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(cè)及在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.4 傳感器相控陣列(phased array)

傳感器陣列在聲納、雷達(dá)領(lǐng)域使用較多，其優(yōu)點(diǎn)在于基于多個(gè)傳感器，通過相陣列算法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間不同位置的逐點(diǎn)掃描。超聲導(dǎo)波也具有長距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達(dá)中相控陣列(phased array)概念,實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的逐點(diǎn)掃描成像檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波雷達(dá)。

超聲導(dǎo)波雷達(dá)中的關(guān)鍵就是相控陣列及相對(duì)應(yīng)的算法。本應(yīng)用實(shí)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(gè)壓電晶片單元組成，每個(gè)壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個(gè)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(duì)周向0-360°范圍進(jìn)行全方位掃描成像。

相控陣列包含有16個(gè)導(dǎo)波傳感器，每個(gè)傳感器相互獨(dú)立。在利用超聲導(dǎo)波雷達(dá)進(jìn)行缺陷成像檢測(cè)時(shí)，需要首先激發(fā)一個(gè)傳感器，然后記錄16個(gè)傳感器接收到的導(dǎo)波信號(hào)，隨后激發(fā)另外一個(gè)傳感器，再記錄16個(gè)傳感器接收到的到波信號(hào)，最終將獲得16×16路時(shí)域信號(hào)，每路時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)激發(fā)-接收傳感器組合。

由于超聲導(dǎo)波具有頻散特性，因此對(duì)相控陣列得到的信號(hào)處理方法具有自身特殊性。首先每路時(shí)域信號(hào)將通過FFT變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，得到的頻域信號(hào)將格局頻散特性關(guān)系轉(zhuǎn)換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號(hào)矩陣仍然為16×16路，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)將乘以一個(gè)相控系數(shù)然后相加。最后需要對(duì)信號(hào)矩陣每列進(jìn)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(dá)到成像檢測(cè)目的。

4 檢測(cè)實(shí)例

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

檢測(cè)過程為每次使用1個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時(shí)采集4個(gè)接收信號(hào);然后通過多路開關(guān)單元更換另外4個(gè)傳感器作為接收傳感器，指導(dǎo)將16個(gè)傳感器的接收信號(hào)全部采集完成。之后更換另外一個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，重復(fù)上述過程，直至16個(gè)傳感器均作為激發(fā)傳感器。

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

通過實(shí)例可已看出，超聲導(dǎo)波可以對(duì)材料損傷進(jìn)行檢測(cè)，通過超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)材料損傷分布進(jìn)行成像，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

(導(dǎo)波陣列位中心位于原點(diǎn)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(jié)

通過本應(yīng)用實(shí)例可以得出，超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)板狀材料損傷進(jìn)行成像檢測(cè)。本檢測(cè)方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大區(qū)域的檢測(cè)。此種方法不但適用于無損檢測(cè)，同時(shí)也適用于在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

但是由于超聲導(dǎo)波陣列中導(dǎo)播傳感器較多，并且需要對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行激發(fā)和采集，因此信號(hào)采集時(shí)間較長。如采用單通道采集儀器，對(duì)于本應(yīng)用實(shí)例將需要進(jìn)行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個(gè)采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號(hào)采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時(shí)間即可完成一次檢測(cè)，這對(duì)時(shí)效性要求較高的在線損傷監(jiān)測(cè)應(yīng)用意義重大。