基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测

应用领域：

基于超声导波的结构材料损伤快速无损检测及损伤在线监测应用。

挑战：

目前广泛应用的超声波检测技术大多基于超声体波，由于超声体波的传播特点，需要对结构进行逐点检测，因此存在检测效率低，成本高等缺点；同时逐点扫描的检测方式也限制了其在结构健康监测领域的应用。

超声导波是体波在结构界面反射叠加形成的沿结构界面传播的应力波。超声导波相对于体波具有衰减小，传播距离长的特点，可实现对形状规则的大结构件的快速无损检测；并且具有在线应用潜力，可作为结构健康在线监测的技术手段。

但是超声导波相对于体波更加复杂，主要表现为两方面：一方面为导波的多模态特性，即同一频率下同时存在有多种导波模态；另一方面为频散特性，即同一模态导波在不同频率下的传播速度不同。超声导波的复杂性对检测平台和检测方法提出了更高的要求。

解决方案：

超声导波检测方法为主动检测，包括信号的激发的和接收。针对导波的多模态的特性，拟采用单一模态导波作为检测信号，因此需要在检测平台从信号激发和接收两方面抑制其他模态。主要通过传感器尺寸，信号激发频率，优化匹配实现单一导波模态激发。

为了实现对被检对象的快速检测，根据雷达原理发展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法，以此实现对材料损伤的快速成像检测。

1 应用背景

随着当前对大型设备结构安全性的日益关注，无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一, 广泛应用于各个领域，如航空航天领域、电力生产领域、石化输运加工领域等。这些领域的设备结构通常处于较恶劣的工作条件，容易发生磨损、腐蚀、疲劳、蠕变等损伤，进而造成结构内部产生缺陷，危害结构安全性。因此对这些设备结构进行实时监测和诊断成为无损检测技术应用中的一个重要方面。

目前工业界常用的五大无损检测方式包括：渗透检测，磁粉检测，涡流检测，超声波检测，射线检测。在这五种检测方式中，超声波检测由于适用范围广（既可检测金属，也可检测非金属），对人体无害而应用较为普遍。目前常规的超声波检测主要使用体波，只能检测探头覆盖区域或者探头周围很小范围，因此通常采用逐点检测的方法。逐点检测方法的缺点就是检测效率低，检测成本高。而使用超声导波的无损检测技术则可以有效地解决这一问题。

超声导波是目前常规应用超声体波的叠加组合。在无限均匀各向同性弹性介质中, 只存在两种超声波：纵波和横波，这两种超声波称为超声体波， 二者分别以各自的特征速度传播而无波型耦合。 在有限尺寸波导(如平板、圆管) 中传播的纵波和横波由于受到边界的制约以及在边界处发生不断的模态转换，将会产生沿波导传播的超声导波。因此超声导波是由超声体波（包括纵波和横波）在波导上下界面间反射叠加而形成的沿波导传播的一种应力波。

由于超声导波是在具有上下界面的固体中传播的应力波，其衰减主要是由材料吸收造成的，因此与传播距离成正比。而超声体波在固体材料是从激发点向三个方向扩散，其衰减与传播距离的平方成正比。因此超声导波的衰减相对体波来说小很多，可以沿波导传播很长距离。

基于超声导波传播距离长的特点，其在无损检测应用中可以实现一次检测数米距离，是对传统逐点扫描方式的极大改进。同时，对于发电领域和石化领域常见的包覆及埋地结构，利用超声导波检测技术只需要一点接入就可以检测数米距离，不需要完全暴露结构，可以极大的提高效率并降低成本。

由于超声导波检测距离长、范围广，具有在线应用潜力，可以作为结构健康状态检测(SHM)的技术手段。

2 面临问题

由于超声导波是超声体波在波导中的反射和叠加，因此超声导波相对体波来说更加复杂，表现为多模态和频散特性。

对于表面处于自由边界条件下的各相同性板状构件，其频散关系可表达为：

(1)

其中，h是平板半壁厚，ω角频率，k是波数，V_L和V_S分别是材料中纵波和横波波速。此种表达方式，当α=0代表对称模态，当α=π/2代表非对称模态。

根据平板中的频散关系可以得出导波频散曲线，如图1所示。从中可以看出，在同一频率下同时存在多种导波模态。如800kHZ以下，同时存在有有三种模态，分别为A0模态、S0模态和SH0模态。随着频率的增加，同时存在的导波模态数也会随之增加，如在2MHz下，平板内存在有8种可传播模态。导波这种多模态效应会使得接收到的缺陷反射信号复杂化，对其检测应用产生较大影响。

另外从频散曲线图中还可以看出，同一模态导波在不同频率下的传播速度会发生变化，这将导致激发信号中不同频率的成分随传播距离的增加逐渐分散，导致激发信号时域延长，幅值降低。图2为中心频率为200kHz的A0模态在2mm厚钢板中激发波包随传播距离的变化过程，从中可以看出，随着传播距离的增加，导波的频散特性将会导致波包在时域上的延长，同时波包幅值也将严重降低。这种现象将造成检测信号的叠混和减弱，使得缺陷特征无法识别。

(a)频率-波数曲线

(b)频率-相速度曲线

(c)频率-群速度曲线

图1. 2mm厚钢板的频散曲线

(弹性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×10³kg/m³)

(a) (b)

(c) (d)

图2 中心频率为200kHz的A0模态在2mm钢板中的频散现象

(a为激发信号；b为传播1000mm厚波形；c为传播1500mm后波形；d为传播2000mm后波形)

导波的多模态和频散特点使其在信号激励、质点振动、传播、接收和信息提取等方面均比常规超声波检测复杂。为了利用超声导波进行检测需要从信号的激发、传播、接收和信号提取等方面发展适用于超声导波的方法和技术。

3 解决方案

3.1 单模态超声导波激发

超声导波具有多模态的特点，随着激发频率的增加导波模态数不断增加。导波的多模态特点会增加信号复杂性，使缺陷特征信号难以识别。因此为了适用于检测应用，需要激发单一导波模态。

根据导波频散特性曲线，在高阶导波模态截止频率以下(对于2mm厚钢板为810kHz)，仅存在三种0阶导波，包扩对称模态S0、非对称模态A0、水平剪切模态SH0。因此控制激发信号频率在高阶导波截止频率以下可以将导波模态数降至三种。

对于S0、A0和SH0模态，其模态形状存在区别。A0模态主要以离面位移为主，如图3(a)所示，S0模态和SH0模态主要以面内位移为主，其中S0的位移方向于波传播方向平行，如图3(b)所示，SH0模态的位移方向与波传播方向垂直，如图3(c)所示。

(a) A0模态激发示意 (b)S0模态激发示意

(c)SH0模态激发示意

图3 不同导波模态激发施力图

超声导波激发的实质上就是在被检测对象中耦合进模态所对应的应力波，为了获得单一的导波模态，需要通过传感器优化来增强所需模态对应的表面应力分布，同时抑制其他模态对应的表面应力分布。

目前可以用于在被检测结构中耦合进导波应力场的传感器可分为如下几类：压电式换能器，电磁声换能器(EMAT)，磁致伸缩换能器，激光超声换能器。压电式换能器主要利用晶体材料的压电效应和逆压电效应作为导波激发和检测传感器，目前常用的压电材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的压电转换效率较高，成本较低，但是材料无法弯曲；PVDF材料也具有压电效应，但是其压电性相对于PZT材料要低，其优点在于材料具有柔性，可以弯曲。电磁声换能器(EMAT)主要通过改变金属结构中的电磁场，利用Lorenz力激励导波应力场。用于超声导波激发的磁致伸缩换能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸缩效应实现导波应力场的激发。激光声换能器利用激光脉冲束在被检测构件表面产生热应力振动，实现超声导波的激发，激光声换能激发方式的仪器体积较大，成本较高，不适于现场检测应用，目前主要用于实验室研究工作。

上述导波换能器中，PZT压电晶片具有体积小、重量轻、成本低的优点，适用于结构健康状态监测应用，因此目前各国研究团队主要使用PZT压电晶片作为导波激发和接收换能器。 [p]

3.2 导波激发波形优化

超声导波具有频散特性，不同频率的波包成分的传播速度不同，成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了避免此问题的发生，需要对导波激发频率和波形进行优化。

超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣，使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度，减小频散效应。图4为200kHz正弦波和加窗调制后的波形，以及其对应的频谱。

(a) (b)

(c) (d)

图4 5周期200kHz正弦波与加窗调制对比:

(a)原始信号，(b)原始信号频谱，(c)汉宁窗调制信号，(d)调制信号频谱

3.3 超声导波检测平台

超声导波检测方法不同于常规超声检测，它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测，而不是逐点检测，同时为较精确定位缺陷，必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上，针对超声导波的特殊性(如所选激励信号的特殊性，压电陶瓷换能器选取的特殊性等)，建立了超声导波检测平台，如图5所示。

图5 超声导波检测平台

任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上，驱动压电陶瓷产生压电效应，将电压信号转变为相同频率的振动信号，在被检测结构中传播。但是，由任意波形信号发生器生成的电压信号的幅度范围为10mV_P-P-10V_P-P，远不足以驱动压电陶瓷换能器，在结构中激励出超声导波。因此，必须加大激励压电陶瓷传感器的激发电压。检测平台中采用的是自制的高压放大器，其可以将信号发生器产生的输入信号线性放大至180V_p-p。在180V_p-p输出下，放大器线性放大频率最高可达2MHz。

超声导波的激励信号经功率放大器放大后，驱动压电传感器，产生在管道中传播的超声导波，到达接收导波端时，利用压电陶瓷的逆压电效应，将会把振动量转化为电压量输出，但是，压电陶瓷的逆压电效应很微弱，压电晶片驱动电压在100V_p-p时，接收端产生的输出的电压信号仅在毫伏量极。因此接受到信号需要先经过前置放大器放大后，在可以进入信号采集端。本平台使用的前置放大器为自制的增益可调放大器，增益范围在-4.5dB-525dB。由于压电晶片具有很高的阻抗，而输出的信号功率很小，因此将前置放大器的输入阻抗匹配至其最大值6K欧姆。

信号采集端采用凌华科技PCI-9846高速数字化仪。此仪器具有高采样率和高分辨率，适于导波信号采集。同时其可以实现四通道同时记录，大大减少了导波阵列信号采集时间。

多路开关单元的作用是切换激发和接收传感器，由于压电传感器的激发端只有一路，而传感器个数较多，因此通过多路开关单元切换激发的传感器。多路开关单元基于继电器实现信号通道开关，使用单片机对继电器开关进行控制，单片机与PC机之间通过串口实现通信。

3.4 传感器相控阵列(phased array)

传感器阵列在声纳、雷达领域使用较多，其优点在于基于多个传感器，通过相阵列算法实现对空间不同位置的逐点扫描。超声导波也具有长距离传播的能力，因此可以借鉴雷达中相控阵列(phased array)概念,实现对被检测对象的逐点扫描成像检测，实现超声导波雷达。

超声导波雷达中的关键就是相控阵列及相对应的算法。本应用实例中采用圆环形紧密排列相控阵列，如图6所示。阵列由16个压电晶片单元组成，每个压电晶片尺寸为Φ7×0.2mm，16个圆形压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列。为此阵列可以对周向0-360°范围进行全方位扫描成像。

图6 超声导波雷达相控阵列

相控阵列包含有16个导波传感器，每个传感器相互独立。在利用超声导波雷达进行缺陷成像检测时，需要首先激发一个传感器，然后记录16个传感器接收到的导波信号，随后激发另外一个传感器，再记录16个传感器接收到的到波信号，最终将获得16×16路时域信号，每路时域信号对应一个激发-接收传器组合。

由于超声导波具有频散特性，因此对相控阵列得到的信号处理方法具有自身特殊性。首先每路时域信号将通过FFT变换转变为频域，得到的频域信号将格局频散特性关系转换成波数域幅值。至此获得信号矩阵仍然为16×16路，为了实现对不同方向的扫描，需要使用相阵控算法，根据需要扫描的方向，每路信号将乘以一个相控系数然后相加。最后需要对信号矩阵每列进行逆傅里叶变换，将其从波数域转换成距离域。最终将形成缺陷图像，达到成像检测目的。

4 检测实例

本实例使用相控导波阵列对板状构件中缺陷进行了成像检测。相控阵列如上文介绍，使用16个Φ7×0.2mm压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列而成。被检测对象为2mm厚钢板，缺陷为半径为2mm的通孔，距离阵列中心500mm。导波激发信号为5周期汉宁窗调制的正弦波，中心频率为200kHz。

检测过程为每次使用1个传感器作为激发传感器，利用PCI-9846的四通道同时采集4个接收信号；然后通过多路开关单元更换另外4个传感器作为接收传感器，指导将16个传感器的接收信号全部采集完成。之后更换另外一个传感器作为激发传感器，重复上述过程，直至16个传感器均作为激发传感器。

接收到256路信号通过上文所述的相阵控信号处理方法处理，获得对缺陷的分布图像，如图7所示。通过实例可已看出，超声导波可以对材料损伤进行检测，通过超声导波相控阵列可以对材料损伤分布进行成像，结果较为准确。

图7 超声导波雷达损伤成像

(导波阵列位中心位于原点处，模拟损伤为半径为2mm的通孔，损伤距离阵列中心500mm)

5 总结

通过本应用实例可以得出，超声导波相控阵列可以对板状材料损伤进行成像检测。本检测方法仅需要将阵列布置于很小的区域就可以实现对较大区域的检测。此种方法不但适用于无损检测，同时也适用于在线监测应用。

但是由于超声导波阵列中导播传感器较多，并且需要对每个传感器进行激发和采集，因此信号采集时间较长。如采用单通道采集仪器，对于本应用实例将需要进行256次采集。由于凌华科技的PCI-9846具有四个采集通道，仅此使用PCI-9846作为信号采集仪器仅需单通道采集仪器的1/4时间即可完成一次检测，这对时效性要求较高的在线损伤监测应用意义重大。

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