺陷的分布圖像，如圖7所示。

通過實例可已看出，超聲導波可以對材料損傷進行檢測，通過超聲導波相控陣列可以對材料損傷分布進行成像，結果較為準確。

(導波陣列位中心位于原點處，模擬損傷為半徑為2mm的通孔，損傷距離陣列中心500mm)

5 總結

通過本應用實例可以得出，超聲導波相控陣列可以對板狀材料損傷進行成像檢測。本檢測方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實現(xiàn)對較大區(qū)域的檢測。此種方法不但適用于無損檢測，同時也適用于在線監(jiān)測應用。

但是由于超聲導波陣列中導播傳感器較多，并且需要對每個傳感器進行激發(fā)和采集，因此信號采集時間較長。如采用單通道采集儀器，對于本應用實例將需要進行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時間即可完成一次檢測，這對時效性要求較高的在線損傷監(jiān)測應用意義重大。