專利名稱：一種非接觸超聲波檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波振動檢測領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸超聲波檢測方法，通過在室內(nèi)條件下用非接觸方式產(chǎn)生和接收超聲波信號實現(xiàn)對振動的檢測。
背景技術(shù)：
地震物理模擬研究是指利用物理模型對地震及有關(guān)現(xiàn)象(特別是波動現(xiàn)象)進行研究，它是實驗地質(zhì)學(xué)的一個重要組成部分，又被稱為模型地質(zhì)學(xué)。模型地質(zhì)學(xué)研究中最普遍使用的方法是超聲波方法，因此常被稱為超聲地震模擬。超聲地震物理模型實驗通過超聲波在地質(zhì)模型中的傳播觀測對地震波在各種復(fù)雜地質(zhì)體中的傳播進行室內(nèi)模擬觀測，并根據(jù)觀測結(jié)果進行地震學(xué)研究。它解釋和解決了許多地球物理勘探中出現(xiàn)的實際問題，從而極大地推動了地震學(xué)理論的發(fā)展。

超聲波檢測也叫超聲探傷，是無損檢測的一種。無損檢測是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對被檢驗部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進行檢查的一種檢測手段。目前常用的超聲波檢測方法主要有兩種，接觸式測量和非接觸測量。①接觸式測量接觸式測量通常采用壓電式超聲波探頭或其他材料制成的探頭。這種探頭通常由壓電晶片或其他材料(如復(fù)合材料)組成，其結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝方便，收發(fā)可互換。圖I給出的是壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)對固體材料進行測量時，發(fā)射探頭和接收探頭緊貼被測物體表面。發(fā)射頭將電信號(一般為窄脈沖)轉(zhuǎn)換為超聲波信號；而接收頭則將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。②非接觸測量目前使用的非接觸測量通常由強脈沖激光源和激光測振儀組成。超聲波發(fā)射部分采用強脈沖激光源。當(dāng)對模型進行測試時，強脈沖激光源向模型某點(又稱為炮點)發(fā)射激光脈沖，該點受熱會發(fā)生熱膨脹或熔化，由此產(chǎn)生超聲波并向模型內(nèi)部傳送。超聲波接收部分采用激光測振儀，它可檢測被測物體表面的振動速度或位移?，F(xiàn)有的超聲波檢測方法在用于地質(zhì)模型檢測時存在一定的缺點和局限性。①壓電式超聲波探頭相對簡單，價格較低，但在進行地質(zhì)模型檢測時，使用壓電式探頭進行發(fā)射和接收時會產(chǎn)生一些問題。壓電式超聲波探頭在對固體地質(zhì)模型(尤其對復(fù)雜表面模型)進行檢測時，由于工藝方面的原因器件，檢測部分接觸面較大，當(dāng)對曲表面模型進行檢測時，探頭和模型表面耦合效果差，有時甚至無法耦合；由于現(xiàn)有超聲波探頭只能進行窄帶發(fā)射和接收，因此測量不能反映野外施工寬頻接收的實際情況。另外由于是接觸式測量，采用手動方式則測量效率低、精度差；當(dāng)通過機械方式移動時每次都要重復(fù)進行拔起和放置這個過程，而每次放置點探頭和模型間的接觸壓力很難做到一致，因此測量的重復(fù)性差，容易損壞探頭。目前往往一套固體地質(zhì)模型的完整測試需要幾個月時間，壓電式超聲波探頭遠遠不能滿足科研生產(chǎn)的需要。
②激光超聲波測量激光超聲波測量是一種非接觸超聲波測量方法。它可以有效地克服壓電式探頭存在的問題，但它也存在著一些問題。由于超聲波發(fā)射部分采用強脈沖激光源，當(dāng)強脈沖激光源照射非金屬材料時，瞬時產(chǎn)生的高溫會損壞被測點表面，使該點及附近地區(qū)被燒焦，并產(chǎn)生變形。該點的損壞，會影響下一次在該點的激發(fā)效果。而在進行物理模型檢測時，要求能在同一個發(fā)射點(我們稱之為炮點)上多次發(fā)射超聲波信號，這就意味著該點被強脈沖激光源多次照射，且要求每次照射前該點的狀態(tài)不會發(fā)生變化，即重復(fù)性好，而采用強脈沖激光源很難做到這一點。如果降低發(fā)射能量，則產(chǎn)生的超聲波發(fā)射能量不夠，信號無法到達模型深層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種非接觸超聲波檢測方法，能在實驗室內(nèi)真實模擬野外激發(fā)和實際數(shù)據(jù)采集過程，獲得高效、快速、準(zhǔn)確的 采集效果并得到高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種非接觸超聲波檢測方法，所述方法利用高壓脈沖或交變電壓激發(fā)出非接觸聚集型探頭的高頻振動，進而誘發(fā)聲波傳遞出去，并將所述聲波輻射能量進行聚焦，再將聚焦后的聲波發(fā)射到被測地質(zhì)模型的炮點上，在炮點產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型的內(nèi)部傳送，同時對被測地質(zhì)模型的檢測點進行檢測，獲得電壓信號，再將所述電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計算機進行處理。所述方法采用高壓脈沖發(fā)生器和非接觸聚焦型探頭作為發(fā)射裝置，所述高壓脈沖發(fā)生器向非接觸聚焦型探頭發(fā)出高壓驅(qū)動窄脈沖，所述非接觸聚焦型探頭則向被測地質(zhì)模型的炮點發(fā)射聚焦脈沖，在炮點處產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型內(nèi)部傳送。所述非接觸聚集型探頭包括基體和壓電陶瓷，所述基體為正面凹、背面凸的弧形結(jié)構(gòu)，有彈性；所述壓電陶瓷粘貼在弧形基體的背面，其極化方向沿基體的厚度方向，即基體的法向；當(dāng)基體的工作模態(tài)為彎曲振動時，基體的波峰處和波谷處的位移方向(即波峰或波谷處的法向)均指向同一個焦點；壓電陶瓷粘貼在基體的背面的波峰處或波谷處或同時粘貼在波峰處和波谷處；在波峰處的壓電陶瓷的極化方向與在波谷處的壓電陶瓷的極化方向是相反的。所述方法采用激光多普勒測振儀作為接收裝置；采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將激光多普勒測振儀輸出的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給計算機處理。所述方法采用兩套三維坐標(biāo)儀、伺服電機控制器和六軸定位儀控制器作為工作平臺；所述非接觸聚焦型探頭和激光多普勒測振儀的激光探頭通過機械夾具分別安裝在一套三維坐標(biāo)儀上；每套三維坐標(biāo)儀根據(jù)計算機的命令使非接觸聚焦型探頭頭或激光探頭在X、Y、Z方向上進行移動；所述伺服電機控制器控制伺服電機的運行，伺服電機控制三維坐標(biāo)儀的機械軸的運動；
所述六軸定位儀控制器接收計算機的命令并在譯碼后送給伺服電機控制器，并根據(jù)需要將位置信號送給計算機，同時六軸定位儀控制器根據(jù)實驗要求在到達檢測點后發(fā)出同步信號啟動非接觸聚焦型探頭的發(fā)射過程、激光多普勒測振儀和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是①在本方法中，用非接觸聚集型探頭模擬炸藥，激光測振儀的激光頭模擬地震檢波器，這樣利用本方法就能模擬野外勘探的完整采集過程；②本方法使用的發(fā)射裝置和接收裝置的發(fā)射點和接收點極小，發(fā)射聚焦點只有
O.2_，檢測符合模型和接觸點按野外檢波器比例縮小的原則，使模擬效果更加逼真；③本方法接收的結(jié)果為高精度數(shù)據(jù)，可檢測到的最小振動信號為O. 02微米。采集到的數(shù)據(jù)具有較寬的動態(tài)范圍，可以超過IOOdB ； ④本方法對不同大小和不同類型的地震模型，可以通過調(diào)整發(fā)射能量和接收動態(tài)范圍以取得最佳的采集效果；⑤由于采用非接觸式測量方法，在對固體曲面地震模型進行檢測時，能實現(xiàn)自動檢測和有很好的耦合效果，解決了接觸測量時檢測和發(fā)射器件對模型的影響；⑥與原來壓電探頭接觸式測量相比采集速度提高了十倍以上，極大地提高了采集生產(chǎn)的效率。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中的壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2-1是本發(fā)明方法所使用的非接觸聚焦型探頭的背面示意圖。圖2-2是本發(fā)明方法所使用的非接觸聚焦型探頭的正面示意圖。圖3是本發(fā)明方法所使用的壓電陶瓷激發(fā)探頭彎曲振動和聚焦聲波的原理示意圖。圖4是本發(fā)明方法的工作原理圖。圖5是本發(fā)明方法工作過程中的自動采集時序簡圖。圖中，1_1是超聲福射面，1-2是聲匹配層，1-3是壓電陶瓷，1-4是金屬盒體，1-5底座，1-6是屏蔽材料，1-7是引線端子；2-1是聞性能PZT, 2-2是福射端面，2-3是基體，2-4是聲波福射，2-5是極化方向。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述一種非接觸超聲波檢測方法，所述方法利用高壓脈沖或交變電壓激發(fā)出非接觸聚集型探頭的高頻振動，進而誘發(fā)聲波傳遞出去，并將所述聲波輻射能量進行聚焦，再將聚焦后的聲波發(fā)射到被測地質(zhì)模型的炮點上，在炮點產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型的內(nèi)部傳送，同時對被測地質(zhì)模型的檢測點進行檢測，獲得電壓信號，再將所述電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計算機進行處理。所述方法使用的非接觸聚焦型探頭設(shè)計為如圖2所示，圖2給出的是非接觸聚焦型探頭在不工作狀態(tài)下的整體圖，是正面凹，背面凸的結(jié)構(gòu)，所述弧形基體2-3有彈性，在基體2-3的背面(如圖2-1所示)粘貼有多塊壓電陶瓷(高性能PZT) 2-1，每塊壓電陶瓷2-1的極化方向均沿厚度方向，即弧形基體2-3的法向。當(dāng)對壓電陶瓷2-1施加沿極化方向的電場時，依靠壓電陶瓷2-1的d31效應(yīng)可首先在壓電陶瓷2-1內(nèi)以產(chǎn)生沿切向的位移響應(yīng)，從而使電能有效地轉(zhuǎn)換成機械能。由于壓電陶瓷2-1與彈性弧形基體2-3是膠結(jié)在一起的，由變形協(xié)調(diào)條件可知，二者在邊界處(陶瓷與基體粘貼的地方)將產(chǎn)生同樣的變形，壓電陶瓷2-1將拉動基體2-3 —起變形，會對基體2-3產(chǎn)生拉伸力由此產(chǎn)生機械應(yīng)力。如果對壓電陶瓷2-1施加特定的信號(交變或脈沖)，就可以使壓電陶瓷2-1因逆壓電效應(yīng)發(fā)生位移，帶動與壓電陶瓷2-1粘接在一起的基體2-3發(fā)生變形，激發(fā)出基體2-3的高頻振動，如圖3所示，圖3給出的是非接觸聚焦型探頭在工作狀態(tài)中具有多個波峰波谷的示意圖。設(shè)計基體的準(zhǔn)則是，選定彎曲振動作為工作模態(tài)，其波峰和波谷處的位移方向均指向同一焦點(在沒有粘貼壓電陶瓷前，可以通過有限元分析和設(shè)計，使之滿足要求)。為增大輸出功率，壓電陶瓷可同時粘貼在波峰處或波谷處或同時粘貼在波峰處和波谷處。只貼在波谷處或只貼在波峰處，也能激發(fā)所需要的振動形式，但若只貼在波峰或波谷處，壓電單元過少，可能會使得輻射能量不夠而影響效果，因為畢竟是通過壓電單元來實現(xiàn)最終的聲輻射能量輸出的。特別需要注意的是，在波峰或波谷處壓電陶瓷的變形方向是始終相反的，這可通過在波峰和波谷處粘貼的壓電陶瓷的極化方向2-5相反來保證，如圖3所示。工 作時，對所有的壓電陶瓷施加交變的激勵信號，且交變電場的頻率與基體的振動模態(tài)頻率一致。由于分布于波峰和波谷處的極化方向2-5是相反的，其變形也是反向的，就可激發(fā)出工作模態(tài)了。弧形基體上每一個波峰或波谷處產(chǎn)生位移響應(yīng)均可誘發(fā)聲波傳遞出去。由于探頭基體振動的波峰和波谷處位移方向均指向同一焦點，高頻振動誘發(fā)的聲波輻射2-4的能量將會在焦點達到最大，即能夠?qū)崿F(xiàn)一定距離上的聲波能量聚焦。依靠d31效應(yīng)的這種方法的優(yōu)點在于，因為不會有反射波的干擾，因此不需要有背襯的設(shè)計，結(jié)構(gòu)上比較簡單。具體的設(shè)計關(guān)鍵在于弧形基體的具體構(gòu)形參數(shù)，具體構(gòu)形參數(shù)是根據(jù)如下原則來確定(1)波峰和波谷處位移指向一點，即聚焦；(2)獲得盡量大的振幅輸出。壓電陶瓷的布置和數(shù)量(可根據(jù)所需功率來增加數(shù)量)，輻射面2_2(指基體的正面，即沒有壓電陶瓷的那個面)的表面設(shè)有匹配層，所述匹配層的材料設(shè)計和選擇要保證產(chǎn)生滿足要求的足夠能量的聲波。對于匹配層的選擇主要考慮到聲阻抗匹配、衰減小等，以及能否滿足加工要求，如某些材料就很脆，導(dǎo)致很難加工成所需要的具有平行且光滑的表面。本發(fā)明中，匹配層可選材料集中在多微孔材料，因此一般可選擇如氣凝膠，多孔高纖維復(fù)合材料，多孔聚合材料。所述方法使用的發(fā)射裝置包括高壓脈沖發(fā)生器和非接觸聚焦型探頭。當(dāng)對被測地質(zhì)模型進行測試時，機械裝置(指安裝激光頭或發(fā)射探頭的機械夾具由機械螺桿帶動移動)到達檢測點后發(fā)出的同步信號啟動高壓脈沖發(fā)生器向非接觸聚焦型探頭發(fā)出高壓驅(qū)動窄脈沖，而該非接觸聚焦型探頭則向被測地質(zhì)模型的某點(又稱為炮點)發(fā)射聚焦脈沖，在該點(指炮點處)產(chǎn)生超聲波(非接觸聚焦型探頭將脈沖電壓信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號發(fā)出)并向模型內(nèi)部傳送。在此過程中，發(fā)射點介質(zhì)不會受到損壞，因此屬于無損檢測。由于非接觸聚焦型探頭是非接觸發(fā)射源，在移動位置時，發(fā)射頭沒有提放過程，其生產(chǎn)效率較高；并且非接觸聚焦型探頭在模型上的焦點可通過聚焦小到O. 2mm(是指炮點直徑大小或指超聲波發(fā)射到模型表面時那一點的直徑，這跟光聚焦本質(zhì)上是一樣的)，符合野外震源按比例縮小的要求。所述方法使用的接收裝置包括激光多普勒測振儀。其特點是測量精度高、頻帶寬.檢測過程沒有提放，其生產(chǎn)效率較高；并且激光源在模型上的檢測點可通過聚焦小到幾十微米，符合野外震源按比例縮小的要求。激光多普勒測振儀將振動速度信號或位移信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。所述方法采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將激光多普勒測振儀輸出的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給計算機處理，所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用24位20M模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述方法使用的工作平臺包括兩套三維坐標(biāo)儀、伺服電機控制器和六軸定位儀控制器，就是說共有六個伺服電機分別控制XI、X2、Yl、Y2、Zl、Z2方向上的運行，伺服電機控制器控制伺服電機的運行，而六軸定位儀控制器則一方面可以接收計算機的命令并在譯碼后送給伺服電機控制器，另一方面可以根據(jù)需要將激光頭和發(fā)射探頭的位置信號發(fā)送給計算機。非接觸聚焦型探頭和激光多普勒測振儀的激光探頭通過機械夾具分別安裝在一套三維坐標(biāo)儀上。每套三維坐標(biāo)儀都可以根據(jù)計算機發(fā)來的命令使激光頭或探頭在X、Y、Z方向 上自由移動，這樣可以很方便將探頭和激光頭分別移到預(yù)定的炮點和檢測點。同時六軸定位儀控制器可根據(jù)實驗要求在激光頭到達檢測點后發(fā)出同步信號啟動非接觸聚焦型探頭的發(fā)射過程、激光多普勒測振儀和A/D轉(zhuǎn)換器的采集過程，如圖5所示。如圖4所示，所述方法的工作過程如下計算機對六軸定位儀控制器進行控制，六軸定位儀控制器控制伺服電機控制器，伺服電機控制器控制伺服電機，進而控制機械軸的移動，當(dāng)非接觸聚焦型探頭和激光探頭到達預(yù)定位置后，六軸定位儀控制器發(fā)出同步信號啟動非接觸聚焦型探頭的發(fā)射過程、激光多普勒測振儀和A/D轉(zhuǎn)換器的采集過程；此時，高壓脈沖發(fā)生器向非接觸聚焦型探頭發(fā)出高壓驅(qū)動窄脈沖，而該非接觸聚焦型探頭則向被測地質(zhì)模型的炮點發(fā)射聚焦脈沖，在該點產(chǎn)生超聲波并向模型內(nèi)部傳送，被測地質(zhì)模型的振動速度信號或位移信號由激光多普勒測振儀的激光頭檢測出，經(jīng)過激光多普勒測振儀的控制器及編碼器的處理，然后經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器的處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后將此數(shù)字信號傳輸給計算機進行處理。在工作過程中，計算機對六軸定位儀控制器和高速A/D轉(zhuǎn)換器進行控制，并接收兩者傳來的數(shù)據(jù)。本方法所使用的發(fā)射裝置具有發(fā)射點小、寬帶、非接觸、點發(fā)射和重復(fù)性好等特點；接收裝置具有體積小、寬帶接收、非接觸點測量、靈敏度高、重復(fù)性好和測量范圍寬等特點。上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1.一種非接觸超聲波檢測方法，其特征在于所述方法利用高壓脈沖或交變電壓激發(fā)出非接觸聚集型探頭的高頻振動，進而誘發(fā)聲波傳遞出去，并將所述聲波的輻射能量進行聚焦，再將聚焦后的聲波發(fā)射到被測地質(zhì)模型的炮點上，在炮點產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型的內(nèi)部傳送，同時對被測地質(zhì)模型的檢測點進行檢測，獲得電壓信號，再將所述電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計算機進行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸超聲波檢測方法，其特征在于所述方法采用高壓脈沖發(fā)生器和非接觸聚焦型探頭作為發(fā)射裝置，所述高壓脈沖發(fā)生器向非接觸聚焦型探頭發(fā)出高壓驅(qū)動窄脈沖，所述非接觸聚焦型探頭則向被測地質(zhì)模型的炮點發(fā)射聚焦脈沖，在炮點處產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型內(nèi)部傳送。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的非接觸超聲波檢測方法，其特征在于所述非接觸聚集型探頭包括基體和壓電陶瓷，所述基體為正面凹、背面凸的弧形結(jié)構(gòu)，有彈性；所述壓電陶瓷粘貼在弧形基體的背面，其極化方向沿基體的厚度方向，即基體的法向； 當(dāng)基體的工作模態(tài)為彎曲振動時，基體的波峰處和波谷處的位移方向均指向同一個焦點 ；壓電陶瓷粘貼在基體的背面的波峰處或波谷處或同時粘貼在波峰處和波谷處；在波峰處的壓電陶瓷的極化方向與在波谷處的壓電陶瓷的極化方向是相反的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸超聲波檢測方法，其特征在于所述方法采用激光多普勒測振儀作為接收裝置；采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將激光多普勒測振儀輸出的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給計算機處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸超聲波檢測方法，其特征在于所述方法采用兩套三維坐標(biāo)儀、伺服電機控制器和六軸定位儀控制器作為工作平臺； 所述非接觸聚焦型探頭和激光多普勒測振儀的激光探頭通過機械夾具分別安裝在一套三維坐標(biāo)儀上；每套三維坐標(biāo)儀根據(jù)計算機的命令使非接觸聚焦型探頭頭或激光探頭在X、Y、Z方向上進行移動； 所述伺服電機控制器控制伺服電機的運行，伺服電機控制三維坐標(biāo)儀的機械軸的運動； 所述六軸定位儀控制器接收計算機的命令并在譯碼后送給伺服電機控制器，并根據(jù)需要將位置信號送給計算機，同時六軸定位儀控制器根據(jù)實驗要求在到達檢測點后發(fā)出同步信號啟動非接觸聚焦型探頭的發(fā)射過程、激光多普勒測振儀和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集過程。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種非接觸超聲波檢測方法，屬于超聲波振動檢測領(lǐng)域。所述方法利用高壓脈沖或交變電壓激發(fā)出非接觸聚集型探頭的高頻振動，進而誘發(fā)聲波傳遞出去，并將所述聲波輻射能量進行聚焦，再將聚焦后的聲波發(fā)射到被測地質(zhì)模型的炮點上，在炮點產(chǎn)生超聲波并向被測地質(zhì)模型的內(nèi)部傳送，同時對被測地質(zhì)模型的檢測點進行檢測，獲得電壓信號，再將所述電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計算機進行處理。利用本發(fā)明解決了多種常規(guī)地質(zhì)模型模擬方法存在的問題，能對復(fù)雜表面模型進行大規(guī)模多點非接觸式超聲波檢測，滿足了現(xiàn)代地球物理勘探精細模擬的特殊需要。
文檔編號G01V1/00GK102819035SQ20111015372
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者宗遐齡, 陳超, 馬中高, 黃德娟, 王輝明 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院