[发明专利]用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于裂隙检测技术领域，尤其涉及一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法。

背景技术

材料内部微缺陷的评估是现代制造业产品质量控制的重要环节，例如金属内部疲劳裂纹、焊接缺陷控制、3D打印质量在线监测、多层复合材料脱粘评估等等，均与材料内部的微裂隙密切有关。因此，对材料微裂隙的定量检测对于材料和产品质量的控制具有重要的工程价值。

超声检测手段是最重要的无损检测手段之一，超声波具有穿透深度大、分辨率高等特点，可以提供被检测样品多维度、不同深度、不同尺度的结构和功能特性；此外，微裂隙中的包裹杂质或者空腔，与周围材料的声阻抗特性失配严重，容易引起强烈的声散射和反射，因此，超声检测手段对于微裂隙的检测上在灵敏度上具有先天优势；最后，超声检测相对于利用X射线、γ射线等进行的放射探伤相比，具有非常好的生物安全性，因此，超声检测手段不仅仅有利于对于检测操作人员健康的保护，而且在生物医学成像领域也具有巨大的应用前景。

传统超声方法对微裂隙进行检测和成像时，其空间分辨率取决于超声测量系统所发射的超声波的频率和带宽。为了定量地测量微裂隙尺寸，必须采用高频、宽带超声系统。例如，为了获得50μm的空间分辨率，超声测量系统的工作频率至少要在50MHz以上，这么高频率的超声波只能穿透非常短的材料，比如，在生物软组织中的穿透深度仅有3mm；如果将工作频率降到3.5MHz，虽然穿透深度提高了，但是空间分辨率降低到只有200μm左右。因此，传统的超声检测系统，其分辨率和穿透深度之间总是互相冲突的。

发明内容

本发明的目的，是提供了一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法，该方法通过计算微裂隙超声回波信号的功率谱，并提取频谱斜率参量作为成像参量。由于频谱斜率参量提取于超声信号的低频频段，这个频域所对应的波长大于微裂隙尺寸，且低频信号能在材料传播较长距离，从而实现了对材料深层微裂隙的定量评估。并且，通过引入一个校准过程，可以使得此方法和实验系统本身的响应无关。

本文发明采用的技术方案为：

第一方面，提供了一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统包括超声换能器、信号放大器、采集卡、数模转换器、模数转换器和计算模块，其中：

所述计算模块与所述数模转换器的输入端相连，所述数模转换器的输出端与所述信号放大器相连；

所述计算模块还与所述模数转换器的输出端相连，所述模数转换器的输入端与所述采集卡相连，所述采集卡与所述信号放大器相连；

所述信号放大器与所述超声换能器相连。

可选的，所述超声换能器为用于发射超声波和接收超声波的超声波收发器。

可选的，该超声测量系统安置于显微镜内，或者，该超声测量系统为显微镜。

第二方面提供了一种用于深层结构裂隙的检测方法，所述方法应用于第一方面所述的超声测量系统中，所述方法包括：

利用所述超声测量系统的超声换能器向超声波全反射界面发射第一超声脉冲，获取所述第一超声脉冲反射回的第一声波信号，计算所述第一声波信号的功率谱，得到第一功率谱；

利用所述显微镜的超声换能器向被测物体的微裂隙上发射第二超声脉冲，获取所述第二超声脉冲反射回的第二声波信号，计算所述第二声波信号的功率谱，得到第二功率谱；

将所述第一功率谱除以所述第二功率谱，得到校准后的功率谱；

在预定低频频段内对所述校准后的功率谱做线性拟合，得到线性拟合对应的斜率值；

根据预先计算得到的斜率值与微裂隙的直径之间的对应关系，获取所述线性拟合对应的斜率值所对应的直径。

可选的，所述方法还包括：

获取校准后的超声回波功率谱函数，所述超声回波功率谱函数仅与微裂隙的直径参数相关；

将所述超声回波功率谱函数换算成对数坐标，在预定带宽范围内，对进行过对数坐标换算的超声回波功率谱函数进行线性拟合，得到线性拟合后对应的斜率函数，将所述斜率函数记为功率谱斜率函数，所述功率谱斜率函数中直径参数为自变量，功率谱斜率为因变量；

根据所述功率谱函数，计算各个直径所对应的功率谱斜率，得到各个直径与功率谱斜率之间的对应关系。

可选的，所述获取超声回波功率谱函数，包括：

将超声测量系统的响应函数、超声回波信号函数以及超声波反射系数函数进行卷积运算，得到超声回波信号函数；对所述超声回波信号函数进行傅里叶变换，得到频域的超声信号函数；