基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测
3.2 导波激发波形优化
超声导波具有频散特性，不同频率的波包成分的传播速度不同，成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了避免此问题的发生，需要对导波激发频率和波形进行优化。
超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣，使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度，减小频散效应。图4为200kHz正弦波和加窗调制后的波形，以及其对应的频谱。
(a) (b)
(c) (d)
图4 5周期200kHz正弦波与加窗调制对比:
(a)原始信号，(b)原始信号频谱，(c)汉宁窗调制信号，(d)调制信号频谱
3.3 超声导波检测平台
超声导波检测方法不同于常规超声检测，它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测，而不是逐点检测，同时为较精确定位缺陷，必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上，针对超声导波的特殊性(如所选激励信号的特殊性，压电陶瓷换能器选取的特殊性等)，建立了超声导波检测平台，如图5所示。
图5 超声导波检测平台
任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上，驱动压电陶瓷产生压电效应，将电压信号转变为相同频率的振动信号，在被检测结构中传播。但是，由任意波形信号发生器生成的电压信号的幅度范围为10mVP-P-10VP-P，远不足以驱动压电陶瓷换能器，在结构中激励出超声导波。因此，必须加大激励压电陶瓷传感器的激发电压。检测平台中采用的是自制的高压放大器，其可以将信号发生器产生的输入信号线性放大至180Vp-p。在180Vp-p输出下，放大器线性放大频率最高可达2MHz。
超声导波的激励信号经功率放大器放大后，驱动压电传感器，产生在管道中传播的超声导波，到达接收导波端时，利用压电陶瓷的逆压电效应，将会把振动量转化为电压量输出，但是，压电陶瓷的逆压电效应很微弱，压电晶片驱动电压在100Vp-p时，接收端产生的输出的电压信号仅在毫伏量极。因此接受到信号需要先经过前置放大器放大后，在可以进入信号采集端。本平台使用的前置放大器为自制的增益可调放大器，增益范围在-4.5dB-525dB。由于压电晶片具有很高的阻抗，而输出的信号功率很小，因此将前置放大器的输入阻抗匹配至其最大值6K欧姆。
信号采集端采用凌华科技PCI-9846高速数字化仪。此仪器具有高采样率和高分辨率，适于导波信号采集。同时其可以实现四通道同时记录，大大减少了导波阵列信号采集时间。
多路开关单元的作用是切换激发和接收传感器，由于压电传感器的激发端只有一路，而传感器个数较多，因此通过多路开关单元切换激发的传感器。多路开关单元基于继电器实现信号通道开关，使用单片机对继电器开关进行控制，单片机与PC机之间通过串口实现通信。
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。
图6 超声导波雷达相控阵列
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。
图7 超声导波雷达损伤成像
(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。
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