专利名称：用于对材料和结构进行非破坏性评估和监视的方法和设备的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及一种用于激发具有可选脉冲性质的高度非线性脉冲、将这些脉冲 发射到结构或材料中、并检测来自结构或材料的这些脉冲的方法和设备。更具体而言，本公 开内容描述了一种用于激发具有期望形状、幅度、频率和/或持续时间的、可选数目的可控 的高度非线性脉冲(然后其可被用于非破坏性评估和/或结构健康监视)的方法和设备。
背景技术：
可以通过使用冲击测试来实现材料或结构的非破坏性评估。在冲击测试中，通常 利用冲击装置击打材料或结构，然后测量穿过材料或结构的声波，以提供材料或结构内的 缺陷的某种指示。参见例如在1992年11月24日授予Sansalone等人的第5，165，270号 美国专利。在第5，165，270号美国专利中，冲击装置是多个不同重量的球体，每个球体被设 计成产生不同持续时间的冲击，由此将不同的应力波传递到待测试的结构中。依赖于冲击 持续时间，不同的应力波具有不同的频率值。每个球体被设置在弹簧钢杆的一端上。在测 试开始时，所选球体处于息止位。利用一对钳夹将球体从息止位回撤到结构上方的给定高 度。此动作使弹簧钢杆偏斜，由此增大了冲击球体的势能。在预定释放点释放球体，使得它 冲击结构并向结构传递给定能量。该冲击产生从结构的外表面和/或内部缺陷反射的应力 波(声波)。反射波由换能器检测，换能器将波造成的法向表面位移转换成电信号。然后， 电信号被处理以提供指示结构的厚度或者设置在其中的缺陷的幅度/频率谱。其它冲击测试设备和技术在本领域中也是已知的，但是通常使用与上述方法类 似的方法，即，击打待测试的材料并测量应力波传播。在冲击测试技术中使用的冲击装置 (即，击打器)通常成本为数百美元或更多并且需要耦合到信号调节器。线路供电的信号调 节器被用来向传感器供电并调节它们的输出信号以便发送到读出及记录仪器。冲击锤被用 于将冲力递送到测试样品中，信号调节器被用来提供所施加的力的幅度和频率内容的电测 量信号。用于非破坏性评估的锤和调节器可能很昂贵。如下文所述的本发明的实施例可以 提供用于对材料和结构进行非破坏性评估的更低成本的设备。
发明内容
本公开内容描述了一种用于对结构和材料进行非破坏性评估(NDE)的方法和设 备，其使用高度非线性介质来生成和检测撞击材料或结构的一个或多个高度非线性脉冲 (或高度非线性波)。该设备包括诱发高度非线性的、弱非线性的或线性的应力波在待检 查的材料、系统或结构中的传播的脉冲激发器；和/或用于观察和检测来自被测试的材料/ 结构的输出波的检测器。该NDE方法包括仅使用可调谐的高度非线性设备作为脉冲激发 器来检测输出脉冲，或者将可调谐的高度非线性设备与加速度计或非线性传感器相结合使 用来检测输出脉冲。本发明的实施例依赖于使用可在高度非线性系统(即，可包括粒状材料、分层材 料、纤维材料或多孔材料的系统)中形成并行进的高度非线性波(HNW)，包括高度非线性孤 立波(HNSW)。与在使用基于声音、超声或冲击的技术的现有技术系统中使用的常规应力波 相比，HNW在可任意调整的、简单的且可再现的设置中在波长、波速(与波长幅度和材料性 质成比例)、所生成的脉冲的数目和幅度控制方面提供了显著更高的可调谐性。本发明的实施例可以提供对现有技术系统的改进，这些改进包括1)诱发的脉冲 的频率、幅度和速度的更大的可调谐范围，从而导致材料中的可检测的裂缝、缺陷和夹杂物 的更宽范围的尺寸(即，多标度缺陷敏感度)；2)测量的增强的可重复性，从而提高测量系 统的可靠性并且避免现有技术方法通常所需要的高超的必需操作技能；3)测量系统内的 仪器(比如波激励器和传感器)按不同尺度的更简单且更具可缩放性的设计(这还可提供 更广泛的应用)；4)仪器的降低的功率需求特性；以及(5)处理部件、传感器和激励器的降 低的组装和制造成本(低于当前市售冲击锤达2个数量级之多)。本发明的一些实施例包括基于与常规感测/激励方法耦合的或者组合在一起的 高度非线性传感器和/或激励器(完全非线性系统)进行非破坏性评估和/或结构健康监 视(NDE/SHM)的方法和设备。例如，一个实施例包括这样的NDE/SHM方法其中将高度非 线性激励器与经典接收器(比如加速度计、激光干涉仪、压电计量器或者本领域中已知的 其它检测器)相结合使用，其中激励器向待检查的材料提供输入且经典接收器测量输出。 另一个实施例包括这样的NDE/SHM方法其中将经典冲击回波/轻敲声测试激励方法与高 度非线性接收器一起使用，其中经典冲击/轻敲测试提供输入且高度非线性接收器测量输 出。又一个实施例包括这样的NDE/SHM方法其中将高度非线性激励器与高度非线性接收 器一起使用，其中激励器提供输入且接收器测量输出。本发明的一个实施例是一种用于进行元件或结构的检查的方法，该方法包括生 成一个或多个高度非线性波；将该一个或多个高度非线性波引导到待检查的元件或结构 中；以及在被引导到待检查的元件或结构中的波已穿过元件或结构的至少一部分之后检测 源于所述波的脉冲。本发明的另一个实施例是一种用于检查元件或结构的系统，该系统包括高度非 线性波激励器，其中该激励器可配置成使高度非线性脉冲撞击待检查的元件或结构；以及脉 冲检测器，可配置成检测穿过待检查的元件或结构的至少一部分的来自该激励器的脉冲。本发明的又一个实施例是一种用于进行元件或结构的检查的方法，该方法包括 生成检查脉冲；将检查脉冲引导到待检查的元件或结构中；将已穿过待检查的元件或结构 的至少一部分之后的检查脉冲引导到高度非线性接收器中；以及检测已穿过高度非线性接收器的至少一部分之后的检查脉冲。本发明的又一个实施例是一种用于检查元件或结构的系统，该系统包括脉冲激 励器，其中该激励器可配置成向待检查的元件或结构施加脉冲；以及非线性接收器，可配置 成检测穿过待检查的元件或结构的至少一部分的来自该激励器的脉冲。
图IA是用于产生和/或检测高度非线性波的系统的示意图。图IB图示了具有嵌入式压电元件的珠子。图2A图示了用于产生或检测高度非线性波的系统。图2B图示了用于产生或检测高度非线性波的系统。图3A是表示对于高度非线性的、弱非线性的或线性的块状介质而言产生、传播和 检测高度非线性孤立波的示意图。图3B是表示在由高度非线性的、弱非线性的或线性的介质制成的波导结构中发 射高度非线性波的示意图。图4描绘了其中将高度非线性激励器与经典接收器相结合使用的系统。图5描绘了其中将经典冲击回波/轻敲声测试锤与高度非线性接收器相结合使用 的系统。图6描绘了其中将高度非线性激励器与高度非线性接收器相结合使用的系统。图7是示出了用于进行非破坏性评估和结构健康监视的方法的步骤的流程图。图8是示出了用于通过使用逆方法来表征材料的步骤的流程图。图9是示出了用于基于高度非线性波测量结果来确定材料或结构是否具有任何 损坏的步骤的流程图。图10图示了向受损结构施加高度非线性孤立波、高度非线性孤立波穿过该结构 以及用以检测该损坏的测试设置。图11描绘了未受损的七线钢绞线和受损的七线钢绞线以及向其施加高度非线性 孤立波。图12A和12B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结^ ο图13A和13B示出了其中使用与图4中所示测试设置类似的测试设置在钢杆内传 播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结果。图14A和14B示出了其中使用与图4中所示测试设置类似、但是仅有两个传感器 的测试设置在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结果。图15A和15B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲并且使用预 压缩的时间历史结果。图16A和16B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲并且使用预 压缩的频率-强度结果。图17示出了用于自动评估和监视公路、铁路、楼层空间和其它这样的结构的系 统。
具体实施例方式本发明的实施例通过使用在粒状部件的一维链中生成的高度非线性脉冲和波提 供了材料和结构的非破坏性评估和监视。在本公开内容中，粒状部件或颗粒可以包括粒状 物质，粒状物质定义为优选地呈线性或网络形状的布置的、彼此弹性接触的粒子或层的集 合体。尽管本发明的实施例使用高度非线性脉冲和波，但是可以在使用、生成和/或检测高 度非线性孤立波或脉冲时提供额外优点。对本公开内容来说，高度非线性孤立波应被视为 高度非线性波的具体情况。此外，高度非线性孤立波应被视为高度非线性脉冲的具体情况。 因此，除非另有说明，这里对高度非线性波的任何引用应被视为包括高度非线性孤立波，且 这里对高度非线性脉冲的任何引用应被视为包括高度非线性孤立脉冲。颗粒之间的接触互作用由方程1中所示的高度非线性力F-位移δ关系来调节
权利要求
一种用于进行元件或结构的检查的方法，包括生成一个或多个高度非线性波；将所述一个或多个高度非线性波引导到待检查的所述元件或结构中；以及在被引导到待检查的所述元件或结构中的波已穿过所述元件或结构的至少一部分之后检测源于所述波的脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中生成高度非线性波包括将一个或多个脉冲引导到 球形粒子链中，其中所述球形粒子链中的每个粒子与所述链中的相邻粒子线性接触。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述粒子链中的所述粒子受线性约束并且在线性 方向上受压缩。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过选择以下中的一个或多个来控制由所述粒子 链生成的所述高度非线性波的期望波长、速度、脉冲数目和/或幅度所述粒子链中的粒子 数目；所述粒子链中的粒子尺寸；构成所述粒子的材料；以及静态预压缩的量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个高度非线性波包括一个或多个高 度非线性孤立波。
6.一种用于检查元件或结构的系统，包括高度非线性波激励器，其中所述激励器可配置成使高度非线性脉冲撞击待检查的所述 元件或结构；以及脉冲检测器，可配置成检测穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分的来自所述激 励器的脉冲。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述高度非线性波激励器包括球形粒子链；以及击打设备，配置成击打所述粒子链中的第一个粒子。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述高度非线性波激励器还包括配置成沿着所述 球形粒子链的线性方向施加压缩力的预压缩设备。
9.根据权利要求6所述的系统，还包括配置成从所述高度非线性波激励器接收生成的 脉冲数据并配置成从所述脉冲检测器接收所接收到的脉冲数据的处理器，其中所述处理器 将所述接收到的脉冲数据与所述生成的脉冲数据相比较以确定检查结果。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述高度非线性波激励器生成一个或多个高度 非线性孤立波。
11.根据权利要求2所述的方法或根据权利要求7所述的系统，所述粒子链中的至少一 个粒子包含以下检测元件中的至少一个波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或 位移检测元件。
12.一种用于进行元件或结构的检查的方法，包括生成检查脉冲；将所述检查脉冲引导到待检查的所述元件或结构中；将已穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分之后的所述检查脉冲引导到非线性 接收器中；以及检测已穿过所述非线性接收器的至少一部分之后的所述检查脉冲。
13.一种用于检查元件或结构的系统，包括脉冲激励器，其中所述激励器可配置成向待检查的所述元件或结构施加脉冲；以及非线性接收器，可配置成检测穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分的来自所述 激励器的脉冲。
14.根据权利要求13所述的方法或根据权利要求13所述的系统，其中所述非线性接收 器包括球形粒子链，其中所述球形粒子链中的每个粒子与所述链中的相邻粒子线性接触。
15.根据权利要求14所述的方法或系统，其中所述粒子链中的所述粒子受线性约束并 且在线性方向上受压缩。
16.根据权利要求14所述的方法，其中检测所述检查脉冲包括利用包含以下检测元件 中的至少一个的、所述粒子链中的至少一个粒子来检测所述检查脉冲波检测元件；压力 检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。
17.根据权利要求14所述的方法，其中检测所述检查脉冲包括将所述检查脉冲引导 到所述粒子链的与待检查的所述元件或结构相邻的一端中，并在所述粒子链的与相邻于待 检查的所述元件或结构的所述端相反的一端检测所述检查脉冲。
18.根据权利要求14所述的方法或系统，其中所述粒子链中的至少一个粒子包含以下 检测元件中的至少一个波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。
19.根据权利要求14所述的方法或系统，其中所述非线性接收器包括设置在所述粒子 链的一端的至少一个检测元件，其中所述检测元件包括以下检测元件中的至少一个波检 测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。全文摘要
一种用于对结构和材料进行非破坏性评估(NDE)的方法和设备，其使用高度非线性介质来生成和检测撞击材料或结构的一个或多个高度非线性脉冲(或高度非线性波)。该设备包括诱发高度非线性的、弱非线性的或线性的应力波在待检查的材料、系统或结构中的传播的脉冲激发器；和/或用于观察和检测来自被测试的材料/结构的输出波的检测器。该NDE方法包括仅使用可调谐的高度非线性设备作为脉冲激发器来检测输出脉冲，或者将可调谐的高度非线性设备与加速度计或非线性传感器相结合使用来检测输出脉冲。
文档编号G01N29/04GK101971017SQ200880126412
公开日2011年2月9日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年2月7日
发明者基亚拉·达拉约, 皮耶尔温琴佐·里佐 申请人:加州理工学院;匹兹堡大学高等教育联邦体系