[發明專利]面向高頻高壓激勵信號的非線性超聲導波檢測系統及方法

有效

• 申請號: 202110718417.1
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113447568B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 項延訓;陳蘭嵐;朱武軍;軒福貞
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/24;G01N29/44
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 董慶

本發明提供面向高頻高壓激勵信號的非線性超聲導波檢測系統及方法，所述系統包括：上位機模塊，輸出配置信息、接收采樣數據并處理獲得采樣的損傷評價結果；單片機模塊，產生相應的高頻互補PWM脈沖信號，接收采樣回波數據并傳輸給上位機模塊；高壓脈沖發射電路模塊，接收上述脈沖信號并產生高壓脈沖方波信號；低通濾波電路模塊，接收上述方波信號并產生高頻高壓正弦波信號；超聲波探頭，將聲波及電信號進行相互轉換；高壓隔離衰減電路，對超聲波回波信號進行隔離衰減；FPGA模塊及信號采集電路，由FPGA控制信號采集電路采集回波信號并傳輸到單片機模塊中。本系統中產生的高頻高壓正弦波信號具有良好的非線性超聲效應，評價結果更加準確。

技術領域

本發明涉及一種非線性超聲導波檢測系統及方法，特別是面向高頻高壓激勵信號的非線性導波信號檢測。該系統具有多個模塊，能夠激發具有良好非線性效應的高頻高壓超聲信號，用于材料損傷程度的監測和評價，屬于無損檢測領域。

背景技術

在化工、電力、航天航空等眾多工業領域中廣泛存在處于高溫高壓等服役環境的構件，在極端服役環境下，構件會不可避免的發生各種損傷，導致材料性能退化。損傷積累到一定程度會形成宏觀裂紋，嚴重威脅輔以設備的安全性和可靠性。研究表明，對于設計良好的服役構件，宏觀裂紋形成前的材料損傷演化過程占據整個服役壽命的70％以上。因此材料損傷程度的有效檢測和表征對大型服役設備的正常運行和保障人們生命財產安全具有重要的意義。

超聲檢測作為一種傳統無損檢測方法，具有快速、檢測范圍大、無污染、無損傷等優點。根據聲波的聲學特征不同，超聲檢測技術又可分為線性超聲檢測技術和非線性超聲檢測技術。傳統超聲檢測技術基于聲波在缺陷處的衍射、反射和透射等原理，通過對回波信號幅值或相位分析，可以有效檢測的材料損傷后期的宏觀缺陷，如宏觀裂紋、夾雜等。

非線性超聲檢測技術是利用有限振幅超聲波和材料中微損傷相互作用產生的非線性響應，依據檢測信號內的非激勵帶寬內的其他頻率成分信號的變化對材料早期損傷狀態進行表征。

目前國內外學者對于非線性超聲展開了充分研究。對于板材構件中的蘭姆波，解放軍后勤工程學院的鄧明晰教授在《平面固體結構中蘭姆波二次諧波的發生與傳播研究》中首次給出了蘭姆波二次諧波聲場解析解，并通過實驗證明了蘭姆波強烈的非線性效應，并在《層狀固體結構表面性質的非線性蘭姆波定征方法》中提出應力波損傷因子的概念，對層狀固體板結構的疲勞、高溫蠕變和表面性質微小變化的非線性積累損傷進行了研究。美國喬治亞理工學院的Kim教授在《Feasibility of using nonlinear guided waves tomeasure acoustic non-linearity of aluminum》中對不同鋁板中的疲勞損傷、塑性損傷進行了檢測。Jones和Kobett等人最早在《Interaction of elastic waves in anisotropic solid》和《Interaction of ultrasonic waves in solid media》中提出了兩束體波相互作用生成混頻波的5種模式。Nagy在《Fatigue damage assessment bynonlinear ultrasonic materials characterization》中驗證了非線性超聲混頻方法可以檢測金屬材料低周疲勞損傷、塑性變形和裂紋擴展狀態。隨著混頻技術的發展，非線性蘭姆波混頻方法逐漸更適用于平板狀材料的損傷檢測。Hasania和Lissenden在《Secondorder harmonic guided wave mutual interactions in plate:Vector analysis,numerical simulation,and experimental results》中在數值模擬和實驗兩個方面研究了兩束SH波對向混頻生成對稱蘭姆波的產生機理，驗證了混頻信號的產生是來源于材料內部的某種非線性力學行為。