一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及檢測領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類生活水平的不斷提高，對環(huán)境、出行及工業(yè)產(chǎn)品的安全要求越來越高，如何防止核電的泄露、高速列車軌道的斷裂、橋梁的坍塌等災(zāi)難性事故的發(fā)生是反映一個國家的工業(yè)水平及管理能力的重要指標(biāo)，而超聲無損檢測因其適用范圍廣、穿透能力強、分辨率高、檢測成本低、對人無害是國家工業(yè)進步必不可少的有效工具。利用空氣耦合超聲反射回波對材料表面聲阻抗敏感的特性來對材料表面進行超聲成像技術(shù)，可進行原位快速掃描，不會造成換能器的磨損，可以實現(xiàn)真正的非接觸檢測，因此能夠提高構(gòu)件或材料表面及亞表面聲學(xué)特性的安全、可靠和高效的測試，可降低檢測成本，是目前超聲無損檢測技術(shù)的一個發(fā)展方向。
[0003]目前常用的測量結(jié)構(gòu)表面聲阻抗的方法是聲阻法和壓電懸臂梁法，需要探針與表面的接觸。聲阻法檢測又稱為機械阻抗法檢測，把反映材料振動特性的力學(xué)阻抗轉(zhuǎn)換為換能器的負(fù)載阻抗，是聲振檢測方法中的一種。由于材料的力學(xué)阻抗與材料結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系，因此通過對換能器特性的測量來判斷材料力學(xué)阻抗的變化，從而達到檢測的目的。該方法的特點是簡便、快速、低廉，但是該檢測方法主要還依賴經(jīng)驗。
[0004]壓電懸臂梁法是一種層狀壓電復(fù)合梁接觸共振、以局部接觸剛度為識別參數(shù)的無損檢測方法，尤其適于薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的檢測。當(dāng)構(gòu)件有缺陷時，則缺陷附近材料的表面局部接觸剛度與周圍正常區(qū)域的剛度會有所不同，通過檢測材料的剛度，并且組織彈性成像，就可以顯示出構(gòu)件的缺陷，但是這種方法僅適用于檢測剛度較小構(gòu)件的亞表面缺陷。
[0005]上述兩種方法需要探針與表面的接觸，很難適用于生產(chǎn)線快速檢測的需要。本發(fā)明的非接觸空氣耦合超聲成像方法不僅可突破傳統(tǒng)超聲檢測需接觸試樣的瓶頸，檢測快速方便、靈敏度高，對于檢測試樣表面缺陷及材質(zhì)有潛在的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作方便、非接觸式檢測、適用范圍廣、方法先進的基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法及系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法，包括以下步驟:
[0009]I)連接系統(tǒng):通過數(shù)據(jù)線將檢測裝置各部分連接完整并通電啟動；
[0010]2)調(diào)整探頭:將被檢試樣放置在試樣架上，調(diào)整聚焦探頭到被檢試樣的距離，確保該距離為聚焦探頭焦距長度；
[0011]3)確定掃描范圍:先在被檢試樣上確定一個矩形掃描范圍，并標(biāo)記起點和終點，然后移動聚焦探頭使得聚焦探頭中心對準(zhǔn)掃描范圍起點標(biāo)記點，設(shè)定其為坐標(biāo)零點，根據(jù)試樣上的掃描范圍，確定水平方向和垂直方向上探頭掃描距離，并將距離數(shù)值輸入到計算機的掃描控制軟件內(nèi)；
[0012]4)檢測被檢試樣:計算機開始掃描控制，聚焦探頭將在掃描范圍內(nèi)自動掃描，軟件可實時顯示超聲回波，在掃描結(jié)束時，聚焦探頭自動回到掃描零點；
[0013]5)信號處理與分析:通過計算機的系統(tǒng)檢測軟件對超聲回波信號進行分析和處理，并顯示檢測結(jié)果。
[0014]所述的步驟2)中聚焦探頭到被檢試樣的距離為40mm。
[0015]一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測系統(tǒng)，包括聚焦探頭以及依次連接的機械掃描機構(gòu)、脈沖發(fā)射接收器和計算機，所述的聚焦探頭數(shù)量為一個，并且設(shè)置在被檢試樣的正上方，所述的聚焦探頭固定在機械掃描機構(gòu)上，并且與脈沖發(fā)射接收器連接。
[0016]所述的聚焦探頭為空氣耦合超聲點聚焦探頭。
[0017]所述的計算機設(shè)有掃描控制軟件和系統(tǒng)檢測軟件。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0019]一、操作方便:本發(fā)明僅僅采用一個聚焦空氣耦合探頭，完成了超聲波的激發(fā)和接收，并且通過計算機顯示出來，結(jié)構(gòu)簡單易操作。
[0020]二、非接觸式檢測:本發(fā)明采用空氣耦合超聲點聚焦探頭，避免了與待測物體的直接接觸，根據(jù)檢測物體表面聲阻抗的不同其對超聲波的反射也不相同的原理進行檢測，數(shù)據(jù)精確。
[0021]三、適用范圍廣:本發(fā)明既可檢測金屬構(gòu)件，也能夠檢測生物組織，均能得到良好的檢測結(jié)果。
[0022]四、方法先進:與雙側(cè)透射式及反射式的方法相比，此方法只需一個探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并能得到材料表面和近表面由聲阻抗變化反應(yīng)的缺陷及結(jié)構(gòu)信息(雙側(cè)透射式和反射式的方法是得到材料內(nèi)部的缺陷及結(jié)構(gòu)信息)
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為鋁板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為鋁板檢測結(jié)果圖。
[0026]圖4為碳纖維復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5為碳纖維復(fù)合材料板檢測結(jié)果圖。
[0028]其中，1、被檢試樣，2、聚焦探頭，3、機械掃描機構(gòu)，4、脈沖發(fā)射接收器，5、計算機。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030]實施例1:
[0031]如圖1所示，一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測系統(tǒng)，包括聚焦探頭2以及依次連接的機械掃描機構(gòu)3、脈沖發(fā)射接收器4和計算機5，所述的聚焦探頭2數(shù)量為一個，并且設(shè)置在被檢試樣I的正上方，所述的聚焦探頭2固定在機械掃描機構(gòu)3上，并且與脈沖發(fā)射接收器4連接。首先計算機5發(fā)出掃描控制命令給機械掃描機構(gòu)3，掃描機構(gòu)掃描同時發(fā)出同步脈沖信號觸發(fā)脈沖發(fā)射接收器4，脈沖發(fā)射接收器4產(chǎn)生高壓脈沖信號，激勵聚焦探頭2產(chǎn)生超聲波，通過空氣耦合將超聲波打到被檢試樣I表面上，超聲波經(jīng)表面反射再回到聚焦探頭2，接收到的表面反射波經(jīng)脈沖發(fā)射接收器4處理后，最后再通過USB接口輸入計算機5，由基于MATLAB的系統(tǒng)檢測軟件完成對整個檢測系統(tǒng)的控制和對超聲波信號的處理和結(jié)果顯示。該軟件用于多通道數(shù)據(jù)采集、濾波、時域與頻域分析及深度補償，信號處理和分析功能強，便于兩次開發(fā)。
[0032]利用一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測系統(tǒng)對鋁板試樣表面缺陷進行測定，被檢測鋁板試樣如圖2所示，板厚5mm，鉆一盲孔直徑3mm，深度2mm。具體檢測步驟為:
[0033]I)連接系統(tǒng):通過數(shù)據(jù)線將檢測裝置各部分連接完整，通電；
[0034]2)調(diào)整探頭:將試樣放置在試樣架上，調(diào)整探頭到試樣距離為40mm ;
[0035]3)確定掃描范圍:圍繞盲孔，畫一個20mmX 20mm矩形，并做好起點和終點標(biāo)記，然后移動探頭使得探頭中心對準(zhǔn)掃描范圍起點標(biāo)記點，并定為坐標(biāo)零點，水平方向和垂直方向上探頭掃描距離均為20mm，并輸入到掃描控制軟件內(nèi)。
[0036]4)檢測被檢試樣:點擊掃描控制開始，探頭將在掃描范圍內(nèi)自動掃描，軟件可實時顯示超聲回波，掃描結(jié)束，探頭自動回到掃描零點。
[0037]5)信號處理與分析:通過系統(tǒng)檢測軟件對超聲回波信號進行分析和處理，檢測結(jié)果如圖3所示，在圖3中，在水平X軸坐標(biāo)8?11間可見明顯缺陷形狀，且缺陷直徑3mm左右，與鋁板人工缺陷一致。該方法可用于檢測表面缺陷。
[0038]實施例2:
[0039]利用一種表面聲阻抗的非接觸空氣耦合超聲成像系統(tǒng)對碳纖維復(fù)合材料試樣表面材質(zhì)進行測定，被檢測板試樣如圖4所示，板厚2mm，在表面貼一塊銅膜。具體檢測步驟為:
[0040]I)連接系統(tǒng):通過數(shù)據(jù)線將檢測裝置各部分連接完整，通電；
[0041]2)調(diào)整探頭:將試樣放置在試樣架上，調(diào)整探頭到試樣距離為40mm ;
[0042]3)確定掃描范圍:圍繞銅膜，畫一個20mmX 20mm矩形，并做好起點和終點標(biāo)記，然后移動探頭使得探頭中心對準(zhǔn)掃描范圍起點標(biāo)記點，并定為坐標(biāo)零點，水平方向和垂直方向上探頭掃描距離均為20mm，并輸入到掃描控制軟件內(nèi)。
[0043]4)檢測被檢試樣:點擊掃描控制開始，探頭將在掃描范圍內(nèi)自動掃描，軟件可實時顯示超聲回波，掃描結(jié)束，探頭自動回到掃描零點。
[0044]5)信號處理與分析:通過系統(tǒng)檢測軟件對超聲回波信號進行分析和處理，檢測結(jié)果如圖5所示。圖5中，在水平X軸坐標(biāo)5?14間可見明顯銅膜形狀，且尺寸與銅膜實際尺寸相當(dāng)。該方法可用于檢測表面材質(zhì)。
【主權(quán)項】
1.一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)連接系統(tǒng):通過數(shù)據(jù)線將檢測裝置各部分連接完整并通電啟動； 2)調(diào)整探頭:將被檢試樣放置在試樣架上，調(diào)整聚焦探頭到被檢試樣的距離，確保該距離為聚焦探頭焦距長度； 3)確定掃描范圍:先在被檢試樣上確定一個矩形掃描范圍，并標(biāo)記起點和終點，然后移動聚焦探頭使得聚焦探頭中心對準(zhǔn)掃描范圍起點標(biāo)記點，設(shè)定其為坐標(biāo)零點，根據(jù)試樣上的掃描范圍，確定水平方向和垂直方向上探頭掃描距離，并將距離數(shù)值輸入到計算機內(nèi)； 4)檢測被檢試樣:計算機開始掃描控制，聚焦探頭將在掃描范圍內(nèi)自動掃描，實時顯示超聲回波，在掃描結(jié)束時，聚焦探頭自動回到掃描零點； 5)信號處理與分析:通過計算機對超聲回波信號進行分析和處理，并顯示檢測結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法，其特征在于，所述的步驟2)中聚焦探頭到被檢試樣的距離為40mm。
3.一種實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法的檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括聚焦探頭(2)以及依次連接的機械掃描機構(gòu)(3)、脈沖發(fā)射接收器(4)和計算機(5)，所述的聚焦探頭(2)數(shù)量為一個，并且設(shè)置在被檢試樣(I)的正上方，所述的聚焦探頭(2)固定在機械掃描機構(gòu)(3)上，并且與脈沖發(fā)射接收器(4)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的聚焦探頭為空氣耦合超聲點聚焦探頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的計算機(5)設(shè)有掃描控制軟件和系統(tǒng)檢測軟件。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括聚焦探頭以及依次連接的機械掃描機構(gòu)、脈沖發(fā)射接收器和計算機，所述的聚焦探頭數(shù)量為一個，并且設(shè)置在被檢試樣的正上方，所述的聚焦探頭固定在機械掃描機構(gòu)上，并且與脈沖發(fā)射接收器連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有操作方便、非接觸式檢測、適用范圍廣、方法先進等優(yōu)點。
【IPC分類】G01N29-09
【公開號】CN104849351
【申請?zhí)枴緾N201510201609
【發(fā)明人】張東波, 潘永東, 李立兵, 仲政
【申請人】同濟大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月24日