一種基於掃頻多通道電磁超聲導波裝置的導波方向控制方法與流程
2023-05-31 13:43:36 1
本發明屬於無損檢測技術領域，具體涉及一種導波方向控制方法，用於金屬板材、管件等的無損檢測。
背景技術：
隨著我國工業化水平的不斷發展，定期對工業結構進行檢測和健康監測，保證其安全運營，具有重要意義。因此，無損檢測技術的應用越來越廣泛，特別是超聲導波檢測技術，具有檢測效率高、成本低的技術優勢，適用於大型工業結構的缺陷檢測和健康監測。
電磁超聲導波檢測方法通過改變換能器的結構和激勵電流的相位關係，更易於實現對導波的類型、模式和傳播方向的控制。但是，現有的電磁超聲導波換能器，線圈一般採用曲折線圈結構，每種結構對應一個中心頻率，實際檢測時需要改變線圈的接線方式，無法實現掃頻缺陷檢測和遠程在線監測。此外，對於管線分布密集的工況，受空間限制，換能器的體積有限，導致傳統的雙線圈結構換能器難以實現低頻超聲導波的方向控制。專利申請號201610998265.4給出了一種任意頻率的超聲導波發射接收裝置及其導波激勵和接收方法，但沒有給出超聲導波方向控制的方法。
技術實現要素：
本發明為了解決現有的導波方向控制方法不能在不改變線圈接線方式的情況下使用多通道電磁超聲導波換能器激勵和接收任意頻率的單向傳播超聲導波、不能遠程在線監測、不能控制任意頻率導波方向的問題。進而提出了一種基於掃頻多通道電磁超聲導波裝置的導波方向控制方法。
本發明採用的技術方案的步驟如下：
步驟一、將換能器安裝在被測試件(3)上，發射線圈陣列的發射線圈沿某一方向以任意間距並排分布，發射線圈數為2n，沿著導波傳播的方向將發射線圈編號t1，t2，......，t2n；
步驟二、沿發射線圈分布方向建立坐標軸；
步驟三、任選一方向為導波傳播抑制側，則相反方向為非抑制側，計算各線圈激勵電流的初始相位，通過調節各線圈激勵電流的初始相位使導波信號被抑制的一側，在任意時刻各信號疊加後振幅為零；
步驟四、基於步驟三中求得的激勵電流的初始相位，計算非抑制側各發射線圈產生的導波信號合成後的振幅；
步驟五、繪製步驟四中所求得的非抑制側導波信號振幅與頻率的關係曲線，不同工作頻率下，選擇導波信號振幅最大時所對應的激勵電流初始相位；
步驟六、通過選擇抑制側和非抑制側來實現方向控制，非抑制側即為導波的傳播方向。
掃頻多通道超聲導波裝置包括多通道超聲導波發射接收裝置、鐵鈷合金帶、被測試件和發射線圈陣列，鐵鈷合金帶通過施加壓力或粘結緊貼被測試件表面，發射線圈陣列位於鐵鈷合金帶表面，發射線圈陣列中每個發射線圈一端與多通道超聲導波發射接收裝置的一路發射通道連接，另一路接地，鐵鈷合金帶和發射線圈陣列組成換能器。
本發明的有益效果
本發明提供了一種基於掃頻多通道電磁超聲導波裝置的導波方向控制方法，該方法能夠在不改變線圈接線方式的情況下，使用多通道電磁超聲導波換能器激勵和接收任意頻率的單向傳播的超聲導波，實現對導波的方向控制，可對被測對象進行掃頻缺陷檢測和遠程在線監測。
附圖說明
圖1為掃頻多通道電磁超聲導波裝置；圖中：1-多通道電磁超聲導波發射接收裝置，2-鈷鐵合金帶，3-被測試件，4-發射線圈列陣；
圖2為激勵電流初始相位確定流程；
圖3為發射線圈分布示意圖；
圖4為實施例中的非抑制側導波信號振幅與頻率的關係曲線。
具體實施方式
本發明的原理是通過控制激勵電流的相位關係，調整試件中超聲導波的相位，使傳感器的某一側信號發生相消幹涉，實現單向傳播的功能。又因為換能器為多線圈結構，每個發射超聲導波的線圈連接一路發射電路，所以激勵電流相位控制方式多種多樣。為了獲得最佳的激勵和接收單向超聲導波的效果，需要綜合考慮不同控制方式的效果，不同的頻率範圍採用不同的控制方式。採用上述方法，無需人為更換換能器，換能器可永久安裝，從而為實現遠程監測奠定基礎。
具體實施方式一：一種基於掃頻多通道電磁超聲導波裝置的導波方向控制方法，如圖1所示，掃頻多通道超聲導波裝置包括多通道超聲導波發射接收裝置1、鐵鈷合金帶2、被測試件3和發射線圈陣列4，鐵鈷合金帶2通過施加壓力或粘結緊貼被測試件3表面，發射線圈陣列4位於鐵鈷合金帶2表面，發射線圈陣列4中每個發射線圈一端與多通道超聲導波發射接收裝置1的一路發射通道連接，另一路接地，鐵鈷合金帶2和發射線圈陣列4組成換能器，為了激勵任意頻率的超聲導波，發射線圈陣列4中的每個發射線圈均為單根導線或由單根導線緊密繞制螺旋狀線圈，線圈寬度遠小於工作頻率下超聲導波波長。
所述方法是按以下步驟實現的：
步驟一、如圖3所示，將多通道傳感器安裝在被測試件上，發射線圈沿某一方向以任意間距並排分布，發射通道數為2n，沿著導波傳播的方向將發射線圈編號t1，t2，......，t2n；
步驟二、沿發射線圈分布方向建立坐標軸；
步驟三、任選一方向為導波傳播抑制側，則相反方向為非抑制側，計算各線圈激勵電流的初始相位，通過調節各線圈激勵電流的初始相位使導波信號被抑制的一側，在任意時刻各信號疊加後振幅為零；
步驟四、基於步驟三中求得的激勵電流的初始相位，計算非抑制側各發射線圈產生的導波信號合成後的振幅；
步驟五、繪製步驟四中所求得的非抑制側導波信號振幅與頻率的關係曲線，不同工作頻率下，選擇導波信號振幅最大時所對應的激勵電流初始相位；
步驟六、通過選擇抑制側和非抑制側來實現方向控制，非抑制側即為導波的傳播方向。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二所述坐標軸為以發射線圈t1為原點，以導波傳播方向為正方向，各發射線圈對應坐標為x1，x2，......，x2n，其中x1＝0，xi為第i個線圈到第1個線圈的間距，i＝1，2，3，...，2n。；其他步驟和參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：步驟三中計算各線圈激勵電流的初始相位步驟如下：
(1)、根據被測試件參數使用數值解法或專用軟體求解被測試件中導波的特徵方程，獲得導波的波速c；
(2)、各發射線圈激勵電流信號為其中i＝1，2，......，2n，其中f為導波的頻率，i為激勵電流幅值，t為導波傳播時間，為初始相位；
(3)、對於任意位置x＞0，在t0時刻在該點發射線圈ti產生的導波信號為u(x)為超聲導波傳播至x處時的振幅；
對於任意位置x＜0，在t0時刻在該點發射線圈ti產生的導波信號為
(4)、聲波抑制側任取一點作為被測點，在2n個線圈中任意選取n個線圈，使這n個線圈在導波信號抑制側某點產生的導波信號相位為這n個線圈到第一個線圈的間距組成集合an；餘下的n個線圈在該點產生的導波信號相位為餘下的n個線圈到第一個線圈的間距組成集合bn，即集合an和bn是集合n＝{x1，x2，......，x2n}的兩個子集合，滿足|an|＝|bn|＝n，an∩bn＝0且an∪bn＝n；
(5)、任取，使各信號的相位滿足xiy為集合an中線圈在集合n中對應的線圈到第一個線圈的間距，xiz為集合bn中線圈在集合n中對應的線圈到第一個線圈的間距；為集合an中線圈在集合n中對應的線圈的相位，為集合bn中線圈在集合n中對應的線圈的相位，x為被測點坐標；
(6)、根據步驟(5)中的方程求解各線圈激勵電流的初始相位其中i＝1，2，......，2n且
(7)、更換集合an和bn，重複計算各激勵電流的初始相位。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟四所述合成後的振幅為振幅越大效果越好。其他步驟和參數與具體實施方式一至三之一相同
具體實施方式五：在檢測缺陷時，為了激勵單向傳播的超聲導波，需要調節各發射線圈激勵電流的初始相位。不同工作頻率下，各發射線圈激勵電流初始相位確定過程如圖2所示，步驟三中在計算各線圈激勵電流的初始相位時由於在2n個發射線圈中選擇n個線圈，有多種選擇方式，且不同的選擇方式適用於不同的工作頻率。因此，需要改變發射線圈的分組方式，重新計算該方式下對應的激勵電流初始相位，繪製非抑制側信號合位移振幅與工作頻率的關係曲線。根據該關係曲線，可確定不同工作頻率時最佳的激勵電流相位控制方法。
實施例
以四個單線圈等間距分布(相鄰單線圈間距為12.5mm)為例，為了使抑制側振幅為零，只需將線圈均分為兩組，共有3種分組方法。其中，方法1為t1t2，t3t4；方法2為t1t4，t2t3；方法3為tit3，t2t4。三種分組方法產生的導波在非抑制側合位移振幅與頻率的關係如圖所示，在工作頻率為64khz時，分組方法1產生的導波合位移振幅最大，因此該頻率下採用分組方法1所對應的步驟三中的初始相位對線圈進行激勵；在工作頻率為96khz時，分組方法2產生的導波合位移振幅最大，因此該頻率下採用分組方法2所對應的步驟三中的初始相位對線圈進行激勵。