用於對材料和結構進行非破壞性評估和監視的方法和設備的製作方法

2023-07-18 05:17:36 1

專利名稱：用於對材料和結構進行非破壞性評估和監視的方法和設備的製作方法
技術領域：
本公開內容涉及一種用於激發具有可選脈衝性質的高度非線性脈衝、將這些脈衝 發射到結構或材料中、並檢測來自結構或材料的這些脈衝的方法和設備。更具體而言，本公 開內容描述了一種用於激發具有期望形狀、幅度、頻率和/或持續時間的、可選數目的可控 的高度非線性脈衝(然後其可被用於非破壞性評估和/或結構健康監視)的方法和設備。
背景技術：
可以通過使用衝擊測試來實現材料或結構的非破壞性評估。在衝擊測試中，通常 利用衝擊裝置擊打材料或結構，然後測量穿過材料或結構的聲波，以提供材料或結構內的 缺陷的某種指示。參見例如在1992年11月24日授予Sansalone等人的第5，165，270號 美國專利。在第5，165，270號美國專利中，衝擊裝置是多個不同重量的球體，每個球體被設 計成產生不同持續時間的衝擊，由此將不同的應力波傳遞到待測試的結構中。依賴於衝擊 持續時間，不同的應力波具有不同的頻率值。每個球體被設置在彈簧鋼杆的一端上。在測 試開始時，所選球體處於息止位。利用一對鉗夾將球體從息止位回撤到結構上方的給定高 度。此動作使彈簧鋼杆偏斜，由此增大了衝擊球體的勢能。在預定釋放點釋放球體，使得它 衝擊結構並向結構傳遞給定能量。該衝擊產生從結構的外表面和/或內部缺陷反射的應力 波(聲波)。反射波由換能器檢測，換能器將波造成的法向表面位移轉換成電信號。然後， 電信號被處理以提供指示結構的厚度或者設置在其中的缺陷的幅度/頻率譜。其它衝擊測試設備和技術在本領域中也是已知的，但是通常使用與上述方法類 似的方法，即，擊打待測試的材料並測量應力波傳播。在衝擊測試技術中使用的衝擊裝置 (即，擊打器)通常成本為數百美元或更多並且需要耦合到信號調節器。線路供電的信號調 節器被用來向傳感器供電並調節它們的輸出信號以便發送到讀出及記錄儀器。衝擊錘被用 於將衝力遞送到測試樣品中，信號調節器被用來提供所施加的力的幅度和頻率內容的電測 量信號。用於非破壞性評估的錘和調節器可能很昂貴。如下文所述的本發明的實施例可以 提供用於對材料和結構進行非破壞性評估的更低成本的設備。

發明內容
本公開內容描述了一種用於對結構和材料進行非破壞性評估(NDE)的方法和設 備，其使用高度非線性介質來生成和檢測撞擊材料或結構的一個或多個高度非線性脈衝 (或高度非線性波)。該設備包括誘發高度非線性的、弱非線性的或線性的應力波在待檢 查的材料、系統或結構中的傳播的脈衝激發器；和/或用於觀察和檢測來自被測試的材料/ 結構的輸出波的檢測器。該NDE方法包括僅使用可調諧的高度非線性設備作為脈衝激發 器來檢測輸出脈衝，或者將可調諧的高度非線性設備與加速度計或非線性傳感器相結合使 用來檢測輸出脈衝。本發明的實施例依賴於使用可在高度非線性系統(即，可包括粒狀材料、分層材 料、纖維材料或多孔材料的系統)中形成並行進的高度非線性波(HNW)，包括高度非線性孤 立波(HNSW)。與在使用基於聲音、超聲或衝擊的技術的現有技術系統中使用的常規應力波 相比，HNW在可任意調整的、簡單的且可再現的設置中在波長、波速(與波長幅度和材料性 質成比例)、所生成的脈衝的數目和幅度控制方面提供了顯著更高的可調諧性。本發明的實施例可以提供對現有技術系統的改進，這些改進包括1)誘發的脈衝 的頻率、幅度和速度的更大的可調諧範圍，從而導致材料中的可檢測的裂縫、缺陷和夾雜物 的更寬範圍的尺寸(即，多標度缺陷敏感度)；2)測量的增強的可重複性，從而提高測量系 統的可靠性並且避免現有技術方法通常所需要的高超的必需操作技能；3)測量系統內的 儀器(比如波激勵器和傳感器)按不同尺度的更簡單且更具可縮放性的設計(這還可提供 更廣泛的應用)；4)儀器的降低的功率需求特性；以及(5)處理部件、傳感器和激勵器的降 低的組裝和製造成本(低於當前市售衝擊錘達2個數量級之多)。本發明的一些實施例包括基於與常規感測/激勵方法耦合的或者組合在一起的 高度非線性傳感器和/或激勵器(完全非線性系統)進行非破壞性評估和/或結構健康監 視(NDE/SHM)的方法和設備。例如，一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將高度非 線性激勵器與經典接收器(比如加速度計、雷射幹涉儀、壓電計量器或者本領域中已知的 其它檢測器)相結合使用，其中激勵器向待檢查的材料提供輸入且經典接收器測量輸出。 另一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將經典衝擊回波/輕敲聲測試激勵方法與高 度非線性接收器一起使用，其中經典衝擊/輕敲測試提供輸入且高度非線性接收器測量輸 出。又一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將高度非線性激勵器與高度非線性接收 器一起使用，其中激勵器提供輸入且接收器測量輸出。本發明的一個實施例是一種用於進行元件或結構的檢查的方法，該方法包括生 成一個或多個高度非線性波；將該一個或多個高度非線性波引導到待檢查的元件或結構 中；以及在被引導到待檢查的元件或結構中的波已穿過元件或結構的至少一部分之後檢測 源於所述波的脈衝。本發明的另一個實施例是一種用於檢查元件或結構的系統，該系統包括高度非 線性波激勵器，其中該激勵器可配置成使高度非線性脈衝撞擊待檢查的元件或結構；以及脈 衝檢測器，可配置成檢測穿過待檢查的元件或結構的至少一部分的來自該激勵器的脈衝。本發明的又一個實施例是一種用於進行元件或結構的檢查的方法，該方法包括 生成檢查脈衝；將檢查脈衝引導到待檢查的元件或結構中；將已穿過待檢查的元件或結構 的至少一部分之後的檢查脈衝引導到高度非線性接收器中；以及檢測已穿過高度非線性接收器的至少一部分之後的檢查脈衝。本發明的又一個實施例是一種用於檢查元件或結構的系統，該系統包括脈衝激 勵器，其中該激勵器可配置成向待檢查的元件或結構施加脈衝；以及非線性接收器，可配置 成檢測穿過待檢查的元件或結構的至少一部分的來自該激勵器的脈衝。


圖IA是用於產生和/或檢測高度非線性波的系統的示意圖。圖IB圖示了具有嵌入式壓電元件的珠子。圖2A圖示了用於產生或檢測高度非線性波的系統。圖2B圖示了用於產生或檢測高度非線性波的系統。圖3A是表示對於高度非線性的、弱非線性的或線性的塊狀介質而言產生、傳播和 檢測高度非線性孤立波的示意圖。圖3B是表示在由高度非線性的、弱非線性的或線性的介質製成的波導結構中發 射高度非線性波的示意圖。圖4描繪了其中將高度非線性激勵器與經典接收器相結合使用的系統。圖5描繪了其中將經典衝擊回波/輕敲聲測試錘與高度非線性接收器相結合使用 的系統。圖6描繪了其中將高度非線性激勵器與高度非線性接收器相結合使用的系統。圖7是示出了用於進行非破壞性評估和結構健康監視的方法的步驟的流程圖。圖8是示出了用於通過使用逆方法來表徵材料的步驟的流程圖。圖9是示出了用於基於高度非線性波測量結果來確定材料或結構是否具有任何 損壞的步驟的流程圖。圖10圖示了向受損結構施加高度非線性孤立波、高度非線性孤立波穿過該結構 以及用以檢測該損壞的測試設置。圖11描繪了未受損的七線鋼絞線和受損的七線鋼絞線以及向其施加高度非線性 孤立波。圖12A和12B示出了其中在鋼杆內傳播高度非線性孤立波誘發的脈衝的實驗結^ ο圖13A和13B示出了其中使用與圖4中所示測試設置類似的測試設置在鋼杆內傳 播高度非線性孤立波誘發的脈衝的實驗結果。圖14A和14B示出了其中使用與圖4中所示測試設置類似、但是僅有兩個傳感器 的測試設置在鋼杆內傳播高度非線性孤立波誘發的脈衝的實驗結果。圖15A和15B示出了其中在鋼杆內傳播高度非線性孤立波誘發的脈衝並且使用預 壓縮的時間歷史結果。圖16A和16B示出了其中在鋼杆內傳播高度非線性孤立波誘發的脈衝並且使用預 壓縮的頻率-強度結果。圖17示出了用於自動評估和監視公路、鐵路、樓層空間和其它這樣的結構的系 統。
具體實施例方式本發明的實施例通過使用在粒狀部件的一維鏈中生成的高度非線性脈衝和波提 供了材料和結構的非破壞性評估和監視。在本公開內容中，粒狀部件或顆粒可以包括粒狀 物質，粒狀物質定義為優選地呈線性或網絡形狀的布置的、彼此彈性接觸的粒子或層的集 合體。儘管本發明的實施例使用高度非線性脈衝和波，但是可以在使用、生成和/或檢測高 度非線性孤立波或脈衝時提供額外優點。對本公開內容來說，高度非線性孤立波應被視為 高度非線性波的具體情況。此外，高度非線性孤立波應被視為高度非線性脈衝的具體情況。 因此，除非另有說明，這裡對高度非線性波的任何引用應被視為包括高度非線性孤立波，且 這裡對高度非線性脈衝的任何引用應被視為包括高度非線性孤立脈衝。顆粒之間的接觸互作用由方程1中所示的高度非線性力F-位移δ關係來調節
權利要求
一種用於進行元件或結構的檢查的方法，包括生成一個或多個高度非線性波；將所述一個或多個高度非線性波引導到待檢查的所述元件或結構中；以及在被引導到待檢查的所述元件或結構中的波已穿過所述元件或結構的至少一部分之後檢測源於所述波的脈衝。
2.根據權利要求1所述的方法，其中生成高度非線性波包括將一個或多個脈衝引導到 球形粒子鏈中，其中所述球形粒子鏈中的每個粒子與所述鏈中的相鄰粒子線性接觸。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述粒子鏈中的所述粒子受線性約束並且在線性 方向上受壓縮。
4.根據權利要求3所述的方法，其中通過選擇以下中的一個或多個來控制由所述粒子 鏈生成的所述高度非線性波的期望波長、速度、脈衝數目和/或幅度所述粒子鏈中的粒子 數目；所述粒子鏈中的粒子尺寸；構成所述粒子的材料；以及靜態預壓縮的量。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述一個或多個高度非線性波包括一個或多個高 度非線性孤立波。
6.一種用於檢查元件或結構的系統，包括高度非線性波激勵器，其中所述激勵器可配置成使高度非線性脈衝撞擊待檢查的所述 元件或結構；以及脈衝檢測器，可配置成檢測穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分的來自所述激 勵器的脈衝。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述高度非線性波激勵器包括球形粒子鏈；以及擊打設備，配置成擊打所述粒子鏈中的第一個粒子。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述高度非線性波激勵器還包括配置成沿著所述 球形粒子鏈的線性方向施加壓縮力的預壓縮設備。
9.根據權利要求6所述的系統，還包括配置成從所述高度非線性波激勵器接收生成的 脈衝數據並配置成從所述脈衝檢測器接收所接收到的脈衝數據的處理器，其中所述處理器 將所述接收到的脈衝數據與所述生成的脈衝數據相比較以確定檢查結果。
10.根據權利要求6所述的系統，其中所述高度非線性波激勵器生成一個或多個高度 非線性孤立波。
11.根據權利要求2所述的方法或根據權利要求7所述的系統，所述粒子鏈中的至少一 個粒子包含以下檢測元件中的至少一個波檢測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或 位移檢測元件。
12.一種用於進行元件或結構的檢查的方法，包括生成檢查脈衝；將所述檢查脈衝引導到待檢查的所述元件或結構中；將已穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分之後的所述檢查脈衝引導到非線性 接收器中；以及檢測已穿過所述非線性接收器的至少一部分之後的所述檢查脈衝。
13.一種用於檢查元件或結構的系統，包括脈衝激勵器，其中所述激勵器可配置成向待檢查的所述元件或結構施加脈衝；以及非線性接收器，可配置成檢測穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分的來自所述 激勵器的脈衝。
14.根據權利要求13所述的方法或根據權利要求13所述的系統，其中所述非線性接收 器包括球形粒子鏈，其中所述球形粒子鏈中的每個粒子與所述鏈中的相鄰粒子線性接觸。
15.根據權利要求14所述的方法或系統，其中所述粒子鏈中的所述粒子受線性約束並 且在線性方向上受壓縮。
16.根據權利要求14所述的方法，其中檢測所述檢查脈衝包括利用包含以下檢測元件 中的至少一個的、所述粒子鏈中的至少一個粒子來檢測所述檢查脈衝波檢測元件；壓力 檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。
17.根據權利要求14所述的方法，其中檢測所述檢查脈衝包括將所述檢查脈衝引導 到所述粒子鏈的與待檢查的所述元件或結構相鄰的一端中，並在所述粒子鏈的與相鄰於待 檢查的所述元件或結構的所述端相反的一端檢測所述檢查脈衝。
18.根據權利要求14所述的方法或系統，其中所述粒子鏈中的至少一個粒子包含以下 檢測元件中的至少一個波檢測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。
19.根據權利要求14所述的方法或系統，其中所述非線性接收器包括設置在所述粒子 鏈的一端的至少一個檢測元件，其中所述檢測元件包括以下檢測元件中的至少一個波檢 測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。全文摘要
一種用於對結構和材料進行非破壞性評估(NDE)的方法和設備，其使用高度非線性介質來生成和檢測撞擊材料或結構的一個或多個高度非線性脈衝(或高度非線性波)。該設備包括誘發高度非線性的、弱非線性的或線性的應力波在待檢查的材料、系統或結構中的傳播的脈衝激發器；和/或用於觀察和檢測來自被測試的材料/結構的輸出波的檢測器。該NDE方法包括僅使用可調諧的高度非線性設備作為脈衝激發器來檢測輸出脈衝，或者將可調諧的高度非線性設備與加速度計或非線性傳感器相結合使用來檢測輸出脈衝。
文檔編號G01N29/04GK101971017SQ200880126412
公開日2011年2月9日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年2月7日
發明者基亞拉·達拉約, 皮耶爾溫琴佐·裡佐 申請人:加州理工學院;匹茲堡大學高等教育聯邦體系