凌华科技PCI-9846高速数字化仪 在基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测中的应用

3.4 传感器相控阵列(phased array)

传感器阵列在声纳、雷达领域使用较多，其优点在于基于多个传感器，通过相阵列算法实现对空间不同位置的逐点扫描。超声导波也具有长距离传播的能力，因此可以借鉴雷达中相控阵列(phased array)概念,实现对被检测对象的逐点扫描成像检测，实现超声导波雷达。

超声导波雷达中的关键就是相控阵列及相对应的算法。本应用实例中采用圆环形紧密排列相控阵列，如图6所示。阵列由16个压电晶片单元组成，每个压电晶片尺寸为Φ7×0.2mm，16个圆形压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列。为此阵列可以对周向0-360°范围进行全方位扫描成像。

相控阵列包含有16个导波传感器，每个传感器相互独立。在利用超声导波雷达进行缺陷成像检测时，需要首先激发一个传感器，然后记录16个传感器接收到的导波信号，随后激发另外一个传感器，再记录16个传感器接收到的到波信号，最终将获得16×16路时域信号，每路时域信号对应一个激发-接收传感器组合。

由于超声导波具有频散特性，因此对相控阵列得到的信号处理方法具有自身特殊性。首先每路时域信号将通过FFT变换转变为频域，得到的频域信号将格局频散特性关系转换成波数域幅值。至此获得信号矩阵仍然为16×16路，为了实现对不同方向的扫描，需要使用相阵控算法，根据需要扫描的方向，每路信号将乘以一个相控系数然后相加。最后需要对信号矩阵每列进行逆傅里叶变换，将其从波数域转换成距离域。最终将形成缺陷图像，达到成像检测目的。

4 检测实例

本实例使用相控导波阵列对板状构件中缺陷进行了成像检测。相控阵列如上文介绍，使用16个Φ7×0.2mm压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列而成。被检测对象为2mm厚钢板，缺陷为半径为2mm的通孔，距离阵列中心500mm。导波激发信号为5周期汉宁窗调制的正弦波，中心频率为200kHz。

检测过程为每次使用1个传感器作为激发传感器，利用PCI-9846的四通道同时采集4个接收信号;然后通过多路开关单元更换另外4个传感器作为接收传感器，指导将16个传感器的接收信号全部采集完成。之后更换另外一个传感器作为激发传感器，重复上述过程，直至16个传感器均作为激发传感器。

接收到256路信号通过上文所述的相阵控信号处理方法处理，获得对缺陷的分布图像，如图7所示。

通过实例可已看出，超声导波可以对材料损伤进行检测，通过超声导波相控阵列可以对材料损伤分布进行成像，结果较为准确。

(导波阵列位中心位于原点处，模拟损伤为半径为2mm的通孔，损伤距离阵列中心500mm)

5 总结

通过本应用实例可以得出，超声导波相控阵列可以对板状材料损伤进行成像检测。本检测方法仅需要将阵列布置于很小的区域就可以实现对较大区域的检测。此种方法不但适用于无损检测，同时也适用于在线监测应用。

但是由于超声导波阵列中导播传感器较多，并且需要对每个传感器进行激发和采集，因此信号采集时间较长。如采用单通道采集仪器，对于本应用实例将需要进行256次采集。由于凌华科技的PCI-9846具有四个采集通道，仅此使用PCI-9846作为信号采集仪器仅需单通道采集仪器的1/4时间即可完成一次检测，这对时效性要求较高的在线损伤监测应用意义重大。