[发明专利]一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种无损测试测量技术，特别涉及一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法及其装置。

背景技术

新型低密度的复合材料与传统材料相比，具有重量轻、强度和刚度高等特点。因此，被广泛应用于航空航天工业中。如果在制造或者使用中，材料出现缺陷将会导致严重事故。例如，美国NASA的科学家认为，航天飞机外挂燃料舱的隔热板——一种泡沫材料，由于其内部的缺陷，在航天飞机起飞时发生脱落，击中并毁坏航天飞机机体，这很可能就是哥伦比亚号航天飞机失事的原因。但由于缺乏专门的手段，这种隔热材料并不能在航天飞机发射前被检查。例如，这种粉末泡沫材料对于X射线几乎完全透明，而对于热和超声波则几乎完全不透明，因此传统的无损探伤方法都很难探测出可能埋在表面以下的缺陷。由于泡沫隔离层质地疏松且绝热性较好，利用常规的无损检测方法难以进行检测。因此，发展新型无损探伤技术十分必要。

对于这种低密度材料，微波激发的热声技术在检测其内部结构并发现其缺陷时，显示了极大的优越性。这种材料对微波辐射有较小的折射率和吸收系数。因此，利用脉冲微波激发的热声技术对这种材料进行检测，有望成功地发现隐藏在材料中的缺陷，其中最深缺陷的埋藏深度可超过20厘米。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无损检测技术的缺点与不足，提供一种操作简单，检测精度高，可较好适用于低密度材料的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法；所述低密度材料主要指密度小、质地疏松且绝热性较好、有一定特性及功能的材料；例如，航天飞机燃料箱泡沫隔离层。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的方法，包括下述步骤：

(1)采用脉冲微波由波导口入射到待测材料样品中，激发待测材料产生热声信号；

(2)涂有耦合剂的声探测器贴于材料表面，在微波发生器同向接收产生的热声信号；

(3)所接收的热声信号经过信号放大器放大后，采集并显示数据，采集的数据传输并储存到计算机中；

(4)利用计算机控制的步进电机驱动声探测器扫描，全方位接收信号；

(5)对采集的数据进行处理，得到待测材料样品的热声图像。

步骤(1)中，所述脉冲微波的波长为0.01mm～1m。

步骤(2)、(4)中，所述声探测器为低频多元线性阵列探测器(如L7L38A型多元压电阵列换能器)或者微音器。所述耦合剂可为变压器油。

步骤(3)中，所述数据采集为基于LABVIEW控制平台的示波器采集数据，将模拟信号转换为数字信号；在示波器上可直接观察缺陷的部位和大小。

步骤(5)中对采集的数据通过matlab程序，利用滤波反投影算法进行图像重建。

一种利用热声技术无损在位检测低密度材料缺陷的装置包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组件；微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；声信号采集组件与旋转扫描组件电气连接。

所述旋转扫描组件包括步进电机、驱动器和三维扫描平台，步进电机与驱动器相连接，步进电机和驱动器安装在三维扫描平台上，三维扫描平台带动声信号采集组件做三维扫描。

所述声信号采集组件由声探测器、信号放大器、控制器和示波器依次电气连接而成；声探测器通过支架与三维扫描平台相连。

所述声探测器置于声耦合剂中，声耦合剂涂于材料样品上。所述声耦合剂可为变压器油。所述声探测器为低频多元线性阵列探测器或微音器。

所述微波发生组件由微波发生器和波导口连接而成；微波发生器包括相连接的微波管和微波管电源两个部分。

本发明的作用原理是：微波发生器产生脉冲微波(波长、脉宽和重复频率可根据需要选择)，经波导口辐射到待测材料样品上，材料内部缺陷与周围正常组织对微吸收差异导致热膨胀而产生热声信号，经过声耦合剂耦合到声探测器；接收的信号经放大器预处理后，再由采集卡采集并传输到计算机做后处理。信号采集过程中，计算机控制的步进电机驱动三维平台带动声探测器的扫描。最后通过一定的成像算法重建出材料缺陷的热声图像。本发明可为低密度材料缺陷提供无损在位检测，通过对低密度材料缺陷进行定位分析，并确定缺陷区域的大小及形状，从而可以对材料的内部结构和质量进行评价。

本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下的优点及效果：