專(zhuān)利名稱(chēng)：利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的方法，屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，無(wú)論在高科技建設(shè)方面還是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，設(shè)施結(jié) 構(gòu)安全檢測(cè)都是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。由于柱結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境中受到設(shè)計(jì)載荷的作用, 以及各種突發(fā)性外在因素的影響而面臨結(jié)構(gòu)中缺陷損傷程度的積累。隨著時(shí)間的推移，有的 會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的損傷，甚至導(dǎo)致斷裂，由此會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。目前對(duì)結(jié)構(gòu)中缺陷定性研究 的較多，而對(duì)其所含缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)存在較大困難。
超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種在不損壞被檢物的結(jié)構(gòu)和使用性能的情況下，利用超聲波的方法 來(lái)揭示其內(nèi)部或表面存在的缺陷，以期提高被檢物的內(nèi)在質(zhì)量和使用時(shí)的可靠性的一種技 術(shù)，近年來(lái)引起人們廣泛關(guān)注。超聲波檢測(cè)作為一種既安全又經(jīng)濟(jì)的手段，受到工程技術(shù)人 員的青睞?，F(xiàn)在，突飛猛進(jìn)的高尖端技術(shù)在對(duì)材料的性能提出了更高要求的同時(shí)，要求材料 的檢測(cè)手段有進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了定量無(wú)損檢測(cè)(QuantitativeNon-destructiveTest)的需要， 也就是不僅需要探測(cè)材料內(nèi)部是否存在缺陷,而且需要定量地確定缺陷的幾何特征(形狀、尺 寸和取向)和材料性能，甚至缺陷的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律。但是，目前還沒(méi)有相關(guān)的手段能達(dá)到這一 技術(shù)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺 陷形狀的系統(tǒng)，以便能夠快速、準(zhǔn)確、低成本地重構(gòu)出柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷的形狀。
本發(fā)明利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)構(gòu)成包括
函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質(zhì)參數(shù)生成適用于檢測(cè)的具備設(shè)定中心頻率及周期的單音 頻信號(hào)的模塊；
超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測(cè)柱中發(fā)送超聲波信號(hào)；或以其作為超 聲波接收單元，接收被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)；
三維缺陷形狀重構(gòu)模塊，根據(jù)被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)，重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀。
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉(zhuǎn)換，其中
工作模式1:函數(shù)發(fā)生器模塊發(fā)送的超聲波信號(hào)傳遞至超聲波收發(fā)模塊；
工作模式2:超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結(jié)構(gòu)中缺陷反射回波信號(hào)導(dǎo)入三維缺陷形狀重構(gòu)模塊。
本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于
設(shè)置超聲波收發(fā)模塊于被測(cè)柱結(jié)構(gòu)側(cè)面，在所述被測(cè)柱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v 波，以所述縱波在柱結(jié)構(gòu)中遇到缺陷產(chǎn)生的回波信號(hào)作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號(hào)。
所述超聲波收發(fā)模塊針對(duì)被測(cè)柱結(jié)構(gòu)表面的信號(hào)發(fā)射與接收的密度為沿同一截面上間 隔10° ，縱向間隔3mm。
所述超聲波收發(fā)模塊為壓電換能器或單晶探頭。
所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊的電路結(jié)構(gòu)設(shè)置為功率放大器通過(guò)一對(duì)背靠背二極管Dl、 D2 —路與 電橋B1相連，另一路先通過(guò)一對(duì)背靠背二極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋 B2相連；在所述電橋B2的輸出回路中并聯(lián)連接另一對(duì)背靠背二極管D5、 D6。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀，為無(wú)損檢測(cè)，不需破壞結(jié)構(gòu)；對(duì)于 含三維缺陷的柱狀結(jié)構(gòu)，利用超聲探頭提取缺陷處反射回波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后重構(gòu)缺陷形 狀；檢測(cè)準(zhǔn)確度高，誤差能夠滿足工程要求，檢測(cè)成本低。
2、 本發(fā)明系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求低。
3、 本發(fā)明對(duì)于在實(shí)際工程中有廣泛應(yīng)用的柱狀的桿等典型結(jié)構(gòu)的檢測(cè)具有很重要的工
程意義，在在飛機(jī)、航天器、海洋平臺(tái)、新型橋梁、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、高層建筑等中都能體現(xiàn)出其 廣泛的應(yīng)用前景。


圖l為本方法的便攜式終端裝置模塊示意圖。
圖2a、圖2b分別為利用本發(fā)明系統(tǒng)，激發(fā)頻率為1.31MHz柱結(jié)構(gòu)中圓柱形空穴反射回 波的時(shí)域波形圖和頻譜圖。
圖3a、圖3b分別為本發(fā)明方法的函數(shù)發(fā)生器模塊中的檢測(cè)條件設(shè)定窗口和發(fā)送波形選 擇/顯示窗口。
圖4為本方法的三維缺陷形狀檢測(cè)結(jié)果顯示窗口。
圖5為控制方法流程圖。
圖6為本發(fā)明轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊電路原理圖。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖l，本實(shí)施例中的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質(zhì)參數(shù)生成適用于檢測(cè)的具備設(shè)定中心頻率及周期的單音 頻信號(hào)的模塊，可以采用高性能單片機(jī)和高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，也可由DSP芯片實(shí)現(xiàn)。
超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測(cè)柱中發(fā)送超聲波信號(hào)；或以其作為超 聲波接收單元，接收被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)；可以采用壓電換能器或單晶探頭，比如 采用壓電換能器，將壓電換能器放置于柱結(jié)構(gòu)的側(cè)面，通過(guò)耦合劑如凡士林等與柱結(jié)構(gòu)側(cè)面 接觸，在被測(cè)柱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，以縱波在柱結(jié)構(gòu)中遇到缺陷產(chǎn)生的回波 信號(hào)作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號(hào)。
三維缺陷形狀重構(gòu)模塊，根據(jù)被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)，重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀。
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉(zhuǎn)換，其中 工作模式1:函數(shù)發(fā)生器模塊發(fā)送的超聲波信號(hào)傳遞至超聲波收發(fā)模塊； 工作模式2:超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結(jié)構(gòu)中缺陷反射回波信號(hào)導(dǎo)入三維缺陷形狀重 構(gòu)模塊。
具體實(shí)施中，系統(tǒng)設(shè)置還包括有
功率放大模塊，由前置放大器和集成功率放大器構(gòu)成，用于放大由函數(shù)發(fā)生模塊所產(chǎn)生 的波形信號(hào)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳輸給超聲波收發(fā)模塊；
增益放大模塊，用于將所接收到的柱結(jié)構(gòu)中缺陷反射回波信號(hào)進(jìn)行放大，最大放大率可 達(dá)60dB。
波形解析及顯示模塊，通過(guò)對(duì)反射回波信號(hào)的分析，提取缺陷反射回波信號(hào)，并將該信 號(hào)波形進(jìn)行顯示，三維缺陷形狀重構(gòu)模塊通過(guò)將波形解析及顯示模塊的回波信號(hào)導(dǎo)入相應(yīng)的 計(jì)算軟件計(jì)算并顯示三維缺陷形狀。
具體工作過(guò)程是將超聲波收發(fā)模塊安置于被測(cè)柱結(jié)構(gòu)側(cè)面，將柱結(jié)構(gòu)介質(zhì)相關(guān)參數(shù)輸
入函數(shù)發(fā)生器模塊，函數(shù)發(fā)生器模塊從自身儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)中選取適合該參數(shù)的信號(hào)，并產(chǎn)生脈
沖信號(hào)，經(jīng)功率放大模塊進(jìn)行放大后，再經(jīng)由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊施加于超聲波收發(fā)模塊，超聲波
收發(fā)模塊在柱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，該縱波在柱結(jié)構(gòu)中遇到缺陷產(chǎn)生的回
波信號(hào)又傳輸?shù)匠暡ㄊ瞻l(fā)模塊，超聲波收發(fā)模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊將該信號(hào)傳輸給增益放
大模塊，增益放大模塊放大信號(hào)后送入波形解析及顯示模塊，波形解析及顯示模塊通過(guò)分析
反射回波信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以備分析處理，提取缺陷反射回波處的信號(hào)，
將回波信號(hào)導(dǎo)入三維缺陷形狀重構(gòu)模塊，計(jì)算并顯示三維缺陷的形狀。 參見(jiàn)圖6，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊由穩(wěn)壓電源和轉(zhuǎn)換電路組成。
5穩(wěn)壓電源為轉(zhuǎn)換電路提供正負(fù)15伏的直流穩(wěn)壓電，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊的電路結(jié)構(gòu)設(shè)置為功
率放大器通過(guò)一對(duì)背靠背二極管D1、 D2—路與電橋B1相連，另一路先通過(guò)一對(duì)背靠背二
極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋B2相連；在所述電橋B2的輸出回路中并
聯(lián)連接另一對(duì)背靠背二極管D5、 D6。
這個(gè)電路的功能是在不使用繼電器的情況下，自動(dòng)完成激勵(lì)接收模式的轉(zhuǎn)換。繼電器本
身具有固有的噪聲，當(dāng)繼電器斷開(kāi)和閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大幅度的脈沖噪聲，形成虛假信號(hào)，同
時(shí)它會(huì)損壞后續(xù)精密的接收設(shè)備。該電路利用電橋及二極管的組合實(shí)現(xiàn)類(lèi)似繼電器的閉合、
斷開(kāi)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊如圖6所示， 一個(gè)功率放大器通過(guò)一對(duì)背靠背的1N4004 二極管D1、 D2， 與電橋B1相連，這一回路在接收信號(hào)時(shí)起到隔離功率放大器的作用。1N4004 二極管對(duì)功率 放大器產(chǎn)生的噪聲是一種高阻抗，可減少大功率輸入信號(hào)噪聲對(duì)接收信號(hào)的干擾。當(dāng)來(lái)自于 功率放大器的輸入脈沖信號(hào)大于1.2Vp-p時(shí)，電橋Bl反向偏置，信號(hào)通過(guò)兩組二極管D3、 D4到達(dá)超聲波收發(fā)模塊即傳感器P2，產(chǎn)生超聲波信號(hào)，電橋B2反向偏置，只有極少的激勵(lì) 信號(hào)通過(guò)電橋B2到達(dá)下一級(jí)，緊接著的一組二極管D5、D6對(duì)漏過(guò)的激勵(lì)信號(hào)具有限流作用， 將到達(dá)后端的信號(hào)限制在一個(gè)可容忍的范圍內(nèi)。當(dāng)傳感器P2接收信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)比較微 弱，二極管D3、 D4成為高阻抗，電橋B2的偏置電阻選擇為2k，使電橋的阻抗很小，從而 使絕大多數(shù)的接收信號(hào)都能通過(guò)達(dá)到下一級(jí)。這樣超聲波激勵(lì)和接收的信號(hào)就被分隔開(kāi)來(lái)， 實(shí)現(xiàn)激勵(lì)接收模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的作用是在檢測(cè)過(guò)程中，同一組傳感器要完成信號(hào)激勵(lì)和接收的雙重任務(wù)，需 要轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊將激勵(lì)出的70V以上的高電壓信號(hào)和所接收到的500mV以下弱電壓信號(hào)區(qū)分 開(kāi)，將高電壓信號(hào)送給超聲波收發(fā)模塊，并將弱電壓信號(hào)傳送給增益放大模塊。
圖1所示的柱結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為33cm、直徑為15cm，鋁質(zhì)圓柱體，密度為2700kg/m3，縱波 波速為6320m/s。其內(nèi)含直徑是10mm，長(zhǎng)為10cm的孔。
1、 如圖3 (a)、圖3 (b)所示，將鋁質(zhì)柱結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)輸入函數(shù)發(fā)生器模塊輸入界 面中，函數(shù)發(fā)生模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)從自身儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇適合脈沖超聲波信號(hào)。在本實(shí)施 中，函數(shù)發(fā)生器模塊產(chǎn)生一個(gè)頻率為1.31MHz的單音頻正弦信號(hào)。經(jīng)功率放大模塊進(jìn)行電 流放大后其電壓峰值為200V，經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊施加于超聲波收發(fā)模塊上，在被測(cè)鋁質(zhì)柱結(jié) 構(gòu)中產(chǎn)生縱波；
2、 上述縱波在鋁質(zhì)柱結(jié)構(gòu)中遇到缺陷產(chǎn)生反射，超聲波收發(fā)模塊接收到縱波的回波信 號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊，并由增益放大模塊放大電流信號(hào)后，送入波形解析及顯示模塊；3、波形解析及顯示模塊通過(guò)分析反射回波信號(hào)，提取缺陷反射回波處的信號(hào)，并將此 回波波形顯示出來(lái)。三維缺陷形狀重構(gòu)模塊將波形解析及顯示模塊的回波信號(hào)導(dǎo)入相應(yīng)的計(jì) 算軟件，計(jì)算后顯示三維缺陷形狀，過(guò)程如圖5所示。
圖4為1.31MHz頻率下所接收的反射波形。第一次反射回波時(shí)間為0.00427ms，依此類(lèi) 推每隔10°沿同一截面激勵(lì)并接收一次，在縱向每隔3mm進(jìn)行上述操作，依次將相應(yīng)的反 射回波數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，最終重構(gòu)出缺陷的三維形狀，如圖2所示。
三維缺陷形狀重構(gòu)模塊的控制過(guò)程為
導(dǎo)入缺陷回波數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換；
逐一進(jìn)行數(shù)組的循環(huán)賦值，即二維數(shù)組的循環(huán)賦值過(guò)程；
對(duì)頻譜的幅值進(jìn)行處理；
其中對(duì)頻譜的幅值進(jìn)行處理的相應(yīng)公式如下
式中，￡<表示自由平面的反射系數(shù)；CK(/)和C^仿分別表示參考信號(hào)與測(cè)得的信號(hào) Fourier變換后的對(duì)應(yīng)值。
積分函數(shù)進(jìn)行離散化求解； 其中積分函數(shù)的表達(dá)式如下
式中，^表示散射角的度數(shù)；、表示縱波波數(shù)；LAJkL,7r/2,W表示散射幅值；"°表 示振幅。
在指定區(qū)域內(nèi)重構(gòu)缺陷形狀。
權(quán)利要求
1、利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征在其系統(tǒng)構(gòu)成中包括函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質(zhì)參數(shù)生成適用于檢測(cè)的具備設(shè)定中心頻率及周期的單音頻信號(hào)的模塊；超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測(cè)柱中發(fā)送超聲波信號(hào)；或以其作為超聲波接收單元，接收被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)；三維缺陷形狀重構(gòu)模塊，根據(jù)被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)，重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉(zhuǎn)換，其中工作模式1函數(shù)發(fā)生模塊發(fā)送的超聲波信號(hào)傳遞至超聲波收發(fā)模塊；工作模式2超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結(jié)構(gòu)中缺陷反射回波信號(hào)導(dǎo)入三維缺陷形狀重構(gòu)模塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是設(shè) 置超聲波收發(fā)模塊于被測(cè)柱結(jié)構(gòu)側(cè)面，在所述被測(cè)柱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，以 所述縱波在柱結(jié)構(gòu)中遇到缺陷產(chǎn)生的回波信號(hào)作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述超聲波收發(fā)模塊針對(duì)被測(cè)柱結(jié)構(gòu)表面的信號(hào)發(fā)射與接收的密度為沿同一截面上間隔10°,縱向間隔3mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述超聲波收發(fā)模塊為壓電換能器或單晶探頭。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊的電路結(jié)構(gòu)設(shè)置為功率放大器通過(guò)一對(duì)背靠背二極管D1、 D2—路與電橋B1 相連，另一路先通過(guò)一對(duì)背靠背二極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋B2相連； 在所述電橋B2的輸出回路中并聯(lián)連接另一對(duì)背靠背二極管D5、 D6。
全文摘要
利用超聲波重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成的特點(diǎn)是包括有函數(shù)發(fā)生模塊，輸入介質(zhì)參數(shù)生成適用于檢測(cè)的具備設(shè)定中心頻率及周期的單音頻信號(hào)的模塊；超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測(cè)柱中發(fā)送超聲波信號(hào)；或以其作為超聲波接收單元，接收被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)；三維缺陷形狀重構(gòu)模塊，根據(jù)被測(cè)柱中缺陷的反射回波信號(hào)，重構(gòu)柱結(jié)構(gòu)中三維缺陷形狀。本發(fā)明系統(tǒng)具有重構(gòu)準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單、重構(gòu)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B17/06GK101430197SQ200810244510
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者玲 李, 鄭禮全, 鄭鋼豐 申請(qǐng)人:鄭鋼豐