用于板状结构检测的真时延无频散SH0波相控阵系统的制作方法

本发明专利涉及一种用于板状结构检测的真时延无频散sh0波相控阵系统。

背景技术：

普通超声检测是单一探头的结构损伤检测方法，得到的是一维信号，在单次测量中不能够直观地成像，而多探头组成的相控阵检测方法可对结构损伤进行检测和成像。超声相控阵损伤检测起源于军事中的相控阵雷达，二者都是基于惠更斯原理实现的：一个发射和接收超声波波束用于损伤检测，一个使用电磁波用于目标追踪。超声相控阵的探头是由一组彼此独立的压电传感器(pzt)单元所组成，每一个单元都能独立地发射和接收超声波，通过各自不同时间延迟的激励信号造成彼此之间发射超声波相位差异，从而使各阵元所发射的波在介质中叠加形成具有方向性聚焦的波阵面和波束用于检测。而在方向性波束遇到损伤之后，其反射回来的波动信号能够被相控阵探头接收到，按照对应的聚焦法则进行延迟处理和叠加，实现相控阵成像。与传统的超声损伤检测技术相比，超声相控阵探头能产生灵活偏转聚焦的波束，实现对被测结构或构件的扫描，检测范围广，检测速度快，可以检测难以接近、常规超声无法检测的区域，实现对复杂结构和构件及盲区位置缺陷的检测。通过对局部晶片单元激励信号的控制，可以实现常规超声无法实现的高速、全方位、多角度的动态聚焦扫描。

相控阵探头线性阵列主要参数如图1所示。其中，n为线性阵列晶片个数，w为单个压电片阵元宽度，l为单个压电片阵元长度，e是阵元间的间距空隙，a为阵元与阵元间中心距，a＝w+e，整个阵列总长度为d＝(n-1)d+w，也称为超声相控阵线性阵列的阵元孔径。

传统超声波相控阵在对板状结构的检测中存在检测范围小，衰减大，效率低下，难以直观将板中损伤成像等问题。而板中导波不同于普通超声波，由于受到板上下边界的限制，板中导波能够传播更远距离而没有明显的信号衰减，十分适合进行长距离复杂结构损伤检测。然而板中lamb波是频散的，其波速随着试件厚度及信号频率的变换而变化，模态比普通超声波复杂且各种模态耦合,如图2所示。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明提出一种用于板状结构检测的真时延无频散sh0波相控阵系统，能够更准确地识别板中损伤位置和形状，同时扩大了损伤检测的范围。

本发明所采用的技术如下：一种用于板状结构检测的真时延无频散sh0波相控阵系统，包括：控制器，多通道数/模转换器，多晶片sh波相控阵探头，多通道继电器，多通道模/数转换采集卡，成像显示器,

控制器电信号连接多通道数/模转换器，多通道数/模转换器通过多通道继电器电信号连接多晶片sh波相控阵探头；

多晶片sh波相控阵探头通过多通道继电器电信号连接多通道模/数转换采集卡，多通道模/数转换采集卡电信号连接控制器，控制器电信号连接成像显示器；

多通道数/模转换器将不同通道的发射信号转换成模拟电压信号以便驱动多晶片单模态sh0波相控阵探头；多晶片sh0波相控阵探头通过逆压电效应将电压信号转换成波动信号在结构中激发出来，同时在接收阶段根据正压电效应将损伤反射回来的波动信号转换成电信号；多通道模/数转换采集卡将不同通道的损伤反射回波的模拟电信号转化成控制器数字信号；多通道继电器在发射阶段将多通道数/模转换器的发射信号连接在多晶片sh0波相控阵探头上，并在发射阶段结束后，将多晶片sh0波相控阵探头连接到多通道模/数转换采集卡上，用于采集损伤回波信号；其中所述的多晶片单模态sh0波相控阵探头包括按一定间隔排成一列的多个d36型压电片；

控制器对被测试件的参数进行设置并计算不同时间延迟的发射信号，多晶片sh0波相控阵探头包括多个压电传感器单元，按从上至下按一定间隔的顺序排成一列，并通过不同时间延迟的3周期汉宁窗调幅的窄带脉冲激励信号一次检测中同时进行激发，分别发出各自的sh0波，不同sh0波的波阵面叠加在一起，通过调整不同压电传感器单元间的时间延迟，其激发的超声波会在介质中叠加形成新的波阵面，并聚焦在预设的焦点p处，并放大sh0波这无频中单一模态信号的幅值，从而实现物理场中单模态sh0波束偏转、聚焦、扫描的功能；遇到损伤反射回波后，所有压电传感器单元同时在接收到信号，通过控制器对其进行重构确定损伤位置、计算后成像，通过调整不同激励信号的时间延迟实现板状结构全区域的单模态sh0波定向定点扫描，从而实现损伤检测的目的。

本发明还具有如下技术特征：

1、本系统的检测范围为，根据d36型压电片产生的无频散sh0波的声压、角度关系计算得到单个d36型压电片的-6db夹角θ0＝30°，其中，amax代表的是单个d36晶片产生的最大声压幅值，代表最大声压一半时的幅值；

多个d36型压电片从上至下按依次排列成阵列之后，能够满足所有的多个d36型压电片的-6db准则的区域为有效检测区域，则有效区域是单个振元区域的叠加，有效检测区域呈现三角形向外扩张，其顶端最近点距离晶片阵列中心线的距离为h，聚焦角度为β＝2θ0，根据几何关系得到：

2、真时延无频散sh0波相控阵探头聚焦方法为：

真时延无频散sh0波相控阵中心频率为40khz，以3个周期汉宁窗窄带脉冲信号激发无频散sh0波进行板状结构的损伤检测，其中，各个单元的激励信号为v(t-δn),基准电压激励信号h(t)为赫维赛德阶跃函数，当t≥0时h(t)＝1；当t<0时h(t)＝0，np＝3，fc＝40khz；无频散sh0波的群速度csh，0(t-δn)＝[h(t)]是各个压电片单元初始信号，p(t)是焦点p处的波场强度信号：

an(γn)＝cos(2γ),γn＝arccos(f·cos(θf)/rn)(5)

其中，代表聚焦点与每个d36型压电片距离，聚焦点位置相对于每个d36型压电片的偏离角度γn＝arccos(f·cosθf/rn)，阵列间d36型压电片激励信号延时为δn，a是两个相控阵单元中心的距离，f是焦距，θf是焦点的偏移角度，an(γn)代表着在该聚焦点方向上阵列中不同d36型压电片激发的初始声压强度，为声压衰减系数，t0为一个足够大的常数以保证时间延迟不为负数。

3、真时延无频散sh0波相控阵成像方法为：

设在角度为θd，距离rd的点d处有一个损伤，相控阵聚焦的焦点在p处，不同d36型压电片发出的波在点d处叠加结果sd(t)如下公式所示，其中dn为第n个d36型压电片到损伤位置d的距离，其大小由几何关系计算：

反射回波传播回相控阵第m个d36型压电片的波信号为：

第m个d36型压电片在接收到回波信号后，将波动信号sr(t)转化为vr(t)，进而通过如下公式将各个信号根据时间延迟组装，从而确定损伤的位置和程度；

当聚焦点位置同缺陷位置重合时，聚焦角度θf＝θd，且焦距f＝rd，损伤处产生很强的无频散sh0波反射回波，组装信号vr(t)的幅值会取到极大值。

本发明具有如下有益效果及优点：在对钢箱梁桥面板、压力容器、管道损伤、飞机蒙皮，复合材料结构等板状结构的损伤检测中，检测范围广、损伤敏感度高、成像直观、检测效率高。本发明专利通过真正时间延迟方法实现了物理声场聚焦的无频散sh0波相控阵技术，不同于单一激发的后期数学虚拟聚焦方法，本发明能够在结构中真正激发出方向性的无频散sh0波波束，并灵活实现扫描、偏转和聚焦等真实效果。该技术能够明显地增强信号的信噪比，通过无频散sh0波束的偏转和聚焦提升损伤检测的空间分辨率，提高了检测精度。产生方向性聚焦的无频散sh0波束，并通过反射回来无频散sh0波信号的强弱对损伤的位置和大小进行判定。

附图说明

图1是线性阵列的几何参数图；

图2是sh波与lamb波群速度与频厚积的频散曲线图；

图3是真时延无频散sh0波超声相控阵检测过程及硬件连接示意图；

图4是d36压电片的极化方向、切割方向和变形示意图；

图5是单个d36压电传感器单元产生波场情况；

图6是单个d36压电传感器单元产生不同模态波的幅值；

图7是真时延无频散sh0波相控阵系统的检测区域示意图；

图8是真时延无频散sh0波相控阵系统检测区域的几何特征；

图9是真时延无频散sh0波相控阵激励信号、合成波阵面和聚焦点示意图；

图10是真时延无频散sh0波超声相控阵聚焦和反射回波示意图；

图11是真时延无频散sh0波控阵模拟波场示意图，聚焦点100mm,0°；

图12是真时延无频散sh0波相控阵模拟波场示意图，聚焦点100mm,15°；

图13是真时延无频散sh0波相控阵系统搭建及实验示意图；

图14是无损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,0°；

图15是无损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,15°；

图16是无损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,30°；

图17是有损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,0°；

图18是有损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,15°；

图19是有损情况下，真时延无频散sh0波相控阵波场ldv实际检测结果图，聚焦点100mm,30°；

图20是损伤情况下，被检测区域损伤的位置图；

图21是损伤情况下，真时延无频散sh0波相控阵接收到的信号和原有的基准信号图；

图22是损伤情况下，有、无损伤情况下的差信号图；

图23是损伤情况下，真时延无频散sh0波相控阵的损伤检测结果图；

具体实施方式

下面根据说明附图举例对本发明做进一步说明:

实施例1

一种用于板状结构的损伤检测的真时延无频散sh0波相控阵系统，如图3所示，包括：控制器1，多通道数/模转换器2，多晶片sh波相控阵探头3，多通道继电器4，多通道模/数转换采集卡5，成像显示器6,

控制器1电信号连接多通道数/模转换器2，多通道数/模转换器2通过多通道继电器4电信号连接多晶片sh波相控阵探头3；

多晶片sh波相控阵探头3通过多通道继电器4电信号连接多通道模/数转换采集卡5，多通道模/数转换采集卡5电信号连接控制器1，控制器1电信号连接成像显示器6。

多通道数/模转换器将不同通道的发射信号转换成模拟电压信号以便驱动多晶片单模态sh0波相控阵探头；多晶片sh0波相控阵探头通过逆压电效应将电压信号转换成波动信号在结构中激发出来，同时在接收阶段根据正压电效应将损伤反射回来的波动信号转换成电信号；多通道模/数转换采集卡将不同通道的损伤反射回波的模拟电信号转化成控制器数字信号；多通道继电器在发射阶段将多通道数/模转换器的发射信号连接在多晶片sh0波相控阵探头上，并在发射阶段结束后，将多晶片sh0波相控阵探头连接到多通道模/数转换采集卡上，用于采集损伤回波信号；其中所述的多晶片单模态sh0波相控阵探头包括按一定间隔排成一列的多个d36型压电片。

控制器对被测试件的参数进行设置并计算不同时间延迟的发射信号，多晶片sh0波相控阵探头包括多个压电传感器单元，按从上至下按一定间隔的顺序排成一列，并通过不同时间延迟的3周期汉宁窗调幅的窄带脉冲激励信号一次检测中同时进行激发，分别发出各自的sh0波，根据惠更斯原理，不同sh0波的波阵面叠加在一起，通过调整不同压电传感器单元间的时间延迟，其激发的超声波会在介质中叠加形成新的波阵面，并聚焦在预设的焦点p处，并放大sh0波这无频中单一模态信号的幅值，从而实现物理场中单模态sh0波束偏转、聚焦、扫描的功能；遇到损伤反射回波后，所有压电传感器单元同时在接收到信号，通过控制器对其进行重构确定损伤位置、计算后成像。通过调整不同激励信号的时间延迟实现板状结构全区域的单模态sh0波定向定点扫描，从而实现损伤检测的目的。

1、其中，产生sh0波的压电晶片特征为：

新型的d36压电片材料并不是普通的d31型锆钛酸铅(pbzr(ti)o3,pzt)而是pmn-pt(pb(mg1/3nb2/3)o3–pbtio3)，而且为了实现该压电片的特殊性能，需在[011]方向极化，并在(011)平面切割。在其受到电压激励时，产生的变形为沿着对角线进行拉伸和收缩，从而在x方向和y方向产生剪切变形，激发出sh0波。普通d31压电片和新型d36压电片极化方向、切割方向、电压激励下变形情况如图4所示。

将普通的d31压电片，d36型压电片晶体生长方向定为z轴。普通d31压电片的切割方向为(001)平面切割，电压激励下其变形为沿着x轴和y轴伸展和收缩。然而d36压电片极化方向[011]，切割方向为(011)平面，而其投影可以看到在原有xoy平面上为菱形，如图4所示。因此压电晶体伸展和收缩方向为原有的x轴和y轴，对应于自身压电片的两个对角线方向产生伸展和收缩。而对于已经加工的d36压电片来说，在其局部坐标系下1轴和2轴上产生的是一对剪切变形，从而在结构中产生平面内的剪切波。

本文中d36压电片的压电方程和d36压电片压电系数矩阵为：

其中，sij为应变张量，vj为电位移矢量，tkl为应力张量，ek为电场强度，为压电弹性顺服系数，djkl为压电常数，为自由介电常数。其中，d36项由0变为非零，并且远大于d31和d32，因此可以在产生lamb波的同时产生无频散的sh0波。

采用gpu上运行的lisa对单个d36压电片的波场进行数值模拟。板的尺寸为500mm×500mm×1.6mm，波场模拟结果如图5所示，从图中可以看出，该新型d36压电片在板中的0°和90°附近会产生垂直传播方向的水平剪切波(sh0波)，在45°方向上主要产生lamb波。而且其产生的波场呈现中心对称的特性，即三个方向位移为：u(x,y)＝-u(-x,-y)，v(x,y)＝-v(-x,-y)，w(x,y)＝w(-x,-y)。

由模拟结果得到，单个d36压电片在电压激励后，其各个方向上的sh0波，lamb波s0分量和a0分量的幅值如图6所示。各个方向波的幅值各不相同，呈现四叶草的形状，其中无频散sh0波为同时满足对称和反对称性质，而lamb波则是中心对称的，如果在第一象限产生了压缩波则第三象限也会产生压缩波，同时第二和第四象限产生拉伸波。而且由于原压电系数矩阵d[011]中d32项远大于d31项(见式(2))，因此第一象限和第三象限s0和a0波的幅值要大于第二象限和第四象限的幅值。

2、真时延无频散sh0波相控阵的检测范围为：

为了使超声相控阵能够更好地检测损伤，需要加强主瓣，消除或减少栅瓣的产生，避免影响主瓣的探伤，同时确定有效检测区域。有效检测区域的划定一般遵循-6db准则，即要求检测区域内，每个阵元产生的声压幅值大于其声压最大值的50％，满足此条件的区域称为超声相控阵晶元阵列的有效检测区域。不同于单模态lamb波相控阵有两个等同的焦点，无频散sh0波相控阵由于压电片产生波场的中心对称性，多个压电片组合成线性对称的相控阵之后，会有两个聚焦效果不相同的焦点。如图7所示，焦点f是由于线性相控阵的对称性并受到lamb干扰较小，而f’则是因为在第一象限，其聚焦情况受到lamb波的干扰较大，因此两个焦点的损伤检测效果并不完全相同。因此需要选取合适激励信号的频率，减小lamb波的干扰，实现较好地检测效果。

根据d36型压电片产生的无频散sh0波的声压-角度关系可以计算得到单个d36型压电片的-6db夹角θ0＝30°。其中，amax代表的是单个d36晶片产生的最大声压幅值，代表最大声压一半时的幅值。

在d36型压电片排列成阵列之后，能够满足所有的d36型压电片的-6db准则的区域为有效检测区域，则有效区域是单个振元区域的叠加，如图7所示。有效检测区域呈现三角形向外扩张，其顶端最近点距离阵列中心线的距离为h，聚焦角度为β＝2θ0，如图8所示，根据几何关系可知：

3、真时延无频散sh0波相控阵探头聚焦方法为：

真时延无频散sh0波相控阵中心频率为40khz，以3个周期汉宁窗窄带脉冲信号激发无频散sh0波进行板状结构的损伤检测，如图9所示。其中，各个d36型压电片的激励信号为v(t-δn),基准电压激励信号v(t)＝[h(t)-h(t-npfc1-cos2πfctnpsin2πfcy，ht为赫维赛德阶跃函数(heavisidefunction)，当t≥0时h(t)＝1；当t<0时h(t)＝0，np＝3，fc＝40khz。无频散sh0波的群速度csh，s0(t-δn)＝v[h(t)]是各个d36型压电片初始信号，sp(t)是焦点p处的波场强度信号：

an(γn)＝cos(2γ),γn＝arccos(f·cos(θf)/rn)(16)

其中，代表聚焦点与每个晶片距离，聚焦点位置相对于每个晶片的偏离角度γn＝arccos(f·cosθf/rn)，阵列间激励信号延时为δn，a是两个d36型压电片中心的距离，f是焦距，θf是焦点的偏移角度，an(γn)代表着在该聚焦点方向上阵列中不同d36型压电片激发的初始声压强度，为声压衰减系数，t0为一个足够大的常数以便保证时间延迟不为负数。

4、真时延无频散sh0波相控阵成像方法为：

设在角度为θd，距离rd的点d处有一个损伤，相控阵聚焦的焦点在p处，不同d36型压电片发出的波在点d处叠加结果sd(t)为公式(4)所示，其中dn为第n个d36型压电片到损伤位置d的距离，其大小由几何关系计算：

反射回波传播回相控阵第m个d36型压电片的波信号为：

第m个d36型压电片在接收到回波信号后，将波动信号sr(t)转化为vr(t)，进而通过重构算法式(11)将各个信号根据时间延迟组装，从而确定损伤的位置和程度。

当聚焦点位置同缺陷位置重合时，聚焦角度θf＝θd，且焦距f＝rd，损伤处产生很强的无频散sh0波反射回波，组装信号vr(t)的幅值会取到极大值。

实施例2

采用gpu上运行的lisa数值模拟，模型为尺寸800mm×500mm×1.6mm的铝板，杨氏模量是71.0gpa，泊松比ν为0.33，密度2700kg/m³。16个尺寸为7×7×0.5mm的d36型压电片每个间隔为1mm组成位于中心的相控阵系统。激励信号为16个具有不同时间延迟的汉宁窗调制3周期窄带信号(tone-burstsignal)。

16个压电片的时间延迟分别按照实施例1的延迟公式计算，使其聚焦在100mm，0°处，因为无频散sh0波是平面内的波，因此在图11中仅显示了平面内的x方向和y方向的位移分量图。从图中可以看出，该真时延无频散sh0波相控阵在y向位移非常强，证明无频散sh0波形成了很强的聚焦波束，起到了增强无频散sh0波检测的目的。另外，需要注意的是，在产生了无频散sh0波的同时d36型相控阵确实也同时产生了频散的lamb波，其中s0波和a0波成分也标识在图11中。作为干扰波，频散的lamb波在第一象限和第三象限具有很强的幅值，因此需要选择第二象限进行损伤检测，或者选择合适激励信号将其与无频散sh0波拆分开，防止波形混叠影响损伤检测效果。

类似的，将时间延迟进行调整，则sh波相控阵聚焦在100mm，15°的f处，如图12所示。正如前文中所述，由于时间延迟的对称性和sh波的对称性，d36相控阵能够同时在在第一象限和第二象限形成两个焦点。但是由于d36压电片自身的方向性和中心对称性质，其第一象限的焦点会受到频散的lamb波的干扰，而第二象限焦点则由于频散的lamb波幅值较小而受到干扰很小，能够得到更好的损伤检测结果。

实施例2

对sh波超声相控阵损伤检测系统进行试验研究，采用美国国家仪器ni公司的数据采集系统和labview软件系统平台进行搭建，并采用激光测振仪进行损伤检测。

同真时延单模态lamb波相控阵类似，在同样大小914.4mm×914.4mm×1.6mm的铝板上粘贴d36压电片相控阵，铝板悬挂在天花板上以隔绝振动和噪声的影响，并在被检测区域上粘贴反射贴纸用以增强激光反射信号，提高信噪比。其中需要注意的是，由于d36型压电片本身具有方向性，因此需要根据其出厂时候的标记点进行严格排列，间距为1mm组成相控阵，使之产生同方向的无频散sh0波。试验中d36压电片尺寸同普通pzt尺寸相同，都为7mm×7mm×0.5mm，如图13所示。同样在板中心位置正反两面粘贴用于激发方向性无频散sh0波束的主动相控阵和用于接收信号的被动相控阵。为了防止无频散sh0波和频散的a0波包的混叠现象，更好地区分不同波包，将窄带脉冲信号的中心频率调整为40khz，输出通道和输入通道的采样频率是1mhz。

(1)无损伤情况下的试验结果

在无损伤的情况下，对真时延无频散sh0波主动相控阵产生波场进行研究，由于psd-400激光测振仪只能测量1维z方向的振动情况，而无频散sh0波振动是面内运动，因此不能直接通过ldv激光测振仪得到聚焦情况，只能通过检测真时延无频散sh0波主动相控阵激发出来的lamb波旁瓣进行推算。

当预设聚焦点为100mm，0°时，sh波相控阵产生波场的z向振动由激光测振仪ldv的测量结果如图14所示。其中根据ldv测量的z向位移场可以发现，lamb波的旁瓣呈现以水平线上下对称的形态，从而证明了聚焦点确实在0°方向。当真时延无频散sh0波相控阵预设焦点为100mm，15°时，可以发现lamb波的旁瓣产生了明显地旋转，其证明无频散sh0波聚焦的方向产生了向上的偏转，从对称性估算主瓣聚焦应为15°，如图15所示。在焦点为100mm，30°时，如图16所示，lamb波旁瓣旋转角度进一步加大，表明无频散sh0波主瓣聚焦点进一步向上偏移。同时可以看出，受到该新型d36压电片的d31项不为0的影响，聚焦方向上存在频散的a0波的影响，然而由于波速不同，其不会对无频散sh0波的检测产生显著影响。

(2)损伤情况下的试验结果

此外，还对真时延无频散sh0波相控阵损伤检测系统在有损伤情况下的波场进行研究，将两个尺寸为12.7mm×12.7mm永磁铁粘贴在100mm，0°处，用于模拟损伤情况。通过ldv激光测振仪进行z向的波场测量，其中不同聚焦点在有损伤情况下的波场变化如图17、图18和图19所示。可以看到损伤能够明显地影响波场形态，真时延无频散sh0波相控阵系统对损伤很敏感。其发出的无频散sh0波和频散的lamb波在遇到损伤后都会形成明显漫反射回波被相控阵单元接收到，识别损伤的位置和尺寸。

实施例3

除了激光测振仪的z方向的波场测量结果，控制真时延无频散sh0波相控阵检测系统的时间延迟序列，令聚焦点从50mm以25mm为步长递增到250mm，聚焦角度从-90°以15°为步长增加到90°，扫描整个待检测区域，使用被动相控阵系统接收信号并确定损伤位置。损伤情况为图20所示。永磁铁的尺寸为38.1mm×12.7mm粘贴在铝板的150mm，0°处，用于模拟损伤，激励信号中心频率40khz，信号采样频率1mhz。

在健康状况下和有损伤状况下分别将无频散sh0波被动相控阵接收信号存储分析。传感器接收到的信号如图21所示，损伤信号和健康基准信号的差信号如图22所示。其中由损伤散射无频散sh0波回波的差信号可以被清晰识别出来用于损伤重构，损伤检测结果如图23所示，可以看到损伤识别结果与实际粘贴的磁铁位置和形状都吻合很好，表明本文提出的真时延无频散sh0波相控阵检测系统具有很好的损伤检测能力。