用于板状结构检测的真时延无频散SH0波相控阵系统技术方案

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,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，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；由于SH0波本身的非频散特性，本发明专利技术的系统对板状结构的损伤进行检测，提高了空间域分辨率，放大损伤反射的信号。

Real time dispersion free SH0 wave phased array system for detection of plate-like structures

A non dispersive SH0 wave phased array system for real delay plate structure includes a detection controller, multi-channel DAC, multi chip SH wave phased array probe, multi channel relay, multi channel analog / digital conversion card, image display, multi chip SH0 wave phased array probe through the inverse piezoelectric effect the voltage signal into the signal fluctuation aroused in the structure, in the receiving phase according to the piezoelectric effect of the fluctuation of signal damage reflected back into electrical signal; multi channel relay during the launch phase of multichannel / emission signal analog converter connected to the multi chip SH0 wave phased array probe, and at the end of the launch stage that will be a multi wafer SH0 wave phased array probe is connected to a multichannel analog-to-digital conversion card, used to collect injury due to the non echo signal; dispersion characteristics of SH0 wave of the invention itself. The system detects the damage of the plate structure, improves the spatial resolution and amplifies the reflected signal.

【技术实现步骤摘要】
用于板状结构检测的真时延无频散SH0波相控阵系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术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。本专利技术所采用的技术如下：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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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,期特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.一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,期特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种用于板状结构检测的真时延无频散SH0波相控阵系统，其特征在于: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：3.根据权利要求1所述的一种用于板状结构检测的真时延无频散SH0波相控阵系统，其特征在于,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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文韬，李惠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23