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(tài)無(wú)損檢測及在線(xiàn)監測中的應用

3.4 傳感器相控陣列(phased array)

傳感器陣列在聲納、雷達領(lǐng)域使用較多，其優(yōu)點(diǎn)在于基于多個(gè)傳感器，通過(guò)相陣列算法實(shí)現對空間不同位置的逐點(diǎn)掃描。超聲導波也具有長(cháng)距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達中相控陣列(phased array)概念,實(shí)現對被檢測對象的逐點(diǎn)掃描成像檢測，實(shí)現超聲導波雷達。

超聲導波雷達中的關(guān)鍵就是相控陣列及相對應的算法。本應用實(shí)例中采用圓環(huán)形緊密排列相控陣列，如圖6所示。陣列由16個(gè)壓電晶片單元組成，每個(gè)壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個(gè)圓形壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列。為此陣列可以對周向0-360°范圍進(jìn)行全方位掃描成像。

相控陣列包含有16個(gè)導波傳感器，每個(gè)傳感器相互獨立。在利用超聲導波雷達進(jìn)行缺陷成像檢測時(shí)，需要首先激發(fā)一個(gè)傳感器，然后記錄16個(gè)傳感器接收到的導波信號，隨后激發(fā)另外一個(gè)傳感器，再記錄16個(gè)傳感器接收到的到波信號，最終將獲得16×16路時(shí)域信號，每路時(shí)域信號對應一個(gè)激發(fā)-接收傳感器組合。

由于超聲導波具有頻散特性，因此對相控陣列得到的信號處理方法具有自身特殊性。首先每路時(shí)域信號將通過(guò)FFT變換轉變?yōu)轭l域，得到的頻域信號將格局頻散特性關(guān)系轉換成波數域幅值。至此獲得信號矩陣仍然為16×16路，為了實(shí)現對不同方向的掃描，需要使用相陣控算法，根據需要掃描的方向，每路信號將乘以一個(gè)相控系數然后相加。最后需要對信號矩陣每列進(jìn)行逆傅里葉變換，將其從波數域轉換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達到成像檢測目的。

4 檢測實(shí)例

本實(shí)例使用相控導波陣列對板狀構件中缺陷進(jìn)行了成像檢測。相控陣列如上文介紹，使用16個(gè)Φ7×0.2mm壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列而成。被檢測對象為2mm厚鋼板，缺陷為半徑為2mm的通孔，距離陣列中心500mm。導波激發(fā)信號為5周期漢寧窗調制的正弦波，中心頻率為200kHz。

檢測過(guò)程為每次使用1個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時(shí)采集4個(gè)接收信號;然后通過(guò)多路開(kāi)關(guān)單元更換另外4個(gè)傳感器作為接收傳感器，指導將16個(gè)傳感器的接收信號全部采集完成。之后更換另外一個(gè)傳感器作為激發(fā)傳感器，重復上述過(guò)程，直至16個(gè)傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號通過(guò)上文所述的相陣控信號處理方法處理，獲得對缺陷的分布圖像，如圖7所示。

通過(guò)實(shí)例可已看出，超聲導波可以對材料損傷進(jìn)行檢測，通過(guò)超聲導波相控陣列可以對材料損傷分布進(jìn)行成像，結果較為準確。

(導波陣列位中心位于原點(diǎn)處，模擬損傷為半徑為2mm的通孔，損傷距離陣列中心500mm)

5 總結

通過(guò)本應用實(shí)例可以得出，超聲導波相控陣列可以對板狀材料損傷進(jìn)行成像檢測。本檢測方法僅需要將陣列布置于很小的區域就可以實(shí)現對較大區域的檢測。此種方法不但適用于無(wú)損檢測，同時(shí)也適用于在線(xiàn)監測應用。

但是由于超聲導波陣列中導播傳感器較多，并且需要對每個(gè)傳感器進(jìn)行激發(fā)和采集，因此信號采集時(shí)間較長(cháng)。如采用單通道采集儀器，對于本應用實(shí)例將需要進(jìn)行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個(gè)采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時(shí)間即可完成一次檢測，這對時(shí)效性要求較高的在線(xiàn)損傷監測應用意義重大。