时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统及方法，红外热像仪、相控阵超声脉冲触发接收器、功率放大器、阵列超声换能器及计算机，其中阵列超声换能器包括多个阵列的压电片，相控阵超声脉冲触发接收器的触发信号激励阵列压电片的中心位置压电片，并接收来自各个压电片的电压频率响应信号，然后重新激励对应的各压电片，红外热像仪用于采集待检碳纤维复合材料表面的连续变化的热像数据，计算机利用所述热像数据得出疲劳裂纹信息。本发明专利技术在保证检测成像分辨力的前提下解决了目前的超声红外热像技术中使用大功率超声变幅杆作为激励源会对碳纤维复合材料表面造成二次损伤的检测技术难题。成二次损伤的检测技术难题。成二次损伤的检测技术难题。

【技术实现步骤摘要】
时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及超声红外热成像
，尤其是一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统及方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料因其拥有比强度高、比刚度高、耐高温、抗腐蚀及良好的可设计性等优点，正逐步取代传统材料，在航空航天、汽车结构、海洋工程等领域得到广泛的应用。但是，碳纤维复合材料对冲击载荷较为敏感，在其运输、装配以及实际使用过程中，由于材料长期承受各种附加载荷及交变应力的作用，会在材料表面形成疲劳损伤进一步会发展成疲劳裂纹。这些疲劳裂纹极大地降低了材料的力学性能，易导致复合材料构件服役过程中的失效，对结构整体的可靠性和安全性造成巨大威胁。因此，发展快速、高效的无损检测技术来实现碳纤维复合材料疲劳裂纹的有效检测已势在必行。
[0003]超声红外热成像是一种无损检测裂纹的方法。在高强度超声脉冲的激励下，超声能量与缺陷区域相互作用产生热量，热量被传递到样品表面，由红外摄像机采集，并由计算机系统进行处理，从而可以识别缺陷。该方法在检测微裂纹方面具有直观、快速、准确等独特的优点。然而，目前的超声红外热像技术中一般使用大功率超声变幅杆作为激励源，采用此种激励装置检测碳纤维复合材料存在以下严重弊端：碳纤维复合材料是冲击载荷敏感材料，高功率超声变幅杆的高速冲击及易对材料表面造成二次损伤，从而使损伤检测失去意义。若改用功率较小的超声换能器，较小的超声能量作用导致的复合材料裂纹温升也较小，导致难以被红外热像仪检测到。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统及方法，在保证检测成像分辨力的前提下解决了目前的超声红外热像技术中使用大功率超声变幅杆作为激励源会对碳纤维复合材料表面造成二次损伤的检测技术难题。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本申请提供一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统，包括相控阵超声脉冲触发接收器、功率放大器、阵列超声换能器，计算机以及红外热像仪，所述阵列超声换能器包括多个阵列的压电片，其用于贴合在待检碳纤维复合材料上，所述相控阵超声脉冲触发接收器、功率放大器、阵列超声换能器依次连接，所述计算机分别连接所述相控阵超声脉冲触发接收器和所述红外热像仪；
[0007]所述相控阵超声脉冲触发接收器用于产生激励信号，作用于位于所述阵列的压电片中心位置的压电片，并接收来自各个压电片的电压频率响应信号，然后重新激励对应的各压电片；
[0008]所述红外热像仪用于采集待检碳纤维复合材料表面的连续变化的热像数据；
[0009]所述计算机利用所述热像数据得出疲劳裂纹信息。
[0010]进一步技术方案为：
[0011]还包括支架，用于调节红外热像仪的高度和位置，使红外热像仪的采集端对准待检碳纤维复合材料。
[0012]所述待检碳纤维复合材料为具有平面或曲面的板材。
[0013]压电片总数为偶数时，将所述激励信号作用于处于中心位置的两个压电片，压电片总数为奇数时，将所述激励信号作用于处于中心位置的一个压电片。
[0014]本申请还提供一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测方法，包括：
[0015]利用相控阵超声脉冲触发接收器产生激励信号，经功率放大器、阵列超声换能器作用于位于所述阵列的压电片中心位置的压电片，产生在待检碳纤维复合材料中传播的超声导波，超声导波在待检碳纤维复合材料中传播遇到疲劳裂纹缺陷发生反射，使各压电片产生电压频率响应信号；
[0016]提取电压频率响应信号中对应于疲劳裂纹时间段的部分，并进行时域上的时间反转重构，重构信号由相控阵超声脉冲触发接收器经功率放大器、阵列超声换能器通过原通道重新激励对应的各压电片，各个压电片在待检碳纤维复合材料中触发一系列超声导波，一系列超声导波在待检碳纤维复合材料中传播最终会聚焦于疲劳裂纹处，自聚焦的超声导波与疲劳裂纹处相互作用，引起疲劳裂纹的温升效应；
[0017]通过红外热像仪采集待检碳纤维复合材料表面的连续变化的热像数据；
[0018]通过计算机处理热像数据得出疲劳裂纹信息。
[0019]所述激励信号为：
[0020][0021]其中，U
A
(t)、U
A
(ω)分别为位于所述阵列的压电片中心位置的压电片的激励电压的时域和频域信号，t、ω分别代表时间和圆频率，i为虚数单位。
[0022]所述提取电压频率响应信号中对应于疲劳裂纹时间段的部分，并进行时域上的时间反转重构，包括：
[0023]将从各压电片产生的电压频率响应信号中提取的疲劳裂纹时间段的部分，进行傅里叶逆变换，得到各个阵列压电片接收到的时域信号；
[0024]将时域信号进行时域内取反，获得各压电片的频域响应电压信号。
[0025]所述电压频率响应信号为：
[0026]U
n
(ω)＝K
A
(ω)K
n
(ω)G(ω)U
A
(ω)
[0027]其中，U
n
(ω)为各个压电片接收到的电压频率响应信号，n为压电片的编号，n的取值范围为1、2、3
…
N，K
A
(ω)为位于中心位置的压电片的机电耦合系数，K
n
(t)为各个压电片的机电耦合系数，G(ω)为位于中心位置的压电片到其他各压电片的频率响应传递函数。
[0028]阵列超声换能器的振幅范围是30～40μm。
[0029]本专利技术的有益效果如下：
[0030]本专利技术采用小振幅的阵列压电换能器作为超声激励源，可解决目前的超声红外热像技术中使用大功率超声变幅杆作为激励源会对碳纤维复合材料表面造成二次损伤的检测技术难题。
[0031]本专利技术将时间反转聚焦相控阵用于超声导波热成像，在小振幅激励不造成材料二
次损伤的前提下也能有效地保证疲劳损伤的温升效果，保证检测成像分辨力。
[0032]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例的检测系统的结构示意图。
[0034]图2为本专利技术实施例的超声检测流程的原理示意图。
[0035]图中：1、相控阵超声脉冲触发接收器；2、计算机；3、红外热像仪；4、支架；5、待检碳纤维复合材料；6、功率放大器；7、阵列超声换能器；8、压电片；9、疲劳裂纹；10、热像数据；11、超声脉冲；12、中心位置压电片；13、第一超声导波；14、非均匀介质；15、第二超声导波；16、第四超声导波；17、第三超声导波；18、时间反转重构的信号；19、自聚焦的超声导波。
具体实施方式
[0036]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0037]参见图1，本申请实施例提供一种时间反演相控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统，其特征在于，包括相控阵超声脉冲触发接收器、功率放大器、阵列超声换能器，计算机以及红外热像仪，所述阵列超声换能器包括多个阵列的压电片，其用于贴合在待检碳纤维复合材料上，所述相控阵超声脉冲触发接收器、功率放大器、阵列超声换能器依次连接，所述计算机分别连接所述相控阵超声脉冲触发接收器和所述红外热像仪；所述相控阵超声脉冲触发接收器用于产生激励信号，作用于位于所述阵列的压电片中心位置的压电片，并接收来自各个压电片的电压频率响应信号，然后重新激励对应的各压电片；所述红外热像仪用于采集待检碳纤维复合材料表面的连续变化的热像数据；所述计算机利用所述热像数据得出疲劳裂纹信息。2.根据权利要求1所述的时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统，其特征在于，还包括支架，用于调节红外热像仪的高度和位置，使红外热像仪的采集端对准待检碳纤维复合材料。3.根据权利要求1所述的时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统，其特征在于，所述待检碳纤维复合材料为具有平面或曲面的板材。4.根据权利要求1所述的时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测系统，其特征在于，压电片总数为偶数时，将所述激励信号作用于处于中心位置的两个压电片，压电片总数为奇数时，将所述激励信号作用于处于中心位置的一个压电片。5.一种时间反演相控阵聚焦超声的红外热成像检测方法，其特征在于，包括：利用相控阵超声脉冲触发接收器产生激励信号，经功率放大器、阵列超声换能器作用于位于所述阵列的压电片中心位置的压电片，产生在待检碳纤维复合材料中传播的超声导波，超声导波在待检碳纤维复合材料中传播遇到疲劳裂纹缺陷发生反射，使各压电片产生电压频率响应信号；提取电压频率响应信号中对应于疲劳裂纹时间段的部分，并进行时域上的时间反转重构获得重构信号，重构信号由相控阵超声脉冲触发接收器经功率放大器、阵列超声换能器通过原通道重新激励对应的各压电片，各个压电片在待检碳纤维复合材料中触发一系...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆号，张辉，殷国栋，沈鹏，罗志涛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：