1 應(yīng)用背景

隨著當(dāng)前對(duì)大型設(shè)備結(jié)構(gòu)安全性的日益關(guān)注，無損檢測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)備制造和使用過程中必不可少的檢測(cè)手段之一, 廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域、石化輸運(yùn)加工領(lǐng)域等。這些領(lǐng)域的設(shè)備結(jié)構(gòu)通常處于較惡劣的工作條件，容易發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，危害結(jié)構(gòu)安全性。因此對(duì)這些設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷成為無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。

目前工業(yè)界常用的五大無損檢測(cè)方式包括：滲透檢測(cè)，磁粉檢測(cè)，渦流檢測(cè)，超聲波檢測(cè)，射線檢測(cè)。在這五種檢測(cè)方式中，超聲波檢測(cè)由于適用范圍廣（既可檢測(cè)金屬，也可檢測(cè)非金屬），對(duì)人體無害而應(yīng)用較為普遍。目前常規(guī)的超聲波檢測(cè)主要使用體波，只能檢測(cè)探頭覆蓋區(qū)域或者探頭周圍很小范圍，因此通常采用逐點(diǎn)檢測(cè)的方法。逐點(diǎn)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)就是檢測(cè)效率低，檢測(cè)成本高。而使用超聲導(dǎo)波的無損檢測(cè)技術(shù)則可以有效地解決這一問題。

超聲導(dǎo)波是目前常規(guī)應(yīng)用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質(zhì)中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的特征速度傳播而無波型耦合。 在有限尺寸波導(dǎo)(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由于受到邊界的制約以及在邊界處發(fā)生不斷的模態(tài)轉(zhuǎn)換，將會(huì)產(chǎn)生沿波導(dǎo)傳播的超聲導(dǎo)波。因此超聲導(dǎo)波是由超聲體波（包括縱波和橫波）在波導(dǎo)上下界面間反射疊加而形成的沿波導(dǎo)傳播的一種應(yīng)力波。

由于超聲導(dǎo)波是在具有上下界面的固體中傳播的應(yīng)力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發(fā)點(diǎn)向三個(gè)方向擴(kuò)散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導(dǎo)波的衰減相對(duì)體波來說小很多，可以沿波導(dǎo)傳播很長距離。

基于超聲導(dǎo)波傳播距離長的特點(diǎn)，其在無損檢測(cè)應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)一次檢測(cè)數(shù)米距離，是對(duì)傳統(tǒng)逐點(diǎn)掃描方式的極大改進(jìn)。同時(shí)，對(duì)于發(fā)電領(lǐng)域和石化領(lǐng)域常見的包覆及埋地結(jié)構(gòu)，利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)只需要一點(diǎn)接入就可以檢測(cè)數(shù)米距離，不需要完全暴露結(jié)構(gòu)，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導(dǎo)波檢測(cè)距離長、范圍廣，具有在線應(yīng)用潛力，可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)檢測(cè)(SHM)的技術(shù)手段。

2 面臨問題

由于超聲導(dǎo)波是超聲體波在波導(dǎo)中的反射和疊加，因此超聲導(dǎo)波相對(duì)體波來說更加復(fù)雜，表現(xiàn)為多模態(tài)和頻散特性。

對(duì)于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構(gòu)件，其頻散關(guān)系可表達(dá)為：

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數(shù)，VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達(dá)方式，當(dāng)α=0代表對(duì)稱模態(tài)，當(dāng)α=π/2代表非對(duì)稱模態(tài)。

根據(jù)平板中的頻散關(guān)系可以得出導(dǎo)波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時(shí)存在多種導(dǎo)波模態(tài)。如800kHZ以下，同時(shí)存在有有三種模態(tài)，分別為A0模態(tài)、S0模態(tài)和SH0模態(tài)。隨著頻率的增加，同時(shí)存在的導(dǎo)波模態(tài)數(shù)也會(huì)隨之增加，如在2MHz下，平板內(nèi)存在有8種可傳播模態(tài)。導(dǎo)波這種多模態(tài)效應(yīng)會(huì)使得接收到的缺陷反射信號(hào)復(fù)雜化，對(duì)其檢測(cè)應(yīng)用產(chǎn)生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致激發(fā)信號(hào)中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導(dǎo)致激發(fā)信號(hào)時(shí)域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm厚鋼板中激發(fā)波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導(dǎo)波的頻散特性將會(huì)導(dǎo)致波包在時(shí)域上的延長，同時(shí)波包幅值也將嚴(yán)重降低。這種現(xiàn)象將造成檢測(cè)信號(hào)的疊混和減弱，使得缺陷特征無法識(shí)別。

(a)頻率-波數(shù)曲線

(b)頻率-相速度曲線

 
(c)頻率-群速度曲線
圖1.  2mm厚鋼板的頻散曲線
(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm鋼板中的頻散現(xiàn)象
(a為激發(fā)信號(hào)；b為傳播1000mm厚波形；c為傳播1500mm后波形；d為傳播2000mm后波形)

導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散特點(diǎn)使其在信號(hào)激勵(lì)、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、傳播、接收和信息提取等方面均比常規(guī)超聲波檢測(cè)復(fù)雜。為了利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)需要從信號(hào)的激發(fā)、傳播、接收和信號(hào)提取等方面發(fā)展適用于超聲導(dǎo)波的方法和技術(shù)。

3 解決方案

3.1 單模態(tài)超聲導(dǎo)波激發(fā)

超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)的特點(diǎn)，隨著激發(fā)頻率的增加導(dǎo)波模態(tài)數(shù)不斷增加。導(dǎo)波的多模態(tài)特點(diǎn)會(huì)增加信號(hào)復(fù)雜性，使缺陷特征信號(hào)難以識(shí)別。因此為了適用于檢測(cè)應(yīng)用，需要激發(fā)單一導(dǎo)波模態(tài)。

根據(jù)導(dǎo)波頻散特性曲線，在高階導(dǎo)波模態(tài)截止頻率以下(對(duì)于2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導(dǎo)波，包擴(kuò)對(duì)稱模態(tài)S0、非對(duì)稱模態(tài)A0、水平剪切模態(tài)SH0。因此控制激發(fā)信號(hào)頻率在高階導(dǎo)波截止頻率以下可以將導(dǎo)波模態(tài)數(shù)降至三種。

對(duì)于S0、A0和SH0模態(tài)，其模態(tài)形狀存在區(qū)別。A0模態(tài)主要以離面位移為主，如圖3(a)所示，S0模態(tài)和SH0模態(tài)主要以面內(nèi)位移為主，其中S0的位移方向于波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態(tài)的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示。

圖3 不同導(dǎo)波模態(tài)激發(fā)施力圖

超聲導(dǎo)波激發(fā)的實(shí)質(zhì)上就是在被檢測(cè)對(duì)象中耦合進(jìn)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波，為了獲得單一的導(dǎo)波模態(tài)，需要通過傳感器優(yōu)化來增強(qiáng)所需模態(tài)對(duì)應(yīng)的表面應(yīng)力分布，同時(shí)抑制其他模態(tài)對(duì)應(yīng)的表面應(yīng)力分布。

目前可以用于在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中耦合進(jìn)導(dǎo)波應(yīng)力場的傳感器可分為如下幾類：壓電式換能器，電磁聲換能器(EMAT)，磁致伸縮換能器，激光超聲換能器。壓電式換能器主要利用晶體材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)作為導(dǎo)波激發(fā)和檢測(cè)傳感器，目前常用的壓電材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的壓電轉(zhuǎn)換效率較高，成本較低，但是材料無法彎曲；PVDF材料也具有壓電效應(yīng)，但是其壓電性相對(duì)于PZT材料要低，其優(yōu)點(diǎn)在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過改變金屬結(jié)構(gòu)中的電磁場，利用Lorenz力激勵(lì)導(dǎo)波應(yīng)力場。用于超聲導(dǎo)波激發(fā)的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波應(yīng)力場的激發(fā)。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測(cè)構(gòu)件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的激發(fā)，激光聲換能激發(fā)方式的儀器體積較大，成本較高，不適于現(xiàn)場檢測(cè)應(yīng)用，目前主要用于實(shí)驗(yàn)室研究工作。

上述導(dǎo)波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，因此目前各國研究團(tuán)隊(duì)主要使用PZT壓電晶片作為導(dǎo)波激發(fā)和接收換能器。

3.2 導(dǎo)波激發(fā)波形優(yōu)化

超聲導(dǎo)波具有頻散特性，不同頻率的波包成分的傳播速度不同，成為頻散現(xiàn)象。嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)混淆、缺陷特征無法提取。為了避免此問題的發(fā)生，需要對(duì)導(dǎo)波激發(fā)頻率和波形進(jìn)行優(yōu)化。

超聲導(dǎo)波激發(fā)波形通常使用經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波。漢寧窗的作用是降低由于波形忽然開始和忽然結(jié)束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率。通過對(duì)激發(fā)信號(hào)的加窗調(diào)制可以減小激發(fā)信號(hào)的頻帶寬度，減小頻散效應(yīng)。圖4為200kHz正弦波和加窗調(diào)制后的波形，以及其對(duì)應(yīng)的頻譜。

圖4 5周期200kHz正弦波與加窗調(diào)制對(duì)比:
(a)原始信號(hào)，(b)原始信號(hào)頻譜，(c)漢寧窗調(diào)制信號(hào)，(d)調(diào)制信號(hào)頻譜

3.3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法不同于常規(guī)超聲檢測(cè)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速、大范圍檢測(cè)，而不是逐點(diǎn)檢測(cè)，同時(shí)為較精確定位缺陷，必須在試驗(yàn)中確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。因此在構(gòu)建檢測(cè)平臺(tái)上，針對(duì)超聲導(dǎo)波的特殊性(如所選激勵(lì)信號(hào)的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)，如圖5所示。

圖5 超聲導(dǎo)波檢測(cè)平臺(tái)

任意函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤l率的振動(dòng)信號(hào)，在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中傳播。但是，由任意波形信號(hào)發(fā)生器生成的電壓信號(hào)的幅度范圍為10mVP-P-10VP-P，遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器，在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波。因此，必須加大激勵(lì)壓電陶瓷傳感器的激發(fā)電壓。檢測(cè)平臺(tái)中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)線性放大至180Vp-p。在180Vp-p輸出下，放大器線性放大頻率最高可達(dá)2MHz。

超聲導(dǎo)波的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)壓電傳感器，產(chǎn)生在管道中傳播的超聲導(dǎo)波，到達(dá)接收導(dǎo)波端時(shí)，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將會(huì)把振動(dòng)量轉(zhuǎn)化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)很微弱，壓電晶片驅(qū)動(dòng)電壓在100Vp-p時(shí)，接收端產(chǎn)生的輸出的電壓信號(hào)僅在毫伏量極。因此接受到信號(hào)需要先經(jīng)過前置放大器放大后，在可以進(jìn)入信號(hào)采集端。本平臺(tái)使用的前置放大器為自制的增益可調(diào)放大器，增益范圍在-4.5dB-525dB。由于壓電晶片具有很高的阻抗，而輸出的信號(hào)功率很小，因此將前置放大器的輸入阻抗匹配至其最大值6K歐姆。

信號(hào)采集端采用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率，適于導(dǎo)波信號(hào)采集。同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)四通道同時(shí)記錄，大大減少了導(dǎo)波陣列信號(hào)采集時(shí)間。

多路開關(guān)單元的作用是切換激發(fā)和接收傳感器，由于壓電傳感器的激發(fā)端只有一路，而傳感器個(gè)數(shù)較多，因此通過多路開關(guān)單元切換激發(fā)的傳感器。多路開關(guān)單元基于繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道開關(guān)，使用單片機(jī)對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，單片機(jī)與PC機(jī)之間通過串口實(shí)現(xiàn)通信。

3.4 傳感器相控陣列(phased array)

傳感器陣列在聲納、雷達(dá)領(lǐng)域使用較多，其優(yōu)點(diǎn)在于基于多個(gè)傳感器，通過相陣列算法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間不同位置的逐點(diǎn)掃描。超聲導(dǎo)波也具有長距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達(dá)中相控陣列(phased array)概念,實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的逐點(diǎn)掃描成像檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波雷達(dá)。

超聲導(dǎo)波雷達(dá)中的關(guān)鍵就是相控陣列及相對(duì)應(yīng)的算法。本應(yīng)用實(shí)例中采用圓環(huán)形緊密排列相控陣列，如圖6所示。陣列由16個(gè)壓電晶片單元組成，每個(gè)壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個(gè)圓形壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列。為此陣列可以對(duì)周向0-360°范圍進(jìn)行全方位掃描成像。

圖6 超聲導(dǎo)波雷達(dá)相控陣列

相控陣列包含有16個(gè)導(dǎo)波傳感器，每個(gè)傳感器相互獨(dú)立。在利用超聲導(dǎo)波雷達(dá)進(jìn)行缺陷成像檢測(cè)時(shí)，需要首先激發(fā)一個(gè)傳感器，然后記錄16個(gè)傳感器接收到的導(dǎo)波信號(hào)，隨后激發(fā)另外一個(gè)傳感器，再記錄16個(gè)傳感器接收到的到波信號(hào)，最終將獲得16×16路時(shí)域信號(hào)，每路時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)激發(fā)-接收傳感器組合。

由于超聲導(dǎo)波具有頻散特性，因此對(duì)相控陣列得到的信號(hào)處理方法具有自身特殊性。首先每路時(shí)域信號(hào)將通過FFT變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，得到的頻域信號(hào)將格局頻散特性關(guān)系轉(zhuǎn)換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號(hào)矩陣仍然為16×16路，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描，需要使用相陣控算法，根據(jù)需要掃描的方向，每路信號(hào)將乘以一個(gè)相控系數(shù)然后相加。最后需要對(duì)信號(hào)矩陣每列進(jìn)行逆傅里葉變換，將其從波數(shù)域轉(zhuǎn)換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達(dá)到成像檢測(cè)目的。

4 檢測(cè)實(shí)例

本實(shí)例使用相控導(dǎo)波陣列對(duì)板狀構(gòu)件中缺陷進(jìn)行了成像檢測(cè)。相控陣列如上文介紹，使用16個(gè)Φ7×0.2mm壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列而成。被檢測(cè)對(duì)象為2mm厚鋼板，缺陷為半徑為2mm的通孔，距離陣列中心500mm。導(dǎo)波激發(fā)信號(hào)為5周期漢寧窗調(diào)制的正弦波，中心頻率為200kHz。

檢測(cè)過程為每次使用1個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時(shí)采集4個(gè)接收信號(hào)；然后通過多路開關(guān)單元更換另外4個(gè)傳感器作為接收傳感器，指導(dǎo)將16個(gè)傳感器的接收信號(hào)全部采集完成。之后更換另外一個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，重復(fù)上述過程，直至16個(gè)傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號(hào)通過上文所述的相陣控信號(hào)處理方法處理，獲得對(duì)缺陷的分布圖像，如圖7所示。

通過實(shí)例可已看出，超聲導(dǎo)波可以對(duì)材料損傷進(jìn)行檢測(cè)，通過超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)材料損傷分布進(jìn)行成像，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

 
圖7 超聲導(dǎo)波雷達(dá)損傷成像
(導(dǎo)波陣列位中心位于原點(diǎn)處，模擬損傷為半徑為2mm的通孔，損傷距離陣列中心500mm)

5 總結(jié)

通過本應(yīng)用實(shí)例可以得出，超聲導(dǎo)波相控陣列可以對(duì)板狀材料損傷進(jìn)行成像檢測(cè)。本檢測(cè)方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大區(qū)域的檢測(cè)。此種方法不但適用于無損檢測(cè)，同時(shí)也適用于在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

但是由于超聲導(dǎo)波陣列中導(dǎo)播傳感器較多，并且需要對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行激發(fā)和采集，因此信號(hào)采集時(shí)間較長。如采用單通道采集儀器，對(duì)于本應(yīng)用實(shí)例將需要進(jìn)行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個(gè)采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號(hào)采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時(shí)間即可完成一次檢測(cè)，這對(duì)時(shí)效性要求較高的在線損傷監(jiān)測(cè)應(yīng)用意義重大。