[发明专利]面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法

说明书

本发明提供面向高频高压激励信号的非线性超声导波检测系统及方法，所述系统包括：上位机模块，输出配置信息、接收采样数据并处理获得采样的损伤评价结果；单片机模块，产生相应的高频互补PWM脉冲信号，接收采样回波数据并传输给上位机模块；高压脉冲发射电路模块，接收上述脉冲信号并产生高压脉冲方波信号；低通滤波电路模块，接收上述方波信号并产生高频高压正弦波信号；超声波探头，将声波及电信号进行相互转换；高压隔离衰减电路，对超声波回波信号进行隔离衰减；FPGA模块及信号采集电路，由FPGA控制信号采集电路采集回波信号并传输到单片机模块中。本系统中产生的高频高压正弦波信号具有良好的非线性超声效应，评价结果更加准确。

技术领域

本发明涉及一种非线性超声导波检测系统及方法，特别是面向高频高压激励信号的非线性导波信号检测。该系统具有多个模块，能够激发具有良好非线性效应的高频高压超声信号，用于材料损伤程度的监测和评价，属于无损检测领域。

背景技术

在化工、电力、航天航空等众多工业领域中广泛存在处于高温高压等服役环境的构件，在极端服役环境下，构件会不可避免的发生各种损伤，导致材料性能退化。损伤积累到一定程度会形成宏观裂纹，严重威胁辅以设备的安全性和可靠性。研究表明，对于设计良好的服役构件，宏观裂纹形成前的材料损伤演化过程占据整个服役寿命的70％以上。因此材料损伤程度的有效检测和表征对大型服役设备的正常运行和保障人们生命财产安全具有重要的意义。

超声检测作为一种传统无损检测方法，具有快速、检测范围大、无污染、无损伤等优点。根据声波的声学特征不同，超声检测技术又可分为线性超声检测技术和非线性超声检测技术。传统超声检测技术基于声波在缺陷处的衍射、反射和透射等原理，通过对回波信号幅值或相位分析，可以有效检测的材料损伤后期的宏观缺陷，如宏观裂纹、夹杂等。

非线性超声检测技术是利用有限振幅超声波和材料中微损伤相互作用产生的非线性响应，依据检测信号内的非激励带宽内的其他频率成分信号的变化对材料早期损伤状态进行表征。

目前国内外学者对于非线性超声展开了充分研究。对于板材构件中的兰姆波，解放军后勤工程学院的邓明晰教授在《平面固体结构中兰姆波二次谐波的发生与传播研究》中首次给出了兰姆波二次谐波声场解析解，并通过实验证明了兰姆波强烈的非线性效应，并在《层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》中提出应力波损伤因子的概念，对层状固体板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性积累损伤进行了研究。美国乔治亚理工学院的Kim教授在《Feasibility of using nonlinear guided waves tomeasure acoustic non-linearity of aluminum》中对不同铝板中的疲劳损伤、塑性损伤进行了检测。Jones和Kobett等人最早在《Interaction of elastic waves in anisotropic solid》和《Interaction of ultrasonic waves in solid media》中提出了两束体波相互作用生成混频波的5种模式。Nagy在《Fatigue damage assessment bynonlinear ultrasonic materials characterization》中验证了非线性超声混频方法可以检测金属材料低周疲劳损伤、塑性变形和裂纹扩展状态。随着混频技术的发展，非线性兰姆波混频方法逐渐更适用于平板状材料的损伤检测。Hasania和Lissenden在《Secondorder harmonic guided wave mutual interactions in plate:Vector analysis,numerical simulation,and experimental results》中在数值模拟和实验两个方面研究了两束SH波对向混频生成对称兰姆波的产生机理，验证了混频信号的产生是来源于材料内部的某种非线性力学行为。