一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)環(huán)境、出行及工業(yè)產(chǎn)品的安全要求越來(lái)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(gè)國(guó)家的工業(yè)水平及管理能力的重要指標(biāo)，而超聲無(wú)損檢測(cè)因其適用范圍廣、穿透能力強(qiáng)、分辨率高、檢測(cè)成本低、對(duì)人無(wú)害是國(guó)家工業(yè)進(jìn)步必不可少的有效工具。利用空氣耦合超聲反射回波對(duì)材料表面聲阻抗敏感的特性來(lái)對(duì)材料表面進(jìn)行超聲成像技術(shù)，可進(jìn)行原位快速掃描，不會(huì)造成換能器的磨損，可以實(shí)現(xiàn)真正的非接觸檢測(cè)，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(cè)試，可降低檢測(cè)成本，是目前超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。
[0003]目前常用的測(cè)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(cè)又稱為機(jī)械阻抗法檢測(cè)，把反映材料振動(dòng)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(cè)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(guò)對(duì)換能器特性的測(cè)量來(lái)判斷材料力學(xué)阻抗的變化，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。該方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)便、快速、低廉，但是該檢測(cè)方法主要還依賴經(jīng)驗(yàn)。
[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(shí)別參數(shù)的無(wú)損檢測(cè)方法，尤其適于薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的檢測(cè)。當(dāng)構(gòu)件有缺陷時(shí)，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(huì)有所不同，通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)需接觸試樣的瓶頸，檢測(cè)快速方便、靈敏度高，對(duì)于檢測(cè)試樣表面缺陷及材質(zhì)有潛在的實(shí)用價(jià)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(cè)、適用范圍廣、方法先進(jìn)的基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測(cè)方法及系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0009]I)連接系統(tǒng):通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)裝置各部分連接完整并通電啟動(dòng)；
[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(zhǎng)度；
[0011]3)確定掃描范圍:先在被檢試樣上確定一個(gè)矩形掃描范圍，并標(biāo)記起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后移動(dòng)聚焦探頭使得聚焦探頭中心對(duì)準(zhǔn)掃描范圍起點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)，設(shè)定其為坐標(biāo)零點(diǎn)，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(jì)算機(jī)的掃描控制軟件內(nèi)；
[0012]4)檢測(cè)被檢試樣:計(jì)算機(jī)開(kāi)始掃描控制，聚焦探頭將在掃描范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，軟件可實(shí)時(shí)顯示超聲回波，在掃描結(jié)束時(shí)，聚焦探頭自動(dòng)回到掃描零點(diǎn)；
[0013]5)信號(hào)處理與分析:通過(guò)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)檢測(cè)軟件對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并顯示檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，包括聚焦探頭以及依次連接的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)射接收器和計(jì)算機(jī)，所述的聚焦探頭數(shù)量為一個(gè)，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(jī)械掃描機(jī)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(diǎn)聚焦探頭。
[0017]所述的計(jì)算機(jī)設(shè)有掃描控制軟件和系統(tǒng)檢測(cè)軟件。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]一、操作方便:本發(fā)明僅僅采用一個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作。
[0020]二、非接觸式檢測(cè):本發(fā)明采用空氣耦合超聲點(diǎn)聚焦探頭，避免了與待測(cè)物體的直接接觸，根據(jù)檢測(cè)物體表面聲阻抗的不同其對(duì)超聲波的反射也不相同的原理進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)精確。
[0021]三、適用范圍廣:本發(fā)明既可檢測(cè)金屬構(gòu)件，也能夠檢測(cè)生物組織，均能得到良好的檢測(cè)結(jié)果。
[0022]四、方法先進(jìn):與雙側(cè)透射式及反射式的方法相比，此方法只需一個(gè)探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明檢測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果圖。
[0028]其中，1、被檢試樣，2、聚焦探頭，3、機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，4、脈沖發(fā)射接收器，5、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]實(shí)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(cè)系統(tǒng)，包括聚焦探頭2以及依次連接的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)3、脈沖發(fā)射接收器4和計(jì)算機(jī)5，所述的聚焦探頭2數(shù)量為一個(gè)，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(jī)械掃描機(jī)構(gòu)3上，并且與脈沖發(fā)射接收器4連接。首先計(jì)算機(jī)5發(fā)出掃描控制命令給機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)3，掃描機(jī)構(gòu)掃描同時(shí)發(fā)出同步脈沖信號(hào)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(hào)，激勵(lì)聚焦探頭2產(chǎn)生超聲波，通過(guò)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(guò)USB接口輸入計(jì)算機(jī)5，由基于MATLAB的系統(tǒng)檢測(cè)軟件完成對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的控制和對(duì)超聲波信號(hào)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(shí)域與頻域分析及深度補(bǔ)償，信號(hào)處理和分析功能強(qiáng)，便于兩次開(kāi)發(fā)。
[0032]利用一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋁板試樣表面缺陷進(jìn)行測(cè)定，被檢測(cè)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(cè)步驟為:
[0033]I)連接系統(tǒng):通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)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(gè)20mmX 20mm矩形，并做好起點(diǎn)和終點(diǎn)標(biāo)記，然后移動(dòng)探頭使得探頭中心對(duì)準(zhǔn)掃描范圍起點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)，并定為坐標(biāo)零點(diǎn)，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(cè)被檢試樣:點(diǎn)擊掃描控制開(kāi)始，探頭將在掃描范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，軟件可實(shí)時(shí)顯示超聲回波，掃描結(jié)束，探頭自動(dòng)回到掃描零點(diǎn)。
[0037]5)信號(hào)處理與分析:通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)軟件對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理，檢測(cè)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(jiàn)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(cè)表面缺陷。
[0038]實(shí)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(duì)碳纖維復(fù)合材料試樣表面材質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，被檢測(cè)板試樣如圖4所示，板厚2mm，在表面貼一塊銅膜。具體檢測(cè)步驟為:
[0040]I)連接系統(tǒng):通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)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(gè)20mmX 20mm矩形，并做好起點(diǎn)和終點(diǎn)標(biāo)記，然后移動(dòng)探頭使得探頭中心對(duì)準(zhǔn)掃描范圍起點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)，并定為坐標(biāo)零點(diǎn)，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(cè)被檢試樣:點(diǎn)擊掃描控制開(kāi)始，探頭將在掃描范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，軟件可實(shí)時(shí)顯示超聲回波，掃描結(jié)束，探頭自動(dòng)回到掃描零點(diǎn)。
[0044]5)信號(hào)處理與分析:通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)軟件對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。圖5中，在水平X軸坐標(biāo)5?14間可見(jiàn)明顯銅膜形狀，且尺寸與銅膜實(shí)際尺寸相當(dāng)。該方法可用于檢測(cè)表面材質(zhì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于非接觸空氣耦合的表面聲阻抗檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)連接系統(tǒng):通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)裝置各部分連接完整并通電啟動(dòng)； 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(zhǎng)度； 3)確定掃描范圍:先在被檢試樣上確定一個(gè)矩形掃描范圍，并標(biāo)記起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后移動(dòng)聚焦探頭使得聚焦探頭中心對(duì)準(zhǔn)掃描范圍起點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)，設(shè)定其為坐標(biāo)零點(diǎn)，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(jì)算機(jī)內(nèi)； 4)檢測(cè)被檢試樣:計(jì)算機(jī)開(kāi)始掃描控制，聚焦探頭將在掃描范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，實(shí)時(shí)顯示超聲回波，在掃描結(jié)束時(shí)，聚焦探頭自動(dòng)回到掃描零點(diǎn)； 5)信號(hào)處理與分析:通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并顯示檢測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)方法的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括聚焦探頭(2)以及依次連接的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)(3)、脈沖發(fā)射接收器(4)和計(jì)算機(jī)(5)，所述的聚焦探頭(2)數(shù)量為一個(gè)，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(jī)械掃描機(jī)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(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的聚焦探頭為空氣耦合超聲點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的計(jì)算機(jī)(5)設(shè)有掃描控制軟件和系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括聚焦探頭以及依次連接的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)射接收器和計(jì)算機(jī)，所述的聚焦探頭數(shù)量為一個(gè)，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(jī)械掃描機(jī)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(cè)、適用范圍廣、方法先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01N29-09
【公開(kāi)號(hào)】CN104849351
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510201609
【發(fā)明人】張東波, 潘永東, 李立兵, 仲政
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月24日