一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法与流程
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法。
背景技术：
焊接结构在生活当中应用非常广泛，尤其在工业领域中，具有着举足轻重的作用。现代工业中的大型结构件非常依赖于焊接结构，如果焊接结构的质量不过关，可能会导致严重的后果。由此可见，很有必要对具有焊接结构的大型构件进行焊缝缺陷检测。
近年来，针对于焊缝缺陷检测，发展出了一种新的检测方法，即超声导波检测法。超声导波检测技术是利用超声波原理，将激励传感器激励出的超声波入射到目标中，超声波在目标物形成的波导中不断反射和散射，使超声波沿着波导传播，然后再通过接收传感器接收传播的信号，即可检测和表征被测工件的缺陷、几何性质、组织结构和机械力学性能等。此方法弥补了传统检测方法检测效率低的不足，并且能通过一次扫描即可检测到被检工件表面和内部的缺陷。导波传播的距离远，能够检测很大的工件，而且检测的速度快、效率高，因此超声导波检测技术应用前景广阔。
虽然超声导波技术在焊缝缺陷检测领域已经展开了一定的进展，也产生了相关的传感器和检测系统，但是由于实际焊缝结构的不规则性，导致传统的导波焊缝检测传感器与焊缝之间仅为线接触，甚至是点接触，大大减小了发射能量，不利于长距离焊缝的检测。而柔性传感器可以增大与焊缝之间的接触面，增大激发能量与敏感度，并优化了检测精度。所以在本发明中，传感器采用的是近似柔性的压电陶瓷类阵列式传感器，所以要考虑每一个单位传感器的激发状态。在设计焊缝缺陷检测系统时，要考虑激励信号与阵列式传感器之间的延时与相位的分配关系，并且涉及到信号主模态的选取与旁模态的抑制等问题。
对于导波信号聚焦问题，很多学者已经取得了一些相关的进展。例如有人在多层铝板中在获得频散曲线的基础上利用普通的阵列式传感器达到了信号的聚焦，利用频率不同的激励信号对传感器阵列中的每一个单元进行激励，使多信号在多层铝板上的某一点聚焦。但此方法只适用于传感器为线性阵列时，即单排传感器布置，并非面阵传感器阵列，并不能达到阵列式传感器的作用最大化，且只适用于平整的整个板材的检测中，不适用于焊缝的缺陷检测。
另一种方法是在各项异性的复合板中，使用由布置成矩形网格状的阵列信号接收单元组成的传感器作为信号接收传感器，利用信号延时与叠加原理，使众多信号接收单元按一定的延时时间和移相角度分别接收板中信号，然后在将每一路的信号叠加成一个总的信号，达到信号聚焦的效果。但是此方法只适用于对整个板进行检测，不适用于焊缝的缺陷检测。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法，解决了只适用于整个板面检测的信号聚焦方法，和传统焊缝缺陷检测技术激励信号传输效率差、能量低，信号杂乱，模态多的问题。
一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法，包括11个步骤：(1)根据阵列式传感器的设计参数，得知传感器中压电片阵列的列间距δd；(2)计算出导波主模态下信号的传播速度υ；(3)获取激励信号的周期t；(4)计算出传感器中压电片阵列相邻列之间的激励信号的延时时间δt；(5)计算出压电片阵列中相邻列之间的激励信号的相位差
通过步骤(1)和(2)所得到的压电片阵列的列间距δd和波速υ计算出步骤(4)中的延时时间δt；利用步骤(4)中的δt和步骤(3)中的t计算出步骤(5)中压电片阵列中相邻列之间的激励信号的相位差
进一步，柔性传感器内部主要由很多微型压电片按矩形阵列排布构成，压电阵列是j行i列的矩阵面，行间距都相等，列间距亦都相等，j＝1，2，…，m，从上到下逐渐增加，m值根据压电矩阵的大小而定，i＝1，2，…，n，从左到右逐渐增大，n值根据压电矩阵的大小而定。
进一步，步骤(1)中所获得的压电片阵列的列间距δd是由传感器的设计参数决定的，用于确定压电单元相邻列之间的延时时间和移相角度；步骤(2)中所确定的导波主模态是由传感器的激励方式决定的，当传感器为直探头且压电片都以焊缝长度方向为伸缩振动方向时，能激励出sh波，当信号频率较低时，只存在sh0模态，将预知的焊缝材料的拉梅常数代入具有一定边界条件的波动方程中即可获得导波在焊缝中传播的波速υ；步骤(3)中的激励信号的周期t是已知的，而且在进行焊缝缺陷检测时，为了便于对缺陷信号进行分析，每一个周期的信号之间间距很长，这样可避免多周期之间信号的互相影响。
进一步，步骤(4)中的延时时间δt是由步骤(1)和(2)所得到的压电片间距δd和波速υ，再根据公式
进一步，步骤(8)中激励信号从第i列任意压电片到焊缝上任意一点p处的波位移的时间响应uj(rji,t)表示为下式：
上式参考超声导波传播理论所得，式中rji为j行i列各个压电单元到焊缝上任意一点的距离，由步骤(6)获得；a为压电片的激励信号幅值，每一路信号的幅值都相同；fji(ω)为激励信号的频谱。
进一步，步骤(9)所述的fji(ω)为第j行第i列压电片的激励信号频谱，在第i行的参考激励信号频谱fi(ω)的基础上，使(1.1)式等式左边为定值，当所述的rji随j值的变化而变化时，fji(ω)也随之变化，保证同列的压电信号到焊缝上的任意一点的时间响应相同。
进一步，步骤(7)所述的fi(ω)为第i列压电片的参考激励信号频谱，可由fi(ω)作逆傅里叶变换，即
获得参考激励源信号fi(t)，其中ω为信号角频率，所以第i+1列的参考激励信号为
其中
获得所述的每一个压电片的激励信号之后，即可对整个传感器内的压电片实现分别激励，每一路激励信号的相位、激励时间点和频率也都不同，使分布在焊缝上不同位置的压电单元激发出具有聚焦效果的导波信号。
进一步，当压电片阵列的列间距是激励信号的波长n倍时，n为正整数，即列与列之间的激励信号延时为激励信号的n个周期，此时不需要考虑移相的问题。第i列的激励信号在传播2n个周期之后到达第i+2列的压电片位置处，第i+1列的激励信号传播n个周期之后到达第i+2列的压电片位置处，此时第i+2列的激励信号也开始激励，所以三列的激励信号在第i+2列位置处得到叠加，即使第i列和第i+1列的激励信号传播到第i+2列时幅值已经有所衰减，但不影响信号的叠加，同样可获得一簇高能量、频散小且具有聚焦效果的导波信号。
本发明的有益效果是：
(1)对于使用柔性传感器对不同曲率表面的焊缝进行缺陷检测的系统，本发明采用的延时与移相的方法对传感器进行分别激励，能有效的激励出导波信号，提供一种有效的导波信号激励方法，提高焊缝缺陷检测系统的检测精度与效率。
(2)本发明设计的分别激励方法，可使位置不同的压电晶片产生的信号合成一个能量高、频散小、具有聚焦效果的信号，所以也可应用于类似的阵列传感器的激励系统中。
(3)本发明设计的分别激励方法，可采集不同接收点的多组数据，利用上位机的多通道数据处理分析软件进行分析和对比，可提高缺陷检测精度。
(4)本发明设计的分别激励方法是在已知激励信号的幅值与频率等基本参数和焊缝材料参数的基础上实现的，所以无论激励信号和焊缝怎么更换，只要基本参数已知，即可使用此方法进行激励。
附图说明
图1为一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法示意图；
图2为本发明所提及的柔性传感器结构图；
图3为柔性传感器置于焊缝上进行信号激励的工作示意图；
其中δd为柔性传感器中压电阵列的列间距；r33为第3行第3列的压电单元到焊缝上任意一点的距离。
图4为柔性传感器置于焊缝上进行信号激励时的工作示意侧视图；
其中1代表柔性传感器中压电阵列的第1列；2代表第2列；3代表第3列。
图5为图3中每一列的压电片同时激励且无任何移相操作的激励信号示意图；
其中1为第1列压电片的位置；2为第2列压电片的位置；3为第3列压电片的位置；4为第1列压电片的激励信号；5为第2列压电片的激励信号；6为第3列压电片的激励信号；7为三个位置的激励信号在第3列处叠加形成的总激励信号；8为压电阵列的列间距。
图6为图3中每一列的压电片分别激励的激励信号示意图；
其中1为第1列压电片的位置；2为第2列压电片的位置；3为第3列压电片的位置；4为第1列压电片的激励信号；5为第2列压电片的激励信号；6为第3列压电片的激励信号；7为三个位置的激励信号在第3列处叠加形成的总激励信号；8为压电阵列的列间距。
图7为图3中每一列的压电片按激励信号波长的整数倍排列时分别激励的激励信号示意图；
其中1为第1列压电片的位置；2为第2列压电片的位置；3为第3列压电片的位置；4为第1列压电片的激励信号；4’为第1列压电片的激励信号经过一个传播周期后到达第2列压电片位置时的激励信号；4”为第1列压电片的激励信号经过两个传播周期后到达第3列压电片位置时的激励信号；5为第2列压电片的激励信号；5’为第2列压电片的激励信号经过一个传播周期后到达第3列压电片位置时的激励信号；6为第3列压电片的激励信号；7为三个位置的激励信号在第3列处叠加形成的总激励信号；8为压电阵列的列间距；9为第1列压电片的激励信号最大幅值点；9’为第1列压电片的激励信号经过一个传播周期后到达第2列压电片位置时的激励信号最大幅值点；9”为第1列压电片的激励信号经过两个传播周期后到达第3列压电片位置时的激励信号最大幅值点；10为第2列压电片的激励信号最大幅值点；10’为第2列压电片的激励信号经过一个传播周期后到达第3列压电片位置时的激励信号最大幅值点。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法，包括11个步骤：(1)根据阵列式传感器的设计参数，得知传感器中压电片阵列的列间距δd；(2)计算出导波主模态下信号的传播速度υ；(3)获取激励信号的周期t；(4)计算出传感器中压电片阵列相邻列之间的激励信号的延时时间δt；(5)计算出压电片阵列中相邻列之间的激励信号的相位差
通过步骤(1)和(2)所得到的压电片阵列的列间距δd和波速υ计算出步骤(4)中的延时时间δt；利用步骤(4)中的δt和步骤(3)中的t计算出步骤(5)中压电片阵列中相邻列之间的激励信号的相位差
如图2所示，柔性传感器内部主要由很多微型压电片按矩形阵列排布构成，压电阵列是j行i列的矩阵面，行间距都相等，列间距亦都相等，j＝1，2，…，m，从上到下逐渐增加，m值根据压电矩阵的大小而定，此时m值为5，i＝1，2，…，n，从左到右逐渐增大，n值根据压电矩阵的大小而定，此时n值为4。
如图3所示，步骤(1)中所获得的压电片阵列的列间距δd是由传感器的设计参数决定的，用于确定压电单元相邻列之间的延时时间和移相角度。
步骤(2)中所确定的导波主模态是由传感器的激励方式决定的，当传感器为直探头且压电片都以焊缝长度方向为伸缩振动方向时，能激励出sh波，当信号频率较低时，只存在sh0模态，将预知的焊缝材料的拉梅常数代入具有一定边界条件的波动方程中即可获得导波在焊缝中传播的波速υ；步骤(3)中的激励信号的周期t是已知的，而且在进行焊缝缺陷检测时，为了便于对缺陷信号进行分析，每一个周期的信号之间间距很长，这样可避免多周期之间信号的互相影响。
步骤(4)中的延时时间δt是由步骤(1)和(2)所得到的压电片间距δd和波速υ，再根据公式
步骤(8)中激励信号从第i列任意压电片到焊缝上任意一点p处的波位移的时间响应uj(rji,t)表示为下式：
上式参考超声导波传播理论所得，式中rji为j行i列各个压电单元到焊缝上任意一点的距离，由步骤(6)获得；a为压电片的激励信号幅值，每一路信号的幅值都相同；fji(ω)为激励信号的频谱。
步骤(9)所述的fji(ω)为第j行第i列压电片的激励信号频谱，在第i行的参考激励信号频谱fi(ω)的基础上，使(1.1)式等式左边为定值，当所述的rji随j值的变化而变化时，fji(ω)也随之变化，保证同列的压电信号到焊缝上的任意一点的时间响应相同。
步骤(7)所述的fi(ω)为第i列压电片的参考激励信号频谱，可由fi(ω)作逆傅里叶变换，即
获得参考激励源信号fi(t)，其中ω为信号角频率，所以第i+1列的参考激励信号为
其中
如图4所示，当是考虑每一的激励信号的影响时，如果对三列压电片进行同时激励，且不对激励信号做任何改变时，则信号激励情况如图5所示，三列压电片的激励信号同时激励时，在第3列处得到一个杂乱的叠加信号。此信号不方便直接用于对缺陷信号进行分析。
当考虑对每一列的激励信号进行一定的延时与移相操作之后，再对传感器进行激励，则可获得如图6所示的信号聚焦效果，在第3列压电片位置处获得具有时域上无混乱的叠加信号，即使不是完全周期的叠加，但由于延时与移相的值在实际中很微小，所以可近似信号是整周期叠加的聚焦效果。
当压电片阵列的列间距是激励信号的波长整数倍时，可获得如图7所示的叠加信号，第1列的激励信号在传播两个周期之后到达第3列的压电片位置处，第2列的激励信号传播一个周期之后到达第3列的压电片位置处，此时第3列的激励信号也开始激励，所以三列的激励信号在第3列位置处得到叠加，即使第1列和第2列的激励信号传播到第3列时幅值已经有所衰减，但不影响信号的叠加，同样可获得一簇高能量、频散小且具有聚焦效果的导波信号。
综上，本发明的一种基于焊缝特征导波柔性传感器的信号聚焦方法。为了使柔性传感器激发出的信号具有聚焦的效果，在焊缝材料已知的情况下，确定超声导波在焊缝中的传播速度、传感器中压电的行间距和每一列中压电单元到焊缝上任意一点的距离，计算出压电阵列列于列之间的激励信号的延时时间与移相角度，在此基础上，测量每一个压电单元的波位移时间响应。设计传感器中每一个压电单元的激励信号，使传感器中每一片压电单元产生的信号在焊缝上的任意一点处的波位移时间响应相同，即多信号在某一点聚焦，形成一簇能量高、频散小的聚焦信号。为基于焊缝特征导波柔性阵列式传感器的焊缝缺陷检测系统，提供一个有效的激励方式，提高焊缝缺陷检测的精度与稳定性。此方法为焊缝探伤领域贡献智慧。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围。
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