工控網首頁
>

應用設計

>

凌華科技PCI-9846高速數字化儀在基于超聲導波的結構健康狀態無損檢測及在線監測中的應用

凌華科技PCI-9846高速數字化儀在基于超聲導波的結構健康狀態無損檢測及在線監測中的應用

  應用領域:
  基于超聲導波的結構材料損傷快速無損檢測及損傷在線監測應用。
  挑戰:
  目前廣泛應用的超聲波檢測技術大多基于超聲體波,由于超聲體波的傳播特點,需要對結構進行逐點檢測,因此存在檢測效率低,成本高等缺點;同時逐點掃描的檢測方式也限制了其在結構健康監測領域的應用。
  超聲導波是體波在結構界面反射疊加形成的沿結構界面傳播的應力波。超聲導波相對于體波具有衰減小,傳播距離長的特點,可實現對形狀規則的大結構件的快速無損檢測;并且具有在線應用潛力,可作為結構健康在線監測的技術手段。
  但是超聲導波相對于體波更加復雜,主要表現為兩方面:一方面為導波的多模態特性,即同一頻率下同時存在有多種導波模態;另一方面為頻散特性,即同一模態導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的復雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。
解決方案:
超聲導波檢測方法為主動檢測,包括信號的激發的和接收。針對導波的多模態的特性,擬采用單一模態導波作為檢測信號,因此需要在檢測平臺從信號激發和接收兩方面抑制其他模態。主要通過傳感器尺寸,信號激發頻率,優化匹配實現單一導波模態激發。
為了實現對被檢對象的快速檢測,根據雷達原理發展了適用于超聲導波的相控陣列及信號處理算法,以此實現對材料損傷的快速成像檢測。

  1 應用背景
  隨著當前對大型設備結構安全性的日益關注,無損檢測技術已成為現代結構設備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應用于各個領域,如航空航天領域、電力生產領域、石化輸運加工領域等。這些領域的設備結構通常處于較惡劣的工作條件,容易發生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷,進而造成結構內部產生缺陷,危害結構安全性。因此對這些設備結構進行實時監測和診斷成為無損檢測技術應用中的一個重要方面。
  目前工業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),對人體無害而應用較為普遍。目前常規的超聲波檢測主要使用體波,只能檢測探頭覆蓋區域或者探頭周圍很小范圍,因此通常采用逐點檢測的方法。逐點檢測方法的缺點就是檢測效率低,檢測成本高。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地解決這一問題。
  超聲導波是目前常規應用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質中, 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(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生不斷的模態轉換,將會產生沿波導傳播的超聲導波。因此超聲導波是由超聲體波(包括縱波和橫波)在波導上下界面間反射疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。
  由于超聲導波是在具有上下界面的固體中傳播的應力波,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點向三個方向擴散,其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導波的衰減相對體波來說小很多,可以沿波導傳播很長距離。
  基于超聲導波傳播距離長的特點,其在無損檢測應用中可以實現一次檢測數米距離,是對傳統逐點掃描方式的極大改進。同時,對于發電領域和石化領域常見的包覆及埋地結構,利用超聲導波檢測技術只需要一點接入就可以檢測數米距離,不需要完全暴露結構,可以極大的提高效率并降低成本。
  由于超聲導波檢測距離長、范圍廣,具有在線應用潛力,可以作為結構健康狀態檢測(SHM)的技術手段。
  2 面臨問題
  由于超聲導波是超聲體波在波導中的反射和疊加,因此超聲導波相對體波來說更加復雜,表現為多模態和頻散特性。
  對于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構件,其頻散關系可表達為:

  其中,h是平板半壁厚,ω角頻率,k是波數,VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式,當α=0代表對稱模態,當α=π/2代表非對稱模態。
  根據平板中的頻散關系可以得出導波頻散曲線,如圖1所示。從中可以看出,在同一頻率下同時存在多種導波模態。如800kHZ以下,同時存在有有三種模態,分別為A0模態、S0模態和SH0模態。隨著頻率的增加,同時存在的導波模態數也會隨之增加,如在2MHz下,平板內存在有8種可傳播模態。導波這種多模態效應會使得接收到的缺陷反射信號復雜化,對其檢測應用產生較大影響。
  另外從頻散曲線圖中還可以看出,同一模態導波在不同頻率下的傳播速度會發生變化,這將導致激發信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散,導致激發信號時域延長,幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態在2mm厚鋼板中激發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,導波的頻散特性將會導致波包在時域上的延長,同時波包幅值也將嚴重降低。這種現象將造成檢測信號的疊混和減弱,使得缺陷特征無法識別。

 

 


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)

 

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態在2mm鋼板中的頻散現象

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

  導波的多模態和頻散特點使其在信號激勵、質點振動、傳播、接收和信息提取等方面均比常規超聲波檢測復雜。為了利用超聲導波進行檢測需要從信號的激發、傳播、接收和信號提取等方面發展適用于超聲導波的方法和技術。
  3 解決方案
  3.1 單模態超聲導波激發
  超聲導波具有多模態的特點,隨著激發頻率的增加導波模態數不斷增加。導波的多模態特點會增加信號復雜性,使缺陷特征信號難以識別。因此為了適用于檢測應用,需要激發單一導波模態。
  根據導波頻散特性曲線,在高階導波模態截止頻率以下(對于2mm厚鋼板為810kHz),僅存在三種0階導波,包擴對稱模態S0、非對稱模態A0、水平剪切模態SH0。因此控制激發信號頻率在高階導波截止頻率以下可以將導波模態數降至三種。
  對于S0、A0和SH0模態,其模態形狀存在區別。A0模態主要以離面位移為主,如圖3(a)所示,S0模態和SH0模態主要以面內位移為主,其中S0的位移方向于波傳播方向平行,如圖3(b)所示,SH0模態的位移方向與波傳播方向垂直,如圖3(c)所示。

圖3 不同導波模態激發施力圖

 

  超聲導波激發的實質上就是在被檢測對象中耦合進模態所對應的應力波,為了獲得單一的導波模態,需要通過傳感器優化來增強所需模態對應的表面應力分布,同時抑制其他模態對應的表面應力分布。
  目前可以用于在被檢測結構中耦合進導波應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和逆壓電效應作為導波激發和檢測傳感器,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,但是其壓電性相對于PZT材料要低,其優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構中的電磁場,利用Lorenz力激勵導波應力場。用于超聲導波激發的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出,其主要利用磁致伸縮效應實現導波應力場的激發。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測構件表面產生熱應力振動,實現超聲導波的激發,激光聲換能激發方式的儀器體積較大,成本較高,不適于現場檢測應用,目前主要用于實驗室研究工作。
  上述導波換能器中,PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優點,適用于結構健康狀態監測應用,因此目前各國研究團隊主要使用PZT壓電晶片作為導波激發和接收換能器。
  3.2 導波激發波形優化
  超聲導波具有頻散特性,不同頻率的波包成分的傳播速度不同,成為頻散現象。嚴重的頻散現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生,需要對導波激發頻率和波形進行優化。
  超聲導波激發波形通常使用經漢寧窗調制的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束造成的頻率旁瓣,使得能量集中于激發頻率。通過對激發信號的加窗調制可以減小激發信號的頻帶寬度,減小頻散效應。圖4為200kHz正弦波和加窗調制后的波形,以及其對應的頻譜。


   圖4 5周期200kHz正弦波與加窗調制對比:
(a)原始信號,(b)原始信號頻譜,(c)漢寧窗調制信號,(d)調制信號頻譜

  3.3 超聲導波檢測平臺
  超聲導波檢測方法不同于常規超聲檢測,它最突出的優點就是可以實現快速、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據的精度。因此在構建檢測平臺上,針對超聲導波的特殊性(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),建立了超聲導波檢測平臺,如圖5所示。

圖5 超聲導波檢測平臺


  任意函數發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,驅動壓電陶瓷產生壓電效應,將電壓信號轉變為相同頻率的振動信號,在被檢測結構中傳播。但是,由任意波形信號發生器生成的電壓信號的幅度范圍為10mVP-P-10VP-P,遠不足以驅動壓電陶瓷換能器,在結構中激勵出超聲導波。因此,必須加大激勵壓電陶瓷傳感器的激發電壓。檢測平臺中采用的是自制的高壓放大器,其可以將信號發生器產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。
  超聲導波的激勵信號經功率放大器放大后,驅動壓電傳感器,產生在管道中傳播的超聲導波,到達接收導波端時,利用壓電陶瓷的逆壓電效應,將會把振動量轉化為電壓量輸出,但是,壓電陶瓷的逆壓電效應很微弱,壓電晶片驅動電壓在100Vp-p時,接收端產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高速數字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率,適于導波信號采集。同時其可以實現四通道同時記錄,大大減少了導波陣列信號采集時間。
  多路開關單元的作用是切換激發和接收傳感器,由于壓電傳感器的激發端只有一路,而傳感器個數較多,因此通過多路開關單元切換激發的傳感器。多路開關單元基于繼電器實現信號通道開關,使用單片機對繼電器開關進行控制,單片機與PC機之間通過串口實現通信。
  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,其優點在于基于多個傳感器,通過相陣列算法實現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,實現對被檢測對象的逐點掃描成像檢測,實現超聲導波雷達。
  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。

圖6 超聲導波雷達相控陣列

  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-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變換轉變為頻域,得到的頻域信號將格局頻散特性關系轉換成波數域幅值。至此獲得信號矩陣仍然為16×16路,為了實現對不同方向的掃描,需要使用相陣控算法,根據需要掃描的方向,每路信號將乘以一個相控系數然后相加。最后需要對信號矩陣每列進行逆傅里葉變換,將其從波數域轉換成距離域。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。導波激發信號為5周期漢寧窗調制的正弦波,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傳感器,重復上述過程,直至16個傳感器均作為激發傳感器。
  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。

圖7 超聲導波雷達損傷成像

(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域就可以實現對較大區域的檢測。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測應用意義重大。


  關于凌華
  凌華科技致力于量測、自動化及計算機通訊科技之改進及創新,提供解決方案給全球網絡電信、智能交通及電子制造客戶。憑著對專業技術的執著與實踐客戶承諾的自我要求,領先業界推出多項創新性產品,獲ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485、臺灣精品、TL9000等多項認證。凌華科技為Intel?智能系統聯盟(Intel? Intelligent Systems Alliance)會員,PICMG協會和PC/104協會可參與制定規格的會員,PXI Systems Alliance協會董事會及最高等級會員,以及AXIe聯盟戰略會員,VMEbus國際貿易協會(VITA)成員。目前在美國、新加坡、中國、日本、德國設有子公司,在印度、韓國、法國設有辦事處,為當地客戶提供快捷服務和實時支持。網址:http://www.adlinktech.com/cn。


  # # #
  新聞聯絡人:盧賀/市場專員 
  Email:PRChina@adlinktech.com 
  電話: (010) 58858666 ext.9827
  地址:北京海淀區上地東路1號盈創動力大廈E座八層西
  網址:http://www.adlinktech.com/cn
  新浪微博:http://weibo.com/adlink

投訴建議

提交

查看更多評論
其他資訊

查看更多

凌華科技推出AES-100系列AI邊緣服務器

凌華科技推出邊緣視覺分析軟件開發套件EVA SDK加速邊緣AI視覺

人工智能正在改變物流自動化的方式,將為勞動密集型產業帶來革新

凌華科技加入開放式無線接入網O-RAN聯盟 加速網絡互通性 助力企業邁向5G

凌華科技推出首款搭載NVIDIA Quadro P1000圖形處理功能的PC/104模塊