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CN108414615A - 一种非金属防腐层分层缺陷超声检测方法及装置 - Google Patents

一种非金属防腐层分层缺陷超声检测方法及装置 Download PDF

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CN108414615A CN201810011287.6A CN201810011287A CN108414615A CN 108414615 A CN108414615 A CN 108414615A CN 201810011287 A CN201810011287 A CN 201810011287A CN 108414615 A CN108414615 A CN 108414615A
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杨波
辛明亮
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王志刚
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Abstract

本发明涉及一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法及装置。所述检测方法包括：向非金属防腐层的待测区域发射超声波正弦信号；采集由所述超声波正弦信号通过非金属防腐层的待测区域后形成的接收信号；获取所述接收信号的非线性谐波分量，对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估。本发明利用小波能量值作为非金属防腐层分层缺陷的衡量指标，可以较好地反映非金属防腐层的分层缺陷。所述检测装置包括控制装置、信号发生装置、发射探头、接收探头和信号采集装置，本发明利用发射探头和接收探头实现对两探头之间连线经过区域的分层缺陷检测，可提高检测效率。

Description

一种非金属防腐层分层缺陷超声检测方法及装置
技术领域
本发明涉及测试测量技术及结构健康监测领域，特别涉及一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法及装置。
背景技术
工业用金属材料表面通常覆盖有非金属防腐层，如各种金属板材以及石化行业中用到的内衬防腐管道等，随着使用时间增加，防腐层容易产生各种缺陷，其中界面分层是常见的一种缺陷，分层缺陷会大大影响材料正常工作，严重的会导致安全事故发生。
目前对防腐层界面损伤检测可分为非超声波防腐层界面损伤监测方法和超声波防腐层界面损伤监测方法两大类，其中非超声波防腐层界面损伤监测方法主要包括红外热波检测方法、漏磁检测方法、涡流检测法等。然而，红外热波检测若要达到一定分辨率，对仪器设备要求较高；漏磁检测需要在铁磁材料上进行，不适用于非金属材料的分层检测；涡流检测对金属表面或近表面的缺陷有很高的检出灵敏度，但是对于非金属的热障涂层损伤却无法进行检测。
超声波检测法是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等。超声波应用于防腐层界面损伤检测主要有声发射法、超声脉冲回波法、超声导波法等。现有的超声检测方法大多为检测复合材料的粘接质量，而较少涉及对金属和非金属分层缺陷的研究。
在结构损伤检测领域，利用传统超声进行损伤检测是基于超声波的线性响应结果，其本质是介质间具有不同的声阻抗。传统线性超声检测对操作和环境，几何形状和边界条件的变化敏感。而且基于线性响应的超声检测通常对微小裂纹、疲劳、蠕变、弱粘接等问题不敏感，不能用于材料或粘接构件的早期性能退化检测预警。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法，包括以下步骤：
S1：向非金属防腐层的待测区域发射超声波正弦信号；
S2：采集由所述超声波正弦信号通过非金属防腐层的待测区域后形成的接收信号；
S3：获取所述接收信号的非线性谐波分量，对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估。
相对于现有技术，本发明采用超声波正弦信号作为检测信号，频散特性弱、能量散失低，能有效提高单次检测的检测范围；并且基于非线性响应的超声检测来反映非金属防腐层的微观变化，通过小波包变换对接收信号的非线性谐波分量进行处理，利用小波能量值作为非金属防腐层分层缺陷的衡量指标，可以较好地反映非金属防腐层的分层缺陷。
进一步地，步骤S3中，所述小波能量值的获得方法为：通过n阶小波包对接收信号进行分解，得到个信号小波子集，每一个子集表示为：Xj＝[xj,1,xj,2,…,xj,m ]，(j＝1,2,…,2n)，其中，j表示信号的频率范围，m表示总的信号采集数目；定义第i个经过分解的能量信号为：则第i个能量向量为：第i个能量向量的小波能量值为：
进一步地，步骤S3中，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估的方法为：小波能量值越小，非金属防腐层分层缺陷损伤越大。分层缺陷位置中超声导波的波导为单层介质，其余无缺陷部位的波导为双层介质，由波动理论可知，超声导波在双层介质中的传播损耗更大，因此对接收信号，小波能量值越小，表明信号能量损耗越大，进而说明分层缺陷损伤越大。
本发明还提供了一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，包括控制装置、信号发生装置、超声探头和信号采集装置；所述信号发生装置的输入端、信号采集装置的输出端分别与控制装置电连接；所述超声探头包括发射探头和接收探头，所述发射探头与信号发生装置的输出端电连接，所述接收探头与信号采集装置的输入端电连接；所述发射探头和接收探头相对设置，两者之间的连线穿过非金属防腐层的待测区域；所述控制装置包括信号控制模块和信号处理模块，所述信号控制模块控制信号发生装置产生正弦信号，所述信号处理模块获取信号采集装置采集的接收信号的非线性谐波分量，并对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
相对于现有技术，本发明搭建了由控制装置、超声探头、信号发生装置和信号采集装置组成的检测平台，控制装置控制信号发生装置产生正弦信号，信号由发射探头往待测区域发射，通过待测区域传播后到达接收探头，信号采集装置采集来自接收探头的接收信号并输送至控制装置，控制装置基于非线性响应对接收信号进行小波分析，从而可以实现对非金属防腐层分层缺陷的有效准确的检测。此外，本发明基于超声导波，利用发射探头和接收探头实现对两探头之间连线经过区域的分层缺陷检测，相比于常规的点对点检测，大大提高了检测效率。
进一步地，所述控制装置包括信号控制模块和信号处理模块，所述信号控制模块与信号发生装置的输入端电连接，所述信号处理模块与信号采集装置的输出端电连接；所述信号控制模块控制信号发生装置产生正弦信号，所述信号处理模块获取通过信号采集装置采集的接收信号的非线性谐波分量，并对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
进一步地，所述信号处理模块包括高通滤波器、带通滤波器和计算单元；所述高通滤波器去除接收信号中的低频分量，所述带通滤波器获取接收信号中的非线性谐波分量，所述计算单元对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
进一步地，所述信号发生装置包括波形发生器和信号放大器；所述波形发生器的输入端与控制装置电连接，所述波形发生器的输出端与信号放大器的输入端电连接；所述信号放大器的输出端与发射探头电连接。
进一步地，所述正弦信号为经过汉宁窗调制的正弦信号，其中心频率与超声探头的谐振频率一致。
进一步地，所述控制装置为上位机。
进一步地，所述信号采集装置为数据采集卡。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法的流程示意图。
图2为实施例的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法，包括以下步骤：
S1：向非金属防腐层的待测区域发射超声波正弦信号；
S2：采集由所述超声波正弦信号通过非金属防腐层的待测区域后形成的接收信号；
S3：获取所述接收信号的非线性谐波分量，对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估。
具体的，请参阅图1，其为本实施例的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法的流程示意图，包括以下步骤：
W1：确定待测区域，设置发射探头和接收探头，使其连线穿过待测区域。
具体的，待测区域为待测对象非金属防腐层可能或者容易产生缺陷的部位，根据检测探头之间的距离选择合适的发射探头和接收探头，发射探头和接收探头采用常规的超声斜探头即可，2.5Z10×10A60的斜探头可以满足大部分板状或管状待测对象的需求，对特殊材质或形状的待测对象，可以通过测试选用其它参数的超声斜探头。
W2：基于发射探头和接收探头搭建包含上位机、波形发生器、信号放大器和数据采集卡的检测平台，并将各部件用信号线相连接。
具体的，请参阅图2，其为本实施例的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置的结构示意图，包括上位机1、波形发生器2、信号放大器3、发射探头4、接收探头5和数据采集卡6，其连接方式为：波形发生器2的输入端、数据采集卡6的输出端分别与上位机1电连接，波形发生器2的输出端与信号放大器3的输入端电连接，信号放大器3的输出端与发射探头4电连接，数据采集卡6的输入端与接收探头5电连接，发射探头4和接收探头5的连线穿过待测区域D。其中，信号放大器3的放大倍数由待测区域大小决定，若待测区域较大，则可选用放大倍数较大的信号放大器，或者将大的待测区域分成数个小区域进行多次检测。
W3：利用上位机和波形发生器产生经过汉宁窗调制的正弦信号，信号经过信号放大器放大后由发射探头往待测区域发射。
具体的，采用经过汉宁窗调制的正弦信号对非金属防腐层分层缺陷进行单通道激励-单通道接收检测，经过汉宁窗调制的正弦信号的中心频率与超声探头的谐振频率一致，以保证信号在待测区域中的有效传播。
W4：信号通过待测区域传播后到达接收探头，通过数据采集卡采集接收信号并输送至上位机。具体的，数据采集卡可根据对结果的精确度要求进行选择。
W5：通过上位机获取接收信号中的非线性谐波分量，并对该非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，基于小波能量值对非金属防腐层的分层缺陷进行评估。
具体的，对接收信号进行小波包变换，基于小波能量值对非金属防腐层的分层缺陷进行评估的方法为：通过n阶小波包对接收信号进行分解，得到个信号小波子集，每一个子集表示为：Xj＝[xj,1,xj,2,…,xj,m]，(j＝1,2,…,2n)，其中，j表示信号的频率范围，m表示总的信号采集数目；定义第i个经过分解的能量信号为： 则第i个能量向量为：第i个能量向量的小波能量值为：通过计算分层缺陷处的Ew值来评估非金属防腐层分层缺陷损伤，小波能量值Ew越小，表明信号能量损耗越大，进而说明分层缺陷损伤越大。
本发明的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，包括控制装置、信号发生装置、超声探头和信号采集装置，所述信号发生装置的输入端、信号采集装置的输出端分别与控制装置电连接；所述超声探头包括发射探头和接收探头，所述发射探头与信号发生装置的输出端电连接，所述接收探头与信号采集装置的输入端电连接；所述发射探头和接收探头相对设置，两者之间的连线穿过非金属防腐层的待测区域；所述控制装置控制信号发生装置产生正弦信号，并获取信号采集装置采集的接收信号的非线性谐波分量，并对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
具体的，请参阅图2，其为本实施例的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置的结构示意图。本实施例中，所述控制装置为上位机1，包括信号控制模块和信号处理模块，所述信号处理模块包括高通滤波器、带通滤波器和计算单元；所述信号发生装置包括波形发生器2和信号放大器3；所述信号采集装置为数据采集卡6；所述超声探头包括发射探头4和接收探头5，两者的连线穿过待测区域D，该待测区域D为位于金属本体a上的非金属防腐层b可能或者容易产生缺陷的部位。
本实施例的检测装置的连接方式为：波形发生器2的输入端与上位机1的信号控制模块电连接，波形发生器2的输出端与信号放大器3的输入端电连接，信号放大器3的输出端与发射探头4电连接，数据采集卡6的输入端与接收探头5电连接，数据采集卡6的输出端与上位机1的信号处理模块电连接。
本实施例的检测装置的工作过程为：上位机1通过信号控制模块控制波形发生器2产生经过汉宁窗调制的正弦信号，信号经过信号放大器3放大后由发射探头4往待测区域D发射，信号通过待测区域D传播后到达接收探头5，数据采集卡6采集来自接收探头5的接收信号并输送至上位机1，上位机1通过信号处理模块中的高通滤波器去除接收信号中的低频分量，通过信号处理模块中的带通滤波器获取接收信号中的非线性谐波分量，并通过信号处理模块中的计算单元对该非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，然后基于小波能量值对非金属防腐层的分层缺陷进行评估，小波能量值越小，表明信号能量损耗越大，进而说明分层缺陷损伤越大。
相对于现有技术，本发明采用超声波正弦信号作为检测信号，频散特性弱、能量散失低，能有效提高单次检测的检测范围；并且基于非线性响应的超声检测来反映非金属防腐层的微观变化，通过小波包变换对接收信号的非线性谐波分量进行处理，利用小波能量值作为非金属防腐层分层缺陷的衡量指标，可以较好地反映非金属防腐层的分层缺陷。本发明还搭建了由控制装置、超声探头、信号发生装置和信号采集装置组成的检测平台，控制装置控制信号发生装置产生正弦信号，信号由发射探头往待测区域发射，通过待测区域传播后到达接收探头，信号采集装置采集来自接收探头的接收信号并输送至控制装置，控制装置基于非线性响应对接收信号进行小波分析，从而可以实现对非金属防腐层分层缺陷的有效准确的检测。此外，本发明基于超声导波，利用发射探头和接收探头实现对两探头之间连线经过区域的分层缺陷检测，相比于常规的点对点检测，大大提高了检测效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：向非金属防腐层的待测区域发射超声波正弦信号；
S2：采集由所述超声波正弦信号通过非金属防腐层的待测区域后形成的接收信号；
S3：获取所述接收信号的非线性谐波分量，对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估。
2.根据权利要求1所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法，其特征在于：步骤S3中，所述小波能量值的获得方法为：通过n阶小波包对接收信号进行分解，得到个信号小波子集，每一个子集表示为：Xj＝[xj,1,xj,2,…,xj,m]，(j＝1,2,…,2n)，其中，j表示信号的频率范围，m表示总的信号采集数目；定义第i个经过分解的能量信号为：则第i个能量向量为：第i个能量向量的小波能量值为：
3.根据权利要求1或2所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测方法，其特征在于：步骤S3中，基于所述小波能量值对非金属防腐层分层缺陷进行评估的方法为：小波能量值越小，非金属防腐层分层缺陷损伤越大。
4.一种非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：包括控制装置、信号发生装置、超声探头和信号采集装置；所述信号发生装置的输入端、信号采集装置的输出端分别与控制装置电连接；所述超声探头包括发射探头和接收探头，所述发射探头与信号发生装置的输出端电连接，所述接收探头与信号采集装置的输入端电连接；所述发射探头和接收探头相对设置，两者之间的连线穿过非金属防腐层的待测区域；所述控制装置控制信号发生装置产生正弦信号，并获取通过信号采集装置采集的接收信号的非线性谐波分量，并对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
5.根据权利要求4所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述控制装置包括信号控制模块和信号处理模块，所述信号控制模块与信号发生装置的输入端电连接，所述信号处理模块与信号采集装置的输出端电连接；所述信号控制模块控制信号发生装置产生正弦信号，所述信号处理模块获取通过信号采集装置采集的接收信号的非线性谐波分量，并对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
6.根据权利要求5所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括高通滤波器、带通滤波器和计算单元；所述高通滤波器去除接收信号中的低频分量，所述带通滤波器获取接收信号中的非线性谐波分量，所述计算单元对所述非线性谐波分量进行小波包变换，获得小波能量值。
7.根据权利要求4～6任一所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述信号发生装置包括波形发生器和信号放大器；所述波形发生器的输入端与控制装置电连接，所述波形发生器的输出端与信号放大器的输入端电连接；所述信号放大器的输出端与发射探头电连接。
8.根据权利要求4～6任一所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述正弦信号为经过汉宁窗调制的正弦信号，其中心频率与超声探头的谐振频率一致。
9.根据权利要求4～6任一所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述控制装置为上位机。
10.根据权利要求4～6任一所述的非金属防腐层分层缺陷超声导波检测装置，其特征在于：所述信号采集装置为数据采集卡。
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