CN104297346A - 超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声平板导波的金属板材无损检测***，该***的超声收发设备与编码器和传感器相连接，编码器和传感器与控制器相连，传感器以机油作为耦合剂耦合在待检钢板上；所述***的电信号传输过程为：由计算机输入激发参数控制超声收发设备向传感器施加激励信号，同时编码器采集到的位置信息和传感器采集的回波声信号通过超声收发设备传输到计算机上。同时提供一种超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法。本发明的效果是该***利用超声Lamb波传播距离远，检测范围大，仅从一个探测点即可实现对板件的大面积长距离检测的特点，可进行检测数据的连续采集，实现金属板材结构的大面积快速有效检测。超声Lamb波检测过程灵活便捷，做到定量评定，检测效率高，易于实现自动化。

Description

超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法

技术领域

本发明涉及金属薄板无损检测技术领域，特别是涉及一种超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法。

背景技术

金属薄板结构作为一种常见的结构形式，在石油工业、船舶工业等领域都有十分广泛的应用。金属薄板结构在长期的服役过程中受使用环境等因素的作用，会出现不同程度的结构损伤。因此对这类结构的安全检测不仅有助于预防安全事故的发生，也可以避免不必要的经济损失。

目前，金属板材结构的无损检测方法主要有：漏磁检测、超声C扫描、渗透以及声发射检测等。其中，漏磁检测和超声C扫描检测方法虽然应用相对较为广泛，但其缺点在于检测过程费时费力，检测效率低；声发射检测通常需要较为复杂的外部条件，且易于受到噪音信号的干扰，信号分析困难。

近年来，尽管在超声Lamb波检测技术应用方面已有一些相关研究，但还存在许多应用问题有待解决。在已有的与超声Lamb波检测技术相关的应用研究中，一方面，绝大多数探伤方法均采用粘贴式或嵌入式传感器来激励Lamb波，由于传感器位置固定，不能实现检测数据的连续采集，检测过程不够灵活、机动性差。另一方面，大部分的Lamb波探伤方法为最大限度的降低频散程度均采用单一模态进行探伤，但由于不同模态Lamb波对不同深度的缺陷的检测灵敏度不同，因此采用单一模态Lamb波进行探伤极易造成缺陷漏检。专利《一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法》公开号：103792287A，所述方法采用在待测结构的待测点处设置Lamb波激励装置，利用带宽范围小于A1模态截止频率的窄带信号激励出单一A0模态Lamb波，并通过对各待测点采集到的结构响应信号进行处理获取损伤图像，进而对损伤进行位置点位和评估。尽管这一方法可以实现板结构的大面积检测，但其缺点在于检测精度受待测点选取影响，并且采用单一A0模态Lamb波进行检测，易于造成缺陷漏检现象。该专利《一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法》的方法则是采用在板的上下表面对称设置两对压电元件构成激励/传感阵列的方法，通过加载在传感阵列上的窄波激励信号激励出Lamb波，并将传感器接收到的响应信号转换成定义的四种中间信号，然后提取转换模态，根据转换模态能量进行损伤识别检测。其所述检测方法存在两方面缺点，一是Lamb波与缺陷相互作用产生的模态转换是十分复杂的，转换模态不易准确提取和分析；二是传感器位置固定，对于只能在板的单侧放置传感器的情况这一方法不适用，检测过程不灵活，机动性差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明一种超声平板导波的金属板材无损检测***，其中：该***包括有计算机、超声收发设备、编码器、传感器、电动扫查器、控制器，所述计算机连接超声收发设备，所述超声收发设备与编码器和传感器相连接，编码器和传感器与控制器相连，传感器以机油作为耦合剂耦合在待检钢板上；所述***的电信号传输过程为：由计算机输入激发参数控制超声收发设备向传感器施加激励信号，同时编码器采集到的位置信息和传感器采集的回波声信号通过超声收发设备传输到计算机上。

同时提供一种超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法。

本发明的效果是：

1.本发明利用超声Lamb波传播距离远，检测范围大，检测时无需对整个板材表面进行扫描，仅从一个探测点即可实现对板件的大面积长距离检测的特点，配合自动扫查装置可进行检测数据的连续采集，实现金属板材结构的大面积快速有效检测。相对于常规超声检测方法，超声Lamb波检测过程灵活便捷，检测效率高，易于实现自动化。

2.本发明采用压电式可变角度超声探头，通过调节入射角大小激励出不同模式Lamb波进行金属薄板结构的检测。相对于其他激励方法，这种方法操作简单且对Lamb激发模态的可控性较高。此外，由于不同模态Lamb波对不同深度缺陷的检测灵敏度不同，因此与绝大多数采用单一模态Lamb波检测的方法相比，通过波结构分析选用至少两个适合检测的模态进行检测，可有效避免因模态单一而造成漏检的现象。

3.本发明结合常规超声脉冲反射法等单点超声检测技术，对缺陷损伤的大小、形状等进行评估，评价结果更加精确和可靠。由于超声Lamb波反射波高与缺陷迎波面形态有关，而与缺陷面积大小无关，因此无法通过反射波高来确定缺陷的大小，即超声Lamb波只能对缺陷进行定性检测，不能做到定量评定。本发明通过把超声平板导波检测与常规超声脉冲反射法相结合，实现了对金属板材缺陷快速检测和精确评定。

附图说明

图1为本发明的检测***示意图；

图2(a)为检测示意图，所示方向A为扫查方向，方向B为检测方向；

图2(b)为阶梯平底孔示意图；D1、D2、D3分别为各阶梯直径，h为阶梯深度；

图3(a)为板厚为6.8mm的对比试板相速度频散曲线，其中A0、A1、A2和A3分别表示反对称型Lamb波的四种不同模态，S0、S1、S2和S3则表示对称型Lamb波的三四不同模态；

图3(b)为板厚为6.8mm的对比试板群速度频散曲线，其中A0、A1、A2和A3分别表示反对称型Lamb波的四种不同模态，S0、S1、S2和S3则表示对称型Lamb波的三四不同模态；

图4(a1)为频厚积为6.8MHz·mm时，S0模态的振动位移归一化分布图，图中Ux为离面位移，Uz为面内位移；

图4(a2)为频厚积为6.8MHz·mm时，A1模态的振动位移归一化分布图，图中Ux为离面位移，Uz为面内位移；

图4(b1)为频厚积为6.8MHz·mm时，S0模态的能流密度归一化分布图；

图4(b2)为频厚积为6.8MHz·mm时，A1模态的能流密度归一化分布图；

图5(a)为传感器位于试板位置①时，S0模态Lamb波对1号阶梯平底孔的检测结果，图中所示回波信号M为缺陷反射信号，回波信号L为板端边界反射信号；

图5(b)为传感器位于试板位置①时，A1模态Lamb波对1号阶梯平底孔的检测结果,图中所示回波信号L为板端边界反射信号；

图中：

1、计算机  2、超声收发设备  3、编码器  4、传感器

5、电动扫查器  6、控制器  7、待测钢板

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的超声平板导波的金属板材无损检测***及其检测方法作进一步的说明。

如图1所示，本发明检测***包括：计算机1、超声收发设备2、编码器3、传感器4、电动扫查器5、控制器6和待测钢板7。计算机1连接超声收发设备2并通过超声成像软件控制其Lamb波的激发和接收，超声收发设备2与编码器3和传感器4相连接，编码器3和传感器4安装于电动扫查器5上，传感器4用机油作为耦合剂耦合在待测钢板7上，扫查器5与控制器6相连并由其控制行走速。其中，超声收发设备2型号是CTS-8077PR，编码器3为旋转式编码器，型号是J300*1-38，电动扫查器)型号是MS-08，传感器中心频率为1MHz。检测度***的电信号传输过程为：由计算机1输入激发参数控制超声收发设备2向传感器4施加激励信号，同时编码器3采集到的位置信息和传感器4采集的回波声信号通过超声收发设备2传输到计算机1上。

实施例采用与待检金属板结构材质相同的对比试板即图1中待检钢板7，检测示意图如图2(a)所示方向A为扫查方向，方向B为检测方向。对比试板长轴中心线上分别加工出深度为板厚的17％、34％、51％、68％的四个阶梯平底孔，其中深度为17％和68％的阶梯平底孔距邻近板端的距离为325mm，四个阶梯平底孔间距为200mm。阶梯平底孔分布如图2(a)所示，其形状如图2(b)所示，对比试板和阶梯平底孔尺寸如下表：

所使用钢板的材料性能如下表：

本发明利用所述超声平板导波的金属板材无损检测***，通过改变传感器4的入射角大小，激励出不同模态的Lamb波对金属板结构的缺陷损伤进行定位检测，并结合常规超声脉冲反射法等单点超声检测技术对损伤区域进行详细评估，实现金属薄板结构缺陷损伤的快速定位和详细评估，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据待检钢板7的厚度、材质与弹性模量等参数，依据Lamb波频散方程绘制Lamb波相速度频散曲线和群速度频散曲线。再通过Lamb波频散分析和波结构分析从曲线图上选择至少两种适合检测的Lamb波激励模态。图3(a)和图3(b)分别给出了板厚为6.8mm的对比试板的Lamb波相速度频散曲线与群速度频散曲线，其中A0、A1、A2和A3分别表示反对称型Lamb波的四种不同模态，S0、S1、S2和S3则表示对称型Lamb波的三四不同模态。从相速度和群速度频散曲线图上可以看出，S0和A1模态在频厚积为6.8MHz·mm附近的变化相对平缓，即当频厚积为6.8MHz·mm时，S0和A1模态的Lamb波频散程度相对较小。图4(a1)和图4(a2)所示分别为频厚积为6.8MHz·mm时，S0和A1模态Lamb波沿板厚方向上的归一化振动位移分布形态，图4(b1)和图4(b2)所示分别为频厚积为6.8MHz·mm时，S0和A1模态Lamb波沿板厚方向上的归一化能流密度分布形态。由图4(a1)和图4(b1)可以看出S0模态Lamb波振动位移和能流密度主要分布于板的近表面处且两者均在近表面处达到最大，而图4(a2)和图4(b2)则表明A1模态Lamb波的振动位移和能流密度沿板厚中心对称分布且在板厚的中心位置达到最大。振动位移和能流密度分析表明：S0模态Lamb波适合表面缺陷的检测，利于提高表面缺陷的检测灵敏度，而A1模态Lamb波适合检测内部缺陷利于提高内部缺陷的检测灵敏度。因此，实施例中选取S0和A1模态作为激励模态，工作频率为1MHz。

步骤二：通过Lamb波相速度频散曲线读取频率为1MHz时所选模态的对应相速度(或由Lamb波频散方程计算得出)，并计算出各模态所对应的入射角α。入射角α大小可通过如下公式计算：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{C_1}{C_p}$

其中，C_l为楔块中的纵波波速(取值：C_l＝2330m/s)；C_p为所选模态Lamb波的相速度。

频厚积为6.8MHz·mm时S0和A1模态所对应的相速度与激发入射角经计算如下表所示：

模态	相速度Cp(m/s)	入射角α(°)
			S0	3005.43	50.83
A1	3547.11	41.06

步骤三：在待检钢板7上确定检测基点即检测的起始位置，如图2(a)所示，方向A为扫查方向，方向B为检测方向。调节传感器4的入射角为S0模态Lamb波对应激励角度50.8°，将传感器4用机油耦合在待检钢板7上，同时校准编码器3。选择与采样频率相匹配的扫查速度，设定扫查范围。由计算机1通过超声成像软件控制超声收发设备2进行Lamb波的激发与接收，并通过控制器6控制扫查器5以一定的的扫查速度沿方向A扫查，并由计算机1上的超声成像软件进行连续的数据采集和存储。实施例中传感器3紧靠待检钢板7的下边缘，声波入射点距离缺陷中心211mm，基本检测参数如下表所示：

步骤四：在采用S0模态Lamb波完成整个板面的扫查后，将扫查器5移回基点位置，调节传感器4入射角为A1模态所对应的41.06°。然后以与步骤三相同的采样频率和扫查参数，按照步骤三的扫查方法再次对试板进行扫查，并采集检测数据。

步骤五：根据采集到的检测数据对待检钢板7上的缺陷的位置进行定位，并在板上标记缺陷的位置，只需标记缺陷平面位置，无需标明相应模态。然后采用常规超声脉冲反射法对所标记的缺陷区域进行局部检测。根据待检钢板7的板厚选择频率为2.5MHz的纵波直探头，经过检测灵敏度调整后采用常规超声检测方法对所标记的缺陷区域进行局部扫查。通过找到缺陷最大反射波位置确定缺陷的平面位置，并根据缺陷波声程计算出缺陷埋藏深度，再利用回波高度法确定缺陷的尺寸大小，对缺陷损伤进行详细评估。

图5(a)和图5(b)所示为传感器4位于待检钢板7位置①如图2(a)中所示位置时，分别采用S0和A1模态Lamb波进行检测的检测结果，图中回波信号M为缺陷反射信号，回波信号L为板端边界反射信号。从图中可以看出，对于深度为板厚的17％的阶梯平底孔，采用S0模态Lamb波检测时，检测成像图中出现缺陷反射信号，而采用A1模态Lamb波检测时，未出现缺陷反射信号。这表明，A1模态Lamb波对于表面缺陷的检测灵敏度较低，若采用单一A1模态Lamb波进行检测，必定会造成缺陷漏检。因此，为避免检测过程中出现缺陷漏检情况，应至少采用两种或两种以上的模态进行检测。通过采用S0和A1两种模态Lamb波进行缺陷定位检测，结合常规超声脉冲反射法对通过Lamb波检测发现的缺陷区域进行局部检测评估，使得检测结果更加精确和可靠。

Claims (3)

1.一种超声平板导波的金属板材无损检测***，其特征是：该***包括有计算机(1)、超声收发设备(2)、编码器(3)、传感器(4)、电动扫查器(5)、控制器(6)，所述计算机(1)连接超声收发设备(2)，所述超声收发设备(2)与编码器(3)和传感器(4)相连接，编码器(3)和传感器(4)安装于扫查器(5)上，扫查器(5)与控制器(6)相连，传感器(4)以机油作为耦合剂耦合在待检钢板(7)上；所述***的电信号传输过程为：由计算机(1)输入激发参数控制超声收发设备(2)向传感器(4)施加激励信号，同时编码器(3)采集到的位置信息和传感器(4)采集的回波声信号通过超声收发设备(2)传输到计算机(1)上。

2.根据权利要求1所述超声平板导波的金属板材无损检测***，其特征是：所述超声收发设备(2)型号是CTS-8077PR，所述编码器(3)为旋转式编码器，型号是J300*1-38，所述电动扫查器(5)型号是MS-08，所述传感器中心频率为1MHz。

3.一种利用权利要求1所述超声平板导波的金属板材无损检测***的检测方法，该方法利用所述超声平板导波的金属板材无损检测***，通过改变传感器(4)的入射角大小，激励出不同模态的Lamb波对金属板结构的缺陷损伤进行定位检测，并结合常规超声脉冲反射法等单点超声检测技术对损伤区域进行详细评估，实现金属薄板结构缺陷损伤的快速定位和详细评估，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据待检钢板(7)的厚度、材质与弹性模量参数，依据Lamb波频散方程绘制Lamb波相速度频散曲线和群速度频散曲线，从曲线图上选择至少两种适合检测的Lamb波激励模态；

步骤二：通过Lamb波相速度频散曲线读取或由频散方程计算出所选模态的相速度，并计算出各模态所对应的入射角α，入射角α大小可通过如下公式计算：其中，C_l为楔块中的纵波波速；C_p为所选模态Lamb波的相速度；

步骤三：从步骤一所确定的适合检测的Lamb波激励模态中选择一种模态，调节传感器(4)的入射角为相应激发模态的入射角度，同时校准编码器(3)并将其安装在扫查器(5)上。由计算机(1)输入激发参数通过软件控制超声收发设备(2)的激发与接收。选择合适的与采样频率相匹配的扫查速度，将传感器(4)用机油作为耦合剂耦合在钢板(7)上。通过控制器(6)控制扫查器(5)进行扫查并由计算机(1)上的超声成像软件进行连续的数据采集和存储；

步骤四：从步骤一所确定的适合检测的Lamb波激励模态中另选一种不同于步骤三中所使用的模态，重复步骤三进行检测数据的采集与存储；

步骤五：根据采集到的检测数据对金属板材结构的缺陷损伤的位置进行定位，并在金属板材上标记缺陷损伤的位置，只需标记缺陷损伤出现的位置，无需标明相应模态，然后采用常规超声脉冲反射法对所标记的缺陷区域进行局部检测，即根据待检钢板(7)的板厚选择一频率在1～10MHz范围内的纵波直探头，经过检测灵敏度调整后按常规超声检测方法，对所标记的缺陷区域进行局部扫查，找到缺陷最大反射波位置确定缺陷所处平面位置，并根据缺陷波声程计算出缺陷埋藏深度，再利用回波高度法确定缺陷的尺寸大小，对缺陷损伤进行详细评估。