管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置，通过可以激励单个导波模态的激励换能器及配合的接收换能器，换能器可以缠绕在管道上激励轴对称模态，并利用配合对应的接收探头扩大二阶谐波信号的接收效率，提高系统对导波二阶谐波的检测能力，本发明检测利用非线性响应与传播距离的比值表征材料非线性的变化，有效减少仪器非线性的干扰，实现对管道材料非线性的超声导波评估，利用非线性超声的高灵敏性可用于检测管道微观缺陷的早期检测。
【专利说明】管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明公开一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于无损检测【技术领域】，具体是利用超声导波在金属管道结构传播中发生的声学非线性响应对结构材料内部微观缺陷进行检测。
【背景技术】
[0002]超声导波可以对被检测导体进行大面积、快速、整体检测。这种检测方法既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。导波检测技术也是一种可以对结构件中不可达或隐蔽区域进行检测的有效方法。另外，导波因其灵活的激发和检测方式，且能携带大量检测所需信息，被作为一种有效检测手段被广泛应用。在管道中，导波的能量可以随管道结构长距离、快速传播而很少扩散。因此，管道结构被认为最适合使用导波检测的结构之一。
[0003]然而，目前的超声导波管道检测方法主要是基于导波传播过程中，导波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，通过声波线性物理参数的变化来对试件进行宏观缺陷检测。这种基于线性的导波检测技术对微观缺陷是不敏感或不可检的。而对微损伤或微观缺陷的早期检测对构件的可靠性评估及寿命预测更为重要，越来越受到工业和学术界的重视。
[0004]基于传播介质中微小的缺陷也能导致明显的声波非线性响应，声波传播过程中的非线性现象可以有效应用于对围观缺陷的超声无损检测。中国文献CN 102866202 A 了非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，采用非线性的三次谐波来进行检测，其信号处理较复杂。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其能够激励单个模态的导波信号，并利用配合对应的接收探头扩大二阶谐波信号的接收效率，提高系统对导波二阶谐波的检测能力，利用检测出来的二阶谐波幅度的变化有效表征管道微观缺陷。
[0006]本发明的另一目的是提供了一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置。
[0007]为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，包括如下步骤:
51、根据导波的模态信息:频率、相速度和群速度，设计用于激励特定导波模态的梳状换能器，其中梳状换能器的长度等于被检测管道径向截面外侧周长，换能器相邻的趾间电极距离是激励模态波长的一半，特定导波模态波长的计算公式如下:
其中07和/分别表示需要激励的导波模态的相速度和频率；
52、将激励换能器和接收换能器缠绕包裹被检测管道试件，其中的激励换能器激励在管道中传播的单个导波模态；53、移动接收换能器的位置，改变导波在管道中传播的距离，根据移动的距离和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群速度值，确认检测信号的有效性；
54、接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100^2000次平均后存储；
55、将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行
时-频变换，有效获得基频导波的幅度A1和双倍频二阶谐波的信号幅度A2,计算数值；
56、移动接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4-S5，计算不同位置的数值；
57、在同一个被检测管道试件中检测不少于5次不同传播距离的数值，并记下传播距离义的数值，利用以下公式斜率表征材料非线性的变化:；
58、如果管道内部存在微观缺陷，相对于传播距离的斜率有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。
[0008]为了更有效的检测到双倍频二阶谐波信号，有别于常规线性导波接收换能器的设计，在本发明中，步骤S2接收换能器中相邻的趾间电极距离是激励换能器的一半，这样可以更加突出的主要接收双倍频二阶谐波信号。
[0009]为保证统一的耦合状态，在激励换能器外围缠绕一个固定装置以保证受压稳定。 [0010]信号激励和接收装置发射信号经过滤波器，减少检测装置带的噪音，提高信噪比。
[0011]一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置，包括超声导波信号的激励/接收单元、阻抗器、激励换能器、接收换能器、接收前置放大器、滤波器、示波器，激励/接收单元激励一定频率的超声波信号，经过阻抗器减少噪音连接激励换能器经过耦合剂送入到被检测试件，在试件的另一端连接接收换能器检测传播的导波信号，经接收前置放大器后进行滤波送入到示波器中，在示波器中对信号进行100-2000次平均而提高信噪比、存储，将存储的信号在示波器或在其他计算机上进行进一步信号分析。
[0012]进一步，所述激励换能器和接收换能器均为可弯曲梳状换能器，两换能器缠绕包裹被检测管道试件，其中的接收换能器相邻的趾间电极距离是激励换能器的一半，换能器相邻的趾间电极距离指相邻的导电和空白之间的尺寸。
[0013]本发明一种利用超声导波传播的非线性响应检测管道微损伤的方法和装置，设计可以激励单个导波模态的激励换能器，换能器可以缠绕在管道上激励轴对称模态，接收非线性响应的换能器设计突出用于主要接收双倍频二阶谐波。本发明利用非线性响应与传播距离的比值表征材料非线性的变化，有效减少仪器非线性的干扰，实现对管道材料非线性的超声导波评估，利用非线性超声的高灵敏性可用于检测管道微观缺陷的早期检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明检测装置示意图。
[0015]图2是本发明激励换能器示意图。
[0016]图3是本发明接收换能器示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作进一步说明:实施例:请参阅图1至图3，一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置，包括超声导波信号的激励/接收单元1、阻抗器2、激励换能器3、接收换能器4、接收前置放大器(功率放大器5)、滤波器6、示波器7，其中信号的激励/接收单元I激励一定频率的超声波信号，经过阻抗器2减少噪音连接开发的激励换能器3经过耦合剂送入到被检测试件N，在试件的另一端连接接收换能器4检测传播的导波信号，经放大器5后进行滤波6送入到示波器7中，在示波器7中对信号进行1000次平均而提高信噪比，存储。将存储的信号在示波器7上进行进一步信号分析，或在其他计算机上进行分析。
[0018]一种管道(金属管道)微损伤的非线性超声导波检测方法，包括如下步骤:
1)根据导波特定的模态信息(频率、相速度和群速度)设计用于激励特定导波模态的可弯曲梳状换能器(如图2)，其可缠绕包裹被检测管道试件；梳状换能器的长度等于管道的周长，换能器相邻的导电和空白之间的尺寸(趾间电极距离)是激励模态波长的一半，特定导波模态波长的计算公式如下:
其中07和/分份别表示需要激励的导波模态的相速度和频率；
2)为了更有效的检测到双倍频二阶谐波信号，有别于常规线性导波接收换能器的设计，在本发明中，接收换能器中导电和空白之间的尺寸是激励换能器的一半。这样可以更加突出的主要接收双倍频二阶谐波信号；
3)将设计的换能器包裹被检测管道试件，固定试件在夹具上；
4)为保证统一的耦合状态，在激励换能器外围缠绕一个固定装置以保证受压稳定； 5)信号激励和接收装置发射信号经过滤波器，减少检测装置带的噪音，提高信噪比；
6)移动接收换能器的位置，改变导波在管道中传播的距离。根据移动的距离，和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群速度值，确认检测信号的有效性；
7)接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100-2000次平均后存储，优选为1000次平均；
8)将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行时_频变换，有效获得基频导波的幅度A1和双倍频二阶谐波的信号幅度A2,计算数值；
9)移动接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤7)-8)，计算不同位置的数
值；
10)在同一个被检测试件中检测不少于5次不同传播距离的数值，并记下传播距离ζ的数值，利用以下公式斜率表征材料非线性的变化:；
11)如果管道内部存在围观缺陷，相对于传播距离的斜率有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。本发明检测方法，对激励在管道中传播的单个导波模态的激励换能器的设计开发；为更突出接收双倍频二阶谐波的非线性信号检测的接收换能器的设计开发；对所激励的导波模态信号的确认；对可弯曲梳状换能器与被检测试件耦合状态的固定；对接收信号的处理上，使用信号通过功率放大器后滤波处理，并经1000次平均后存储；信号分析前，对信号加窗并选择稳态部分进行时-频变换，获得清晰的基频波幅值和双倍频二阶谐波幅值；根据导波可以长距离传播的特点，采用与传播距离ζ的比值征材料非线性的变化，可以有效避免仪器非线性的干扰。
[0019]本发明检测方法的设计基础及需求克服的问题:一种典型的非线性响应现象就是导波二阶谐波的产生，二阶谐波产生的机理是导波传播过程中波形的畸变导致双倍频二阶谐波的出现，相对于完好的结构件，导波在有微观缺陷的结构件中二阶谐波产生的非线性响应成量级式的增长，根据这种非线性响应的变化可以有效检测和表征结构件中的微观缺陷。而对于在管道中传播的导波非线性响应，由于导波传播的多模态和频散特点，通常会激励出多个不同的模态，波形混乱导致很难提出有用的信号信息。另外，由于双倍频二阶谐波信号相对于基频波信号非常微弱，考虑的导波传播衰减的因素，需要设计特殊的检测装置用于有效提取出二阶谐波信号。而本发明设计可以激励单个导波模态的激励换能器，换能器可以缠绕在管道上激励轴对称模态，接收非线性响应的换能器设计突出用于主要接收双倍频二阶谐波。本发明利用非线性响应与传播距离的比值表征材料非线性的变化，有效减少仪器非线性的干扰，实现对管道材料非线性的超声导波评估，利用非线性超声的高灵敏性可用于检测管道微观缺陷的早期检测。
[0020]以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。
【权利要求】
1.一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其特征在于包括如下步骤: 51、根据导波的模态信息:频率、相速度和群速度，设计用于激励特定导波模态的可弯曲梳状换能器，其中梳状换能器的长度等于被检测管道径向截面外侧周长，换能器相邻的趾间电极距离是激励模态波长的一半，特定导波模态波长的计算公式如下: 其中07和/分别表示需要激励的导波模态的相速度和频率； 52、将激励换能器和接收换能器缠绕包裹被检测管道试件，其中的激励换能器激励在管道中传播的单个导波模态； 53、移动接收换能器的位置，改变导波在管道中传播的距离，根据移动的距离和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群速度值，确认检测信号的有效性； 54、接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100^2000次平均后存储； 55、将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行 时-频变换，有效获得基频导波的幅度A1和双倍频二阶谐波的信号幅度A2,计算数值； 56、移动接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4-S5，计算不同位置的数值； 57、在同一个被检测管道试件中检测不少于5次不同传播距离的数值，并记下传播距离义的数值，利用以下公 式斜率表征材料非线性的变化:； 58、如果管道内部存在微观缺陷，相对于传播距离的斜率有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。
2.根据权利要求1所述的一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其特征在于:步骤S2接收换能器中相邻的趾间电极距离是激励换能器的一半，这样可以更加突出的主要接收双倍频二阶谐波信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其特征在于:在激励换能器外围缠绕一个固定装置以保证受压稳定。
4.根据权利要求1或2所述的一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其特征在于:所述信号激励和接收装置发射信号经过滤波器减少检测装置带的噪音以提高信噪比。
5.一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置，其特征在于:包括超声导波信号的激励/接收单元、阻抗器、激励换能器、接收换能器、接收前置放大器、滤波器、示波器，激励/接收单元激励一定频率的超声波信号，经过阻抗器减少噪音连接激励换能器经过耦合剂送入到被检测试件，在试件的另一端连接接收换能器检测传播的导波信号，经接收前置放大器后进行滤波送入到示波器中，在示波器中对信号进行100-2000次平均而提高信噪比、存储，将存储的信号在示波器或在其他计算机上进行进一步信号分析。
6.根据权利要求5所述的一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置，其特征在于:所述激励换能器和接收换能器均为可弯曲梳状换能器，两换能器缠绕包裹被检测管道试件，其中的接收换能器相邻的趾间电极距离是激励换能器的一半。
【文档编号】G01N29/07GK103969339SQ201410205516
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李卫彬, 秦晓旭, 胡诗诚 申请人:厦门大学