凌華科技PCI-9846高速數字化儀 在基于超聲導波的結構健康狀態無損檢測及在線監測中的應用

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態在2mm鋼板中的頻散現象

(a為激發信號;b為傳播1000mm厚波形;c為傳播1500mm后波形;d為傳播2000mm后波形)

導波的多模態和頻散特點使其在信號激勵、質點振動、傳播、接收和信息提取等方面均比常規超聲波檢測復雜。為了利用超聲導波進行檢測需要從信號的激發、傳播、接收和信號提取等方面發展適用于超聲導波的方法和技術。

3 解決方案

3.1 單模態超聲導波激發

超聲導波具有多模態的特點，隨著激發頻率的增加導波模態數不斷增加。導波的多模態特點會增加信號復雜性，使缺陷特征信號難以識別。因此為了適用于檢測應用，需要激發單一導波模態。

根據導波頻散特性曲線，在高階導波模態截止頻率以下(對于2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導波，包擴對稱模態S0、非對稱模態A0、水平剪切模態SH0。因此控制激發信號頻率在高階導波截止頻率以下可以將導波模態數降至三種。

對于S0、A0和SH0模態，其模態形狀存在區別。A0模態主要以離面位移為主，如圖3(a)所示，S0模態和SH0模態主要以面內位移為主，其中S0的位移方向于波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示。

超聲導波激發的實質上就是在被檢測對象中耦合進模態所對應的應力波，為了獲得單一的導波模態，需要通過傳感器優化來增強所需模態對應的表面應力分布，同時抑制其他模態對應的表面應力分布。

目前可以用于在被檢測結構中耦合進導波應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和逆壓電效應作為導波激發和檢測傳感器，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，但是其壓電性相對于PZT材料要低，其優點在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過改變金屬結構中的電磁場，利用Lorenz力激勵導波應力場。用于超聲導波激發的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應實現導波應力場的激發。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測構件表面產生熱應力振動，實現超聲導波的激發，激光聲換能激發方式的儀器體積較大，成本較高，不適于現場檢測應用，目前主要用于實驗室研究工作。

上述導波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優點，適用于結構健康狀態監測應用，因此目前各國研究團隊主要使用PZT壓電晶片作為導波激發和接收換能器。

3.2 導波激發波形優化

超聲導波具有頻散特性，不同頻率的波包成分的傳播速度不同，成為頻散現象。嚴重的頻散現象會造成檢測信號混淆、缺陷特征無法提取。為了避免此問題的發生，需要對導波激發頻率和波形進行優化。

超聲導波激發波形通常使用經漢寧窗調制的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束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發頻率。通過對激發信號的加窗調制可以減小激發信號的頻帶寬度，減小頻散效應。圖4為200kHz正弦波和加窗調制后的波形，以及其對應的頻譜。

3.3 超聲導波檢測平臺

超聲導波檢測方法不同于常規超聲檢測，它最突出的優點就是可以實現快速、大范圍檢測，而不是逐點檢測，同時為較精確定位缺陷，必須在試驗中確保檢測數據的精度。因此在構建檢測平臺上，針對超聲導波的特殊性(如所選激勵信號的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導波檢測平臺，如圖5所示。

任意函數發生器輸出的信號可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅動壓電陶瓷產生壓電效應，將電壓信號轉變為相同頻率的振動信號，在被檢測結構中傳播。但是，由任意波形信號發生器生成的電壓信號的幅度范圍為10mVP-P-10VP-P，遠不足以驅動壓電陶瓷換能器，在結構中激勵出超聲導波。因此，必須加大激勵壓電陶瓷傳感器的激發電壓。檢測平臺中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號發生器產生的輸入信號線性放大至180Vp-p。在180Vp-p輸出下，放大器線性放大頻率最高可達2MHz。

超聲導波的激勵信號經功率放大器放大后，驅動壓電傳感器，產生在管道中傳播的超聲導波，到達接收導波端時，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將會把振動量轉化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應很微弱，壓電晶片驅動電壓在100Vp-p時，接收端產生的輸出的電壓信號僅在毫伏量極。因此接受到信號需要先經過前置放大器放大后，在可以進入信號采集端。本平臺使用的前置放大器為自制的增益可調放大器，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。

信號采集端采用凌華科技PCI-9846高速數字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率，適于導波信號采集。同時其可以實現四通道同時記錄，大大減少了導波陣列信號采集時間。

多路開關單元的作用是切換激發和接收傳感器，由于壓電傳感器的激發端只有一路，而傳感器個數較多，因此通過多路開關單元切換激發的傳感器。多路開關單元基于繼電器實現信號通道開關，使用單片機對繼電器開關進行控制，單片機與PC機之間通過串口實現通信。