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

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;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)和頻散特點使其在信號激勵、質(zhì)點振動、傳播、接收和信息提取等方面均比常規(guī)超聲波檢測復(fù)雜。為了利用超聲導(dǎo)波進行檢測需要從信號的激發(fā)、傳播、接收和信號提取等方面發(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，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)特點會增加信號復(fù)雜性，使缺陷特征信號難以識別。因此為了適用于檢測應(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(對于2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導(dǎo)波，包擴對稱模態(tài)S0、非對稱模態(tài)A0、水平剪切模態(tài)SH0。因此控制激發(fā)信號頻率在高階導(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)的實質(zhì)上就是在被檢測對象中耦合進模態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力波，為了獲得單一的導(dǎo)波模態(tài)，需要通過傳感器優(yōu)化來增強所需模態(tài)對應(yīng)的表面應(yīng)力分布，同時抑制其他模態(tài)對應(yīng)的表面應(yīng)力分布。

目前可以用于在被檢測結(jié)構(gòu)中耦合進導(dǎo)波應(yīng)力場的傳感器可分為如下幾類：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，但是材料無法彎曲;PVDF材料也具有壓電效應(yīng)，但是其壓電性相對于PZT材料要低，其優(yōu)點在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過改變金屬結(jié)構(gòu)中的電磁場，利用Lorenz力激勵導(dǎo)波應(yīng)力場。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)實現(xiàn)導(dǎo)波應(yīng)力場的激發(fā)。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測構(gòu)件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力振動，實現(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)場檢測應(yīng)用，目前主要用于實驗室研究工作。

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，適用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，因此目前各國研究團隊主要使用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。嚴重的頻散現(xiàn)象會造成檢測信號混淆、缺陷特征無法提取。為了避免此問題的發(fā)生，需要對導(dǎo)波激發(fā)頻率和波形進行優(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。通過對激發(fā)信號的加窗調(diào)制可以減小激發(fā)信號的頻帶寬度，減小頻散效應(yīng)。圖4為200kHz正弦波和加窗調(diào)制后的波形，以及其對應(yīng)的頻譜。

3.3 超聲導(dǎo)波檢測平臺

超聲導(dǎo)波檢測方法不同于常規(guī)超聲檢測，它最突出的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)快速、大范圍檢測，而不是逐點檢測，同時為較精確定位缺陷，必須在試驗中確保檢測數(shù)據(jù)的精度。因此在構(gòu)建檢測平臺上，針對超聲導(dǎo)波的特殊性(如所選激勵信號的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導(dǎo)波檢測平臺，如圖5所示。

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

超聲導(dǎo)波的激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動壓電傳感器，產(chǎn)生在管道中傳播的超聲導(dǎo)波，到達接收導(dǎo)波端時，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將會把振動量轉(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)動電壓在100Vp-p時，接收端產(chǎn)生的輸出的電壓信號僅在毫伏量極。因此接受到信號需要先經(jīng)過前置放大器放大后，在可以進入信號采集端。本平臺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)波信號采集。同時其可以實現(xiàn)四通道同時記錄，大大減少了導(dǎo)波陣列信號采集時間。

多路開關(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，而傳感器個數(shù)較多，因此通過多路開關(guān)單元切換激發(fā)的傳感器。多路開關(guān)單元基于繼電器實現(xiàn)信號通道開關(guān)，使用單片機對繼電器開關(guān)進行控制，單片機與PC機之間通過串口實現(xiàn)通信。