一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法与流程

本发明涉及一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法。
背景技术：
：空气耦合超声检测是一种无损检测/评估技术的重要组成部分,并已成功地用于检测材料缺陷,测量材料非线性参数,并评估材料损伤属性。当流体耦合装置可能对材料产生损伤时，采用空耦非接触式方法比水浸法更合适；且归功于其快速扫描能力，空耦非接触法比接触法更利于成像测试。空气耦合超声应用的限制因素主要是声波在空气中的高度衰减和压电材料与负载介质之间的声阻抗失配过大。近年来的研究主要集中在提高空气耦合超声测试系统的信噪比，通过制作聚焦波束换能器提高检测分辨率，以及通过引入匹配层提高声能量转换效率等方面。这些都有利于空气耦合超声技术的推广应用。空气耦合换能器是空气耦合超声检测系统中的重要设备，包括常见的压电陶瓷，电容薄膜和聚偏氟乙烯等，都可用于制造空气耦合换能器。与其他材料相比，压电陶瓷具有良好的机械/声转换能力，易于制作，在高频下具有较高信噪比等优点。因此，由压电陶瓷制成的空气耦合压电换能器在兆赫频率范围内占有相当一定的比例，故常用空气耦合换能器作为超声探头来使用。其中换能器的灵敏度定义为输出声能与输入电能的比值，是描述该类空气耦合换能器电声能量转换效率和频带特性的重要参数。换能器灵敏度的测定是评价同类型换能器性能一致性、表征超声测量系统检测能力、定量评价超声系统检测结果的必要步骤。通常可采用多种方法确定压电陶瓷超声换能器的灵敏度。由于自互易法仅需要用电测量，并且易于应用，因此已被广泛用于确定水浸式和接触式换能器的灵敏度。然而，它不能直接用于校准空气耦合换能器。由于用单一的空气耦合换能器很难测量脉冲回波信号，因此自互易法无法确定这种换能器的灵敏度。典型的基于往复式的方法需要三个换能器，通过使用不同的换能器对三个独立的间距捕获测量来对某单一换能器进行表征。空气耦合换能器的灵敏度基本可以通过这种方法来确定，但是由于空气耦合换能器和放大器在接收端口的结合将导致阻抗失配问题，并在绝对灵敏度测量中引入误差。虽然可以用其他专门的设备来测量换能器表面的振动特性或换能器产生的波场，从而表征换能器的灵敏度。例如可以使用激光干涉仪来测量接触式换能器所辐射声场中的粒子振动位移，或使用校准的水听器来测量浸入式换能器产生的水中的声压，然后根据这些位移或声压来计算灵敏度。然而，由于换能器灵敏度的测量高度依赖于这些校准，上述方法所用到的这些昂贵设备必须事先提前校准。技术实现要素：为了解决目前空气中波传播的衰减及活性压电陶瓷材料与负载介质之间的声阻抗失配较大，导致空气耦合压电换能器校准较为困难的技术问题，本发明提供一种准确简便的测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法。为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，包括灵敏度测量装置，所述的灵敏度测量装置包括信号发生装置、接触式换能器、固体试样、空气耦合换能装置和接收器，所述的接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样，并由所述的信号发生装置驱动产生声波，所述的空气耦合换能装置设置于固体试样的相对另一侧且与固体试样之间留有间隙，并接收由固体试样经过空气传来的声波，接收器接收空气耦合换能装置采集的声波信号数据并处理。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的灵敏度测量装置为相对灵敏度测量装置，其中所述的信号发生装置为脉冲发生/接收器，所述的脉冲发生/接收器产生宽频带脉冲信号并发送至所述的接触式换能器，接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样；所述的空气耦合换能装置包括空气耦合换能器、电流探针和放大器，所述的空气耦合换能器设置于固体试样的相对另一侧且与固体试样之间留有间隙，空气耦合换能器的输出端依次经电流探针和放大器连接至接收器。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的相对灵敏度测量装置还包括单独设置的用于预先测定接触式换能器灵敏度的预测定灵敏度测量装置，所述的预测定灵敏度测量装置包括接触式换能器、信号发生装置、固体试样、电流探针和接收器，所述的信号发生装置为脉冲发生/接收器，所述的脉冲发生/接收器产生信号，并经电流探针发送至接触式换能器，所述的接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样，同时接收反射的声波信号，由电流探针传输至接收器并处理。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的灵敏度测量装置为绝对灵敏度测量装置，其中所述的信号发生装置包括函数发生器和电压/电流放大器，所述的函数发生器产生短促音信号，并经电压/电流放大器传输至接触式换能器，接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样；所述的空气耦合换能装置包括空气耦合换能器、电流探针和放大器，所述的空气耦合换能器设置于固体试样的相对另一侧且与固体试样之间留有间隙，空气耦合换能器的输出端依次经电流探针和放大器连接至接收器。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的绝对灵敏度测量装置还包括单独设置的用于预先测定接触式换能器质点位移幅值的位移幅值测量装置，所述的位移幅值测量装置包括待测接触式换能器、信号发生装置、固体试样、校准接触式换能器、电流探针、放大器和接收器，所述的信号发生装置包括函数发生器和电压/电流放大器，所述的函数发生器产生信号，并经电压/电流放大器传输至校准接触式换能器，校准接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样；所述的待测接触式换能器设置于固体试样的相对另一侧且直接接触固体试样，待测接触式换能器的输出端依次经电流探针和放大器连接至接收器。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的接收器为示波器，所述的示波器通过同步线连接至信号发生装置。一种测量空气耦合超声探头灵敏度的方法，采用所述的装置，包括以下步骤：测量空气耦合换能器的相对灵敏度，接触式换能器由脉冲信号激发，将声波发射到固体试块中，声波通过固体—空气界面传输到空气中，并被位于试块另一侧的空气耦合换能器接收，空气耦合换能器所接收的是时域信号，再通过快速傅里叶变换在频域中计算频率相关灵敏度svi(ω)：其中，vt(ω)为换能器输出粒子的速度，iin(ω)为换能器输入端电流，ω表示频率；则换能器输出电流为：其中参数的上标a代表该参数是作为发射端的接触换能器相应的参数，上标b代表该参数是作为接收端的空气换能器相应的参数，zl(ω)为外接端电阻值，zt(ω)为辐射阻抗，是考虑波从发射端到接收端受位移透射系数t12、衰减m和衍射d影响下的声学传递函数，表示为：其中m(z1,z2,α1,α2,ω)＝exp[-α1(ω)z1-α2(ω)z2]其中参数的下标1代表该参数是固体中相应的系数，下标2代表该参数是空气中相应的系数，z表示波的传播距离，ρ和c为密度和声速，α表示频率相关的衰减系数，dr＝k(aa)2/2是带有波数的瑞利距离，其中波数k＝ω/c1，a是换能器的半径，am，bm,al和bl表示相应的高斯系数。所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的方法，在进行空气耦合换能器的相对灵敏度测试之前，先采用所述的的装置，基于自互易法确定用于发射声波的接触式换能器的灵敏度，包括以下步骤：接触式换能器输出信号为：则接触式换能器的灵敏度为：当对输入和输出电流信号进行测量时，计算出声学传递函数确定发射机的灵敏度，从而得到空气耦合换能器的灵敏度为一种测量空气耦合超声探头灵敏度的方法，采用所述的的装置，包括以下步骤：测量空气耦合换能器的绝对灵敏度，接触式换能器由脉冲信号激发，并使固体试块上的固体质点产生位移，位移幅值被位于试块另一侧的空气耦合换能器测量到，则根据位移幅值所计算的空气耦合换能器的灵敏度为：所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的方法，在测量空气耦合换能器的绝对灵敏度，先采用所述的装置，确定接触式换能器的表面的初始位移幅值，包括以下步骤：通过函数发生器产生的信号经电压/电流放大器放大后被用于驱动发射端换能器，发射的波被标定接触式换能器接收，所测量的绝对位移为：其中为接收端标定接触式换能器的截面面积，修正衍射和衰减的影响后，得到发射端换能器表面的初始位移幅值为本发明的技术效果在于，先用空气耦合换能器用于接收宽带脉冲信号以评估其频谱；再用空气耦合换能器测量具有已知振动位移的短促音信号，以标定其灵敏度幅值。本发明考虑了发射机灵敏度，输入脉冲，衰减和衍射的影响，提高了所标定灵敏度的精度；另外，通过比较测得的位移来确定灵敏度幅值，避免了描述电气设备影响的复杂任务。附图说明图1为相对灵敏度测量装置的示意图，其中(a)为相对灵敏度测量装置，(b)为预测定灵敏度测量装置；图2为通过比较测量的位移来确定空气耦合换能器的绝对灵敏度的实验装置示意图，其中(a)为绝对灵敏度测量装置，(b)为位移幅值测量装置；图3为使用空气耦合换能器测量的波信号曲线图，其中(a)为时域信号，(b)为相应的频谱信号；图4为不同距离测量信号的归一化频谱图；图5为考虑/不考虑衍射和衰减影响下的信号频谱图；图6为输入信号的频谱图；图7为采用自互易法测定的发射端换能器灵敏度示意图；图8为考虑/不考虑发射端影响下的灵敏度频谱图；图9为采取不同距离信号测定，并应用全部校正后的空气耦合换能器的绝对灵敏度示意图。具体实施方式参见图1，首先确定要校准的空气耦合换能器的频谱特性，由于所得频谱的振幅是任意的，故将其称为相对灵敏度。确定换能器相对灵敏度的实验装置如图1的(a)所示。接触式换能器(即具有较宽带宽的发射器)由短脉冲信号激发，从而将声波发射到铝试块中，波通过固体—空气界面传输到空气中，并被位于试块另一侧的空气耦合换能器接收。实验过程中所测得的是时域信号，再通过快速傅里叶变换在频域中计算灵敏度。灵敏度svi(ω)，由输出粒子的速度vt(ω)及输入电流iin(ω)的比值来表示如下基于此定义，图1的(a)表示的装置中的输出电流可以表示为：a和b分别代表发射端和接收端相应的参数，zl(ω)为外接端电阻，zt(ω)为换能器的辐射阻抗，当测量系统已知时，其值很容易得到，整个测量系统的电路网络如图1所示。是考虑波从发射端到接收端受位移透射系数t12，衰减m和衍射d影响下的声学传递函数，表示为：其中m(z1,z2,α1,α2,ω)＝exp[-α1(ω)z1-α2(ω)z2](5)在这些表达式中，下标1和2分别指代固体和空气中相应的系数，z表示波的传播距离，ρ和c为相应的密度和声速，α表示频率相关的衰减系数，dr＝k(aa)2/2是带有波数k＝ω/c1的瑞利距离，am，bm,al和bl是25组高斯系数，具体为：系数具体数值a(9)0.020451+0.4854*ia(18)0.64227-0.32108*ia(1)-0.051932+0.074854*ia(10)-4.2364-3.8044*ia(19)0.086431+0.16529*ia(2)-0.001932+0.13338*ia(11)0.1324-0.04058*ia(20)-0.05428+0.011274*ia(3)0.2038+0.15604*ia(12)-0.064179-10.45*ia(21)14.433+29.229*ia(4)0.49313-0.054592*ia(13)-0.24048+0.96624*ia(22)0.68906-1.6732*ia(5)-0.01404-0.017898*ia(14)-3.1798+0.057147*ia(23)-0.11112-3.4071*ia(6)0.75146-0.7956*ia(15)0.24524+0.14556*ia(24)-21.03+3.9134*ia(7)-4.6458-6.3564*ia(16)-1.308+1.0953*ia(25)0.34217+0.090409*ia(8)17.899-9.5721*ia(17)-0.000527-0.020896*i系数具体数值b(9)4.2603+45.77*ib(18)3.2362-33.351*ib(1)1.9598-68.491*ib(10)4.9867+17.935*ib(19)2.4479-57.008*ib(2)2.2259-62.801*ib(11)3.8823+60.869*ib(20)1.5995-73.994*ib(3)2.6482-51.148*ib(12)5.1546+12.172*ib(21)5.3897+1.3751*ib(4)3.0329-39.309*ib(13)4.9921+36.952*ib(22)3.7246-21.401*ib(5)0.97296-79.031*ib(14)4.8183+23.873*ib(23)4.0538-15.436*ib(6)3.4613-27.379*ib(15)3.6069+52.531*ib(24)5.0621-3.8817*ib(7)4.4953-9.5366*ib(16)4.658+30.099*ib(25)2.84-45.245*ib(8)5.344+6.6418*ib(17)0.83072+68.991*i在公式(2)中，可以直接测量输入和输出电流信号。因此，若要测量空气耦合换能器的灵敏度，必须知道接触换能器的灵敏度。本实施例采用自互易法确定发射换能器的灵敏度，相应的预测定灵敏度测量装置如图1的(b)所示。输出信号由如下给出注意，公式(7)中的所有参数与公式(2)中的参数含义相同，只是在脉冲回波设置中需要修改声学传递函数。由于公式(7)中除灵敏度外的所有参数均可通过实验测量或理论计算，故接触式换能器的灵敏度可确定为当对图1(a)中的输入和输出电流信号进行测量时，计算出声学传递函数，确定发射机的灵敏度，从而得到空气耦合换能器的灵敏度为理论而言，绝对灵敏度可以通过这个过程来确定。然而，使用空气耦合换能器测量的电流信号太小，无法用示波器进行数字化，因此本实施例中使用了放大器来处理这些信号。通过以上方式确定了空气耦合换能器的频谱特性，即相对灵敏度。绝对灵敏度采用图2所示的设置进行表征，实验过程中，由发射端换能器产生的固体质点位移幅值由另一个校准过的接触换能器确定；然后再通过空气耦合换能器测量位移幅值。为了确定空气耦合换能器的绝对灵敏度，对所测量位移的结果进行了比较。用接触式换能器测量质点位移幅值的装置如图2的(a)所示，其中，放大的短促音信号被用于驱动发射端换能器，发射的波被另一个接触换能器(称为c)接收，所测量的绝对位移为：其中接收端c的截面面积，修正衍射和衰减的影响后，得到发射端换能器表面的初始位移幅值为然后使用空气耦合换能器测量这些颗粒的位移，如图2(b)所示，空气耦合换能器测定的绝对灵敏度结果由公式(12a)和(12b)算出其中η为校正灵敏度绝对值的尺寸参数。注意，当接收端实验设备固定后，该参数为一定值。由于两组实验中位移幅值的结果是相同的，故空气耦合换能器的绝对灵敏度可以通过比较不同换能器测量的位移幅值来确定。确定了该尺寸参数η后，通过四个实验步骤可以得到空气耦合换能器的灵敏度。为了达到测定空气耦合换能器灵敏度的最终目标，本实施例进行了四个独立的实验。第一步，空气耦合换能器的相对灵敏度校准如图1(a)所示。一个脉冲发生器(本实施例所采用的的型号为5072pr,panametrics,waltham,ma)被用于驱动接触式换能器(本实施例所采用的的型号为v109,panametrics,waltham,ma)在一块6061-铝试样中产生纵波。试样的厚度为20mm，且所发射的波将通过空气介质由空气耦合换能器(本实施例所采用的的型号为nct4-d13,ultrangroup,statecollege,pa)接收并转换为电信号。电信号用电流探针(本实施例所采用的的型号为tektronixct-2,tektronix,inc.,wilsonville,or)测量，由放大器(本实施例所采用的的型号为5072pr,panametrics,waltham,ma)放大40db并用示波器(本实施例所采用的的型号为mdo3024,tektronix,inc.,wilsonville,or)数字化。在此步骤中，分别测量了当空气耦合换能器与试样表面的距离为1、2、3和4mm时，空气耦合换能器所接收到的信号。第二步，对发射端的接触式换能器灵敏度进行校准，如图1(b)所示。详细的实验过程已经在其他出版的刊物中描述过。在这里，我们只需采取一个简短的步骤：首先测量连接一个50ω负载(图中绘制为虚线)时的输入电流信号，然后再连接到接触换能器，测量由换能器接收(显示为实线)到的输出电流信号。通过步骤3和步骤4确定空气耦合换能器灵敏度的绝对值，如图2(a)和2(b)所示。一个由函数发生器(本实施例所采用的的型号为33250a,agilenttechnologies,inc.,santaclara,ca)产生的4mhz短促音信号，通过一个线性放大器(本实施例所采用的的型号为2100l,electronics&innovation,ltd.,rochester,ny)进行放大，用于激励接触式换能器。另一个校准过的接触换能器(本实施例所采用的的型号为v109,panametrics,waltham,ma)被放置在另一端，以测量样品表面上的绝对质点位移振幅。然后用空气耦合换能器接收输出的电流信号，如图2(b)所示。比较了这两种换能器的质点位移幅值，得到了空气耦合换能器的绝对灵敏度。灵敏度标定结果空气耦合换能器在空气中传播距离为1、2、3、4mm时接收到的信号如图3a所示，其频谱如图3b所示。结果表明，由于波的衍射和高衰减，信号的振幅随传播距离的增大而迅速减小，其归一化频谱结果如图4所示，可观察到这些信号的频率范围和形状各不相同。因此，如果不考虑衍射和衰减的影响，就很难得到空气耦合换能器灵敏度的频率特性。不同距离条件下频谱的归一性结果，发现波形并不相同。因此，如果不考虑衍射和衰减的影响，很难得到空气耦合换能器灵敏度的频率特性。空气耦合换能器确实能接收到发射机产生的波，这些波的特性受驱动脉冲信号和发射机灵敏度的影响，即，当使用不同的脉冲信号或发射机时，测量到的波形信号可能不同。因此，在考虑传输部分的影响时，驱动脉冲信号的频谱和发射机的灵敏度分别如图6和图7所示。当使用式(9)对传输部分的影响进行修正时，可以确定空气耦合换能器的精确频谱特性(相对灵敏度)。图8显示了在空气中2毫米距离处用测量信号确定的结果。首先讨论衍射和衰减的影响。当这些换能器的几何参数和材料的性能参数都已知时，利用公式(5)进行衰减校正，利用公式(6)计算衍射校正。以在空气中传播距离为2毫米的信号为例，为凸现衍射和衰减的影响，故在图5中绘制出了最初未经修正的频谱，仅修正了衍射后的频谱和衰减衍射均修正后的频谱图。衰减会导致透射声能的损失，尤其是在较高的频率下，因此衰减校正后灵敏度在峰值频率处的振幅显著增加，也显著改变了频率峰值和带宽。相对于衰减的影响，衍射对灵敏度的影响很小，因为从发射端到接收端的传播距离很短。由于衍射和衰减对不同传播距离的影响不同，用不同传播距离测量的信号确定的波谱存在明显差异，因此为了提高在不同距离下测量的灵敏度，必须校正衍射和衰减的影响。空气耦合换能器接收的是发射端接触式换能器产生的波，因此所接收到波的性质受到驱动脉冲和发射端换能器灵敏度的影响。也就是说，当使用不同的脉冲或发射端换能器时，测量到的波形信号会不同。因此应该考虑传输端口的影响。驱动脉冲的频谱和发射端换能器的灵敏度分别如图6和图7所示。当使用公式(9)正确地考虑传输端口的影响时，可确定空气耦合换能器的准确频谱特性(相对灵敏度)，图8为在空气中2毫米距离处测量信号确定的相对灵敏度结果。为了更好地理解驱动脉冲和发射端换能器灵敏度的影响，将只考虑衍射和衰减修正的测量灵敏度绘制在同一图中，并将两种结果进行归一化比较。结果表明，当考虑驱动脉冲和发射机灵敏度的影响时，空气耦合换能器的灵敏度谱变宽。因此，发射端口的频率特性也会影响接收信号的频谱。这里有两点值得注意：第一，在这个校准装置中，必须保证发射端的宽频带，如果发射端换能器的中心频率接近空气耦合换能器的中心频率会更好；第二，为了提高空气耦合换能器灵敏度测定的精度，必须考虑校正脉冲和发射机灵敏度的影响。如果脉冲和发射灵敏度反应出的基本都是单一频谱，那么它们的影响可以忽略不计。然而，在实际中这种情况不会发生。最后两个步骤是测量空气耦合换能器灵敏度的绝对幅值。通过公式(10)-(12)比较接触式换能器和空气耦合换能器测量的质点位移，得到绝对振幅。当波形发生器输入电压为400mv时，利用标定过的接触换能器的测量结果计算出发射机表面的初始位移幅值，得到u0＝12.21nm。在这种情况下，采用修正的空气耦合换能器相对灵敏度测量位移为u0＝4198.6nm。因此，比较两个幅值结果，得到η＝468.4。当考虑到发射机的衍射、衰减、输入脉冲和灵敏度时，引入校正值η后，空气耦合换能器的绝对灵敏度如图9所示。使用不同测量距离所获取的结果置于同一图中用于比较。结果表明，在1～6mhz的频率范围内，采用不同距离信号测量的空气耦合换能器的灵敏度曲线具有很好的一致性。这种程度的一致性证明了该方法消除衍射和衰减影响的有效性。此外，对驱动脉冲和发射机灵敏度影响的校正也提高了其频谱精度。注意，测量这种灵敏度的幅值时，放大器所采用的比例是一定的。为了验证空气耦合换能器的灵敏度，本实施例引入了两个验证实验。首先，验证灵敏度在频率范围内的精度。验证试验采用如图2所示的装置进行。使用不同的发射端换能器产生不同频率的15个周期的短促音信号：一个接触式发射机(v106,panametrics,waltham,ma)产生频率为2,2.25和2.5mhz的信号；另一个接触发射机(v109,panametrics,waltham,ma)产生频率为3、4和5mhz的信号。校准后的接触式换能器和空气耦合换能器用于测量波信号。这里可以利用换能器的灵敏度计算出测量的绝对位移幅值，从而得到发射机表面的初始位移幅值。不同驱动频率下确定的初始结果如表1所示。表1在不同的频率驱动下的发射端表面初始位移振幅在表1中，4mhz时的初始位移结果是一致的，如第2节所述，这个值用于确定空气耦合换能器的绝对灵敏度。结果表明，在其它频率下，由不同接收机确定的结果也基本一致，误差范围小于20％。这说明所测定的空气耦合换能器灵敏度均是在预期的有效频段下工作的。这进一步表明，衍射、衰减、输入脉冲和发射端灵敏度的校正对测量精度至关重要。需要强调的是，采用空气耦合换能器测量位移幅值的精度与换能器的灵敏度有关。为了进一步研究绝对位移测量的精度，利用测量位移来确定6061-铝试样的绝对非线性参数。实验设置如图2(b)所示,频率为2.25mhz的15个周期的短促音信号由波形发生器产生，并通过放大器放大50db，该信号驱动接触式换能器辐射高能波传至6061-铝试样，失真信号再由经过校验的空耦换能器接收。实验测定了基波和二次谐波的绝对位移，并用其计算非线性参数，实测非线性参数结果β为6.3，该值与采用其他方式进行测量的结果相近，验证了本方法的有效性。当前第1页12