CN113176334A - 超声波无损检测***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波无损检测***和方法，超声波无损检测***包括射频收发装置，射频收发装置连接示波器，以用于产生射频信号并将来自滤波装置的新的反馈信号传递给示波器；滤波装置，滤波装置连接射频收发装置，以用于过滤来自射频收发装置的信号，并将信号传递给自发自收装置，滤波装置还用于过滤检测完待测试件后的反馈信号，并将反馈信号过滤后生成新的反馈信号传递给射频收发装置；自发自收装置，自发自收装置连接滤波装置和超声换能器，并且，自发自收装置用于隔离激励信号和新的反馈信号；超声换能器，超声换能器用于检测待测试件后，获取反馈信号，并将反馈信号将反馈给自发自收装置。

Description

超声波无损检测***和方法
技术领域
本发明涉及工业检测技术领域，具体涉及一种超声波无损检测***和方法。
背景技术
超声波无损检测技术因其对被测物体无损伤，自问世以来，在工业检测领域受到广泛关注和应用。现有的超声波无损检测技术主要是利用谐波法或混频技术对样品材料损伤进行评估。但是，谐波法或混频技术获得的谐波或和差频信号很难直观地被观测到，并且，随着传播距离衰减，导致测量条件极大地受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波无损检测***和方法，以解决现有的利用谐波法或混频技术导致的测量数据难获取的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种超声波无损检测***，所述超声波无损检测***包括射频收发装置，所述射频收发装置的输出端连接示波器的输入端，以用于产生射频信号并将来自滤波装置的新的反馈信号传递给所述示波器；滤波装置，所述滤波装置连接所述射频收发装置，以用于过滤来自所述射频收发装置的信号，并将过滤后生成的检测信号传递给自发自收装置，以及用于过滤来自所述自收自发装置的反馈信号，并将所述反馈信号过滤后生成的所述新的反馈信号传递给所述射频收发装置；自发自收装置，所述自发自收装置连接所述滤波装置和超声换能器，并且，所述自发自收装置用于隔离激励信号和新的反馈信号；超声换能器，所述超声换能器用于检测所述待测试件后，获取所述反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述自发自收装置。
可选择地，所述滤波装置包括高通滤波器，所述高通滤波器用于过滤低频信号以生成检测信号，并且所述高通滤波器的输入端连接所述射频收发装置，其输出端连接所述双工器，所述射频信号通过所述高通滤波器的输入端进入所述高通滤波器，滤波后生成的所述检测信号通过其输出端传输至所述双工器。
可选择地，所述滤波装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于过滤高频信号以生成新的反馈信号，并且所述低通滤波器的输入端连接所述双工器，其输出端连接所述射频收发装置，所述反馈信号通过所述低通滤波器的输入端进入所述低通滤波器，滤波后生成的所述新的反馈信号通过其输出端传输至所述射频收发装置。
可选择地，所述自发自收装置包括双工器，所述双工器用于隔离所述检测信号和所述新的反馈信号，所述双工器包括检测信号输入端、检测信号输出端、反馈信号输入端和反馈信号输出端，所述检测信号输入端连接所述高通滤波器的输出端，所述反馈信号输出端连接所述低通滤波器的输入端，所述检测信号输出端和所述反馈信号输入端均与所述超声换能器连接。
可选择地，所述超声波无损检测***还包括计算机，所述计算机连接所述射频收发装置，以用于给所述射频收发装置下发超声波产生指令以及存储所述新的反馈信号。
基于上述技术方案，本发明还提供一种超声波无损检测方法，所述超声波无损检测方法基于上述的超声波无损检测***，所述超声波无损检测方法包括以下检测步骤：
S1：通过所述射频收发装置产生射频信号；
S2：将所述射频信号传输至高通滤波器进行滤波，过滤所述射频信号的低频信号，同时保留所述射频信号的高频信号以生成检测信号；
S3：将所述检测信号经由双工器传输至所述超声换能器；
S4：在所述待测试件上涂抹超声耦合剂，通过所述超声换能器与所述超声耦合剂耦合以对所述待测试件进行无损检测，并生成反馈信号。
可选择地，所述超声波无损检测方法还包括以下信号反馈步骤：
S5：将所述反馈信号经由双工器传输至低通滤波器进行滤波，过滤所述反馈信号的高频信号，同时保留所述反馈信号的低频信号以生成所述新的反馈信号；
S6：将所述新的反馈信号传输至所述射频收发装置；
S7：通过所述射频收发装置对所述新的反馈信号中的静态分量进行提取，并将所述静态分量传输至所述示波器和计算机；
S8：通过所述示波器展示所述静态分量的幅值变化，并通过所述计算机存储所述静态分量数据并对其进行处理。
本发明具有以下有益效果：
1、滤波装置的存在，能够确保仅有待测试件所需的信号频率进入待测试件，同时能够对反馈给射频收发装置的新的反馈信号进行滤波处理；
2、在新的反馈信号进入射频收发装置后，超声波收发装置从新的反馈信号中获取静态分量，基于在不同疲劳程度的样品中静态分量的幅值不同，评估待测试件的不同损伤程度。
3、而自发自收装置的存在，能够确保在检测过程中，只有激励射频信号传递给超声换能器，而在反馈过程中，只有反馈信号传递给滤波装置，从而实现隔离激励信号和反馈信号的目的；
4、超声换能器主要用于将射频收发装置产生的射频信号再传递出去，通过与涂抹在待测试件上的超声波耦合剂相配合，以确保射频信号最大程度进入待测试件，从而获取反馈信号。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的超声波无损检测***的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的超声波无损检测方法检测过程的示意图；
图3为本发明实施例所提供的超声波无损检测方法的反馈过程示意图。
附图标记说明
1-SNAP 5000***；2-高通滤波器；3-低通滤波器；4-双工器；5-超声换能器；6-待测试件；7-示波器；8-计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种超声波无损检测***，参考图1所示，所述超声波无损检测***包括射频收发装置，所述射频收发装置的输出端连接示波器7的输入端，以用于产生射频信号并将来自滤波装置的新的反馈信号传递给所述示波器7；滤波装置，射频收发装置，以用于过滤来自所述射频收发装置的信号，并将过滤后生成的检测信号传递给自发自收装置，以及用于过滤来自所述自收自发装置的反馈信号，并将所述反馈信号过滤后生成的所述新的反馈信号传递给所述射频收发装置；自发自收装置，所述自发自收装置连接所述滤波装置和超声换能器5，并且，所述自发自收装置用于隔离激励信号和新的反馈信号；超声换能器5，所述超声换能器5用于检测所述待测试件6后，获取所述反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述自发自收装置。
本发明具有以下有益效果：
通过上述技术方案，即通过本发明实施例所提供的超声波无损检测***，滤波装置的存在，能够确保仅有待测试件6所需的信号频率进入待测试件6，同时能够对反馈给射频收发装置的新的反馈信号进行滤波处理，在新的反馈信号进入射频收发装置后，超声波手法装置从新的反馈信号中提取静态分量，基于在不同疲劳程度的样品中静态分量的幅值不同，评估待测试件6的不同损伤程度。而自发自收装置的存在，能够确保在检测过程中，只有射频信号传递给超声换能器5，而在反馈过程中，只有反馈信号传递给滤波装置，从而实现隔离激励信号和反馈的目的；超声换能器5主要用于将射频收发装置产生的较宽频率的信号输出为较窄频段的信号，通过与涂抹在待测试件6上的超声波耦合剂相配合，以确保射频信号最大程度进入待测试件6，从而获取反馈信号。
本发明所提供的超声波无损检测***的射频收发装置采用SNAP 5000***1。
此外，本发明所提供的超声波无损检测***是以下列公式为基础所设计的：
声波在均匀各项同性弹性介质中一维传播的动力学方程可表示为：
σ,x＝ρu,tt (1)
σ＝Eε (2)
ε＝u,x (3)
式中，变量σ，ε和u分别为应力、应变及位移；ρ和E为质量密度和杨氏模量；逗号后面的x和t分别表示对空间或时间求导。
将以上方程结合起来，就得到以位移场为变量的Navier方程：
u,tt＝c2u,xx (4)
波动方程的简谐波解为：
u＝A1 sin(kx-ωt)+B1 cos(kx-ωt) (5)
式中，c2＝E/ρ是纵波速度的平方，ω＝ck是角频率，k是波数。以上是线性问题的波佛那个方程解。然而，对于非线性问题，应力-应变之间关系为：
Figure BDA0003035479370000061
式中，β是材料的省非线性参数。由于材料非线性，一维波动方程也变成非线性：
u,tt＝c2(1+βu,x)u,xx (7)
以给定位移边界条件为例，位移边界条件下的总位移可表示为：
Figure BDA0003035479370000062
其中，β是材料声非线性参数，ω是角频率，c是体波波速，x是基波传播距离，U是入射波幅值，t是时间，P(t)＝H(t)H(τ-t)，H(t)是阶跃函数，uD(x,t)为位移边界条件下的总位移，公式(8)中右端第三项
Figure BDA0003035479370000063
为静态分量幅值。
以给定位应力界条件为例，应力边界条件下的总位移可表示为：
Figure BDA0003035479370000064
由公式(8)和(9)可知，静态分量幅值与基波幅值和频率的平方成正比。可看出其值与公式(8)中静态分量幅值相同，仅相差一个负号，负号的物理意义为两者反向。值得说明的是，材料在受到疲劳载荷作用时，材料声非线性参数β会发生变化。据此，可根据静态分量幅值变化评估材料损伤程度。为能更好地检测到静态分量可选择调整基波幅值和频率。
可选择地，所述滤波装置包括高通滤波器2，所述高通滤波器2用于过滤低频信号以生成检测信号，并且所述高通滤波器2的输入端连接所述射频收发装置，其输出端连接所述双工器，所述射频信号通过所述高通滤波器2的输入端进入所述高通滤波器2，滤波后生成的所述检测信号通过所述其输出端传输至所述双工器。高通滤波器2的存在，能够对射频收发装置产生的检测信号进行过滤，确保仅有高频信号能够传递给超声换能器5，这里，高频信号为能够检测待测试件所需的信号频段。
除此之外，可选择地，在反馈过程中，由于需要获取静态分量，因此需要过滤掉高频信号，保留低频信号，因此设计所述滤波装置还包括低通滤波器3，所述低通滤波器3用于过滤高频信号以生成新的反馈信号，并且所述低通滤波器3的输出端连接所述射频收发装置，所述反馈信号通过其输入端进入所述低通滤波器3，滤波后生成的所述新的反馈信号通过所述低通滤波器3的输出端传输至所述射频收发装置。
可选择地，所述自发自收装置包括双工器4，所述双工器4用于隔离所述检测信号和所述新的反馈信号，所述双工器4包括检测信号输入端、检测信号输出端、反馈信号输入端和反馈信号输出端，所述检测信号输入端连接所述高通滤波器2的输出端，所述反馈信号输出端连接所述低通滤波器3的输入端，所述检测信号输出端和所述反馈信号输入端均与所述超声换能器5连接。当然，这里的自发自收装置也可以是其他装置，本发明不做具体限制，以能够实现隔离信号作用即可。
可选择地，所述超声波无损检测***还包括计算机8，所述计算机8连接所述射频收发装置，以用于给所述射频收发装置下发超声波产生指令以及存储所述新的反馈信号。
本发明所提供的超声波无损检测***具有如下工作原理：
在检测过程中，计算机8发出射频信号产生指令，射频收发装置收到指令后产生射频信号并输出给高通滤波器2，高通滤波器2将低频信号过滤掉，保留高频信号经由双工器4传递给超声换能器5，超声换能器5与涂抹在待测试件6表面的超声耦合剂耦合，以使得射频信号进入待测试件6后生成反馈信号。
在反馈过程中，反馈信号通过超声换能器5出发经由双工器4输出至低通滤波器3，低通滤波器3对反馈信号进行滤波，过滤掉高频信号，保留低频信号并传输至射频收发装置，经射频收发装置处理后的静态分量同时传输至示波器7和计算机8，示波器7对信号进行显示，计算机8对信号进行存储并提取静态分量。
基于上述技术方案，本发明还提供一种基于超声波无损检测***的超声波无损检测方法，参考图2所示，所述超声波无损检测方法包括以下检测步骤：
S1：通过所述射频收发装置产生射频信号；
S2：将所述射频信号传输至高通滤波器2进行滤波，过滤所述射频信号的低频信号，同时保留所述射频信号的高频信号以生成检测信号；
具体地，射频信号通过高通滤波器2的输入端进入高通滤波器2中，高通滤波器2对射频信号进行滤波操作，过滤掉低频信号，并保留检测所需的高频信号，以生成检测信号。
S3：将所述检测信号经由双工器4传输至所述超声换能器5；具体地，检测信号通过双工器4的检测信号输入端进入双工器，并通过检测信号输出端输出双工器4后进入超声换能器5。
S4：在所述待测试件6上涂抹超声耦合剂，所述超声换能器5与所述超声耦合剂耦合以对所述待测试件6进行无损检测，并生成反馈信号。
除此之外，参考图3所示，所述超声波无损检测方法还包括以下信号反馈步骤：
S5：将所述反馈信号经由双工器4传输至低通滤波器3进行滤波，过滤所述反馈信号的高频信号，同时保留所述反馈信号的低频信号以生成所述新的反馈信号；
具体地，反馈信号通过双工器4的反馈信号输入端再进入双工器4，通过双工器4的反馈信号输出端输出后通过低通滤波器3的输入端进入低通滤波器3，低通滤波器3对反馈信号进行滤波操作，过滤掉高频信号，保留低频信号以生成新的反馈信号。
S6：将所述新的反馈信号传输至所述射频收发装置；
S7：通过所述射频收发装置对所述新的反馈信号中的静态分量进行提取，并将所述静态分量传输至所述示波器7和计算机8；
S8：通过所述示波器7展示所述静态分量的幅值变化，所述计算机8存储所述静态分量数据并对其进行处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声波无损检测***，其特征在于，所述超声波无损检测***包括：
射频收发装置，所述射频收发装置的输出端连接示波器(7)的输入端，以用于产生射频信号并将来自滤波装置的新的反馈信号传递给所述示波器(7)；
滤波装置，所述滤波装置连接所述射频收发装置，以用于过滤来自所述射频收发装置的信号，并将过滤后生成的检测信号传递给自发自收装置，以及用于过滤来自所述自收自发装置的反馈信号，并将所述反馈信号过滤后生成的所述新的反馈信号传递给所述射频收发装置；
自发自收装置，所述自发自收装置连接所述滤波装置和超声换能器(5)，并且，所述自发自收装置用于隔离检测信号和新的反馈信号；
超声换能器(5)，所述超声换能器(5)用于检测所述待测试件(6)后，获取所述反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述自发自收装置。
2.根据权利要求1所述的超声波无损检测***，其特征在于，所述滤波装置包括高通滤波器(2)，所述高通滤波器(2)用于过滤低频信号以生成检测信号，并且所述高通滤波器(2)的输入端连接所述射频收发装置，其输出端连接所述双工器，所述射频信号通过所述高通滤波器(2)的输入端进入所述高通滤波器(2)，滤波后生成的所述检测信号通过其输出端传输至所述自发自收装置。
3.根据权利要求2所述的超声波无损检测***，其特征在于，所述滤波装置还包括低通滤波器(3)，所述低通滤波器(3)用于过滤高频信号以生成新的反馈信号，并且所述低通滤波器(3)的输入端连接所述双工器，所述其输出端连接所述射频收发装置，所述反馈信号通过所述低通滤波器(3)的输入端进入所述低通滤波器(3)，滤波后生成的所述新的反馈信号通过所述其输出端传输至所述射频收发装置。
4.根据权利要求3所述的超声波无损检测***，其特征在于，所述自发自收装置包括双工器(4)，所述双工器(4)用于隔离所述检测信号和所述新的反馈信号，所述双工器(4)包括检测信号输入端、检测信号输出端、反馈信号输入端和反馈信号输出端，所述检测信号输入端连接所述高通滤波器(2)的输出端，所述反馈信号输出端连接所述低通滤波器(3)的输入端，所述检测信号输出端和所述反馈信号输入端均与所述超声换能器(5)连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的超声波无损检测***，其特征在于，所述超声波无损检测***还包括计算机(8)，所述计算机(8)连接所述射频收发装置，以用于给所述射频收发装置下发超声波产生指令以及存储所述新的反馈信号。
6.一种超声波无损检测方法，其特征在于，所述超声波无损检测方法基于根据权利要求1-5中任意一项所述的超声波无损检测***，所述超声波无损检测方法包括以下检测步骤：
S1：通过所述射频收发装置产生射频信号；
S2：将所述射频信号传输至高通滤波器(2)进行滤波，过滤所述射频信号的低频信号，同时保留所述射频信号的高频信号以生成检测信号；
S3：将所述检测信号经由双工器(4)传输至所述超声换能器；
S4：在所述待测试件(6)上涂抹超声耦合剂，通过所述超声换能器(5)与所述超声耦合剂耦合以对所述待测试件(6)进行无损检测，并生成反馈信号。
7.根据权利要求6所述的超声波无损检测方法，其特征在于，所述超声波无损检测方法还包括以下信号反馈步骤：
S5：将所述反馈信号经由双工器(4)传输至低通滤波器(3)进行滤波，过滤所述反馈信号的高频信号，同时保留所述反馈信号的低频信号以生成所述新的反馈信号；
S6：将所述新的反馈信号传输至所述射频收发装置；
S7：通过所述射频收发装置对所述新的反馈信号中的静态分量进行接收，并将所述静态分量传输至所述示波器(7)和计算机(8)；
S8：通过所述示波器(7)展示所述静态分量的幅值变化，并通过所述计算机(8)存储所述静态分量数据并对其进行处理。
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