專利名稱：利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的方法，屬于無損檢測領域。
背景技術：
隨著我國現(xiàn)代化建設的發(fā)展，無論在高科技建設方面還是在基礎設施建設方面，設施結 構安全檢測都是一個不容忽視的環(huán)節(jié)。由于柱結構在復雜的服役環(huán)境中受到設計載荷的作用, 以及各種突發(fā)性外在因素的影響而面臨結構中缺陷損傷程度的積累。隨著時間的推移，有的 會發(fā)生嚴重的損傷，甚至導致斷裂，由此會產生災難性的后果。目前對結構中缺陷定性研究 的較多，而對其所含缺陷進行定量檢測存在較大困難。
超聲波檢測技術是一種在不損壞被檢物的結構和使用性能的情況下，利用超聲波的方法 來揭示其內部或表面存在的缺陷，以期提高被檢物的內在質量和使用時的可靠性的一種技 術，近年來引起人們廣泛關注。超聲波檢測作為一種既安全又經濟的手段，受到工程技術人 員的青睞。現(xiàn)在，突飛猛進的高尖端技術在對材料的性能提出了更高要求的同時，要求材料 的檢測手段有進一步的改進，提出了定量無損檢測(QuantitativeNon-destructiveTest)的需要， 也就是不僅需要探測材料內部是否存在缺陷,而且需要定量地確定缺陷的幾何特征(形狀、尺 寸和取向)和材料性能，甚至缺陷的動態(tài)發(fā)展規(guī)律。但是，目前還沒有相關的手段能達到這一 技術效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足，提供一種利用超聲波重構柱結構中三維缺 陷形狀的系統(tǒng)，以便能夠快速、準確、低成本地重構出柱結構中三維缺陷的形狀。
本發(fā)明利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)構成包括
函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質參數(shù)生成適用于檢測的具備設定中心頻率及周期的單音 頻信號的模塊；
超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測柱中發(fā)送超聲波信號；或以其作為超 聲波接收單元，接收被測柱中缺陷的反射回波信號；
三維缺陷形狀重構模塊，根據(jù)被測柱中缺陷的反射回波信號，重構柱結構中三維缺陷形狀。
轉換開關模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉換，其中
工作模式1:函數(shù)發(fā)生器模塊發(fā)送的超聲波信號傳遞至超聲波收發(fā)模塊；
工作模式2:超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結構中缺陷反射回波信號導入三維缺陷形狀重構模塊。
本發(fā)明系統(tǒng)的結構特點也在于
設置超聲波收發(fā)模塊于被測柱結構側面，在所述被測柱結構中產生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v 波，以所述縱波在柱結構中遇到缺陷產生的回波信號作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號。
所述超聲波收發(fā)模塊針對被測柱結構表面的信號發(fā)射與接收的密度為沿同一截面上間 隔10° ，縱向間隔3mm。
所述超聲波收發(fā)模塊為壓電換能器或單晶探頭。
所述轉換開關模塊的電路結構設置為功率放大器通過一對背靠背二極管Dl、 D2 —路與 電橋B1相連，另一路先通過一對背靠背二極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋 B2相連；在所述電橋B2的輸出回路中并聯(lián)連接另一對背靠背二極管D5、 D6。
與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀，為無損檢測，不需破壞結構；對于 含三維缺陷的柱狀結構，利用超聲探頭提取缺陷處反射回波信號，經信號處理后重構缺陷形 狀；檢測準確度高，誤差能夠滿足工程要求，檢測成本低。
2、 本發(fā)明系統(tǒng)操作簡單，工人勞動強度小，對操作工人的技術水平要求低。
3、 本發(fā)明對于在實際工程中有廣泛應用的柱狀的桿等典型結構的檢測具有很重要的工
程意義，在在飛機、航天器、海洋平臺、新型橋梁、網架結構、高層建筑等中都能體現(xiàn)出其 廣泛的應用前景。


圖l為本方法的便攜式終端裝置模塊示意圖。
圖2a、圖2b分別為利用本發(fā)明系統(tǒng)，激發(fā)頻率為1.31MHz柱結構中圓柱形空穴反射回 波的時域波形圖和頻譜圖。
圖3a、圖3b分別為本發(fā)明方法的函數(shù)發(fā)生器模塊中的檢測條件設定窗口和發(fā)送波形選 擇/顯示窗口。
圖4為本方法的三維缺陷形狀檢測結果顯示窗口。
圖5為控制方法流程圖。
圖6為本發(fā)明轉換開關模塊電路原理圖。
以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發(fā)明作進一步說明
具體實施例方式
參見圖l，本實施例中的系統(tǒng)構成主要包括函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質參數(shù)生成適用于檢測的具備設定中心頻率及周期的單音 頻信號的模塊，可以采用高性能單片機和高速數(shù)/模轉換芯片構成，也可由DSP芯片實現(xiàn)。
超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測柱中發(fā)送超聲波信號；或以其作為超 聲波接收單元，接收被測柱中缺陷的反射回波信號；可以采用壓電換能器或單晶探頭，比如 采用壓電換能器，將壓電換能器放置于柱結構的側面，通過耦合劑如凡士林等與柱結構側面 接觸，在被測柱結構中產生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，以縱波在柱結構中遇到缺陷產生的回波 信號作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號。
三維缺陷形狀重構模塊，根據(jù)被測柱中缺陷的反射回波信號，重構柱結構中三維缺陷形狀。
轉換開關模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉換，其中 工作模式1:函數(shù)發(fā)生器模塊發(fā)送的超聲波信號傳遞至超聲波收發(fā)模塊； 工作模式2:超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結構中缺陷反射回波信號導入三維缺陷形狀重 構模塊。
具體實施中，系統(tǒng)設置還包括有
功率放大模塊，由前置放大器和集成功率放大器構成，用于放大由函數(shù)發(fā)生模塊所產生 的波形信號，并通過轉換開關傳輸給超聲波收發(fā)模塊；
增益放大模塊，用于將所接收到的柱結構中缺陷反射回波信號進行放大，最大放大率可 達60dB。
波形解析及顯示模塊，通過對反射回波信號的分析，提取缺陷反射回波信號，并將該信 號波形進行顯示，三維缺陷形狀重構模塊通過將波形解析及顯示模塊的回波信號導入相應的 計算軟件計算并顯示三維缺陷形狀。
具體工作過程是將超聲波收發(fā)模塊安置于被測柱結構側面，將柱結構介質相關參數(shù)輸
入函數(shù)發(fā)生器模塊，函數(shù)發(fā)生器模塊從自身儲備數(shù)據(jù)庫中選取適合該參數(shù)的信號，并產生脈
沖信號，經功率放大模塊進行放大后，再經由轉換開關模塊施加于超聲波收發(fā)模塊，超聲波
收發(fā)模塊在柱結構中產生一個沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，該縱波在柱結構中遇到缺陷產生的回
波信號又傳輸?shù)匠暡ㄊ瞻l(fā)模塊，超聲波收發(fā)模塊通過轉換開關模塊將該信號傳輸給增益放
大模塊，增益放大模塊放大信號后送入波形解析及顯示模塊，波形解析及顯示模塊通過分析
反射回波信號，以數(shù)據(jù)的形式存儲在存儲器中，以備分析處理，提取缺陷反射回波處的信號，
將回波信號導入三維缺陷形狀重構模塊，計算并顯示三維缺陷的形狀。 參見圖6，轉換開關模塊由穩(wěn)壓電源和轉換電路組成。
5穩(wěn)壓電源為轉換電路提供正負15伏的直流穩(wěn)壓電，轉換開關模塊的電路結構設置為功
率放大器通過一對背靠背二極管D1、 D2—路與電橋B1相連，另一路先通過一對背靠背二
極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋B2相連；在所述電橋B2的輸出回路中并
聯(lián)連接另一對背靠背二極管D5、 D6。
這個電路的功能是在不使用繼電器的情況下，自動完成激勵接收模式的轉換。繼電器本
身具有固有的噪聲，當繼電器斷開和閉合時會產生較大幅度的脈沖噪聲，形成虛假信號，同
時它會損壞后續(xù)精密的接收設備。該電路利用電橋及二極管的組合實現(xiàn)類似繼電器的閉合、
斷開之間的自動轉換。
轉換開關模塊如圖6所示， 一個功率放大器通過一對背靠背的1N4004 二極管D1、 D2， 與電橋B1相連，這一回路在接收信號時起到隔離功率放大器的作用。1N4004 二極管對功率 放大器產生的噪聲是一種高阻抗，可減少大功率輸入信號噪聲對接收信號的干擾。當來自于 功率放大器的輸入脈沖信號大于1.2Vp-p時，電橋Bl反向偏置，信號通過兩組二極管D3、 D4到達超聲波收發(fā)模塊即傳感器P2，產生超聲波信號，電橋B2反向偏置，只有極少的激勵 信號通過電橋B2到達下一級，緊接著的一組二極管D5、D6對漏過的激勵信號具有限流作用， 將到達后端的信號限制在一個可容忍的范圍內。當傳感器P2接收信號時，接收信號比較微 弱，二極管D3、 D4成為高阻抗，電橋B2的偏置電阻選擇為2k，使電橋的阻抗很小，從而 使絕大多數(shù)的接收信號都能通過達到下一級。這樣超聲波激勵和接收的信號就被分隔開來， 實現(xiàn)激勵接收模式的自動轉換。
轉換開關的作用是在檢測過程中，同一組傳感器要完成信號激勵和接收的雙重任務，需 要轉換開關模塊將激勵出的70V以上的高電壓信號和所接收到的500mV以下弱電壓信號區(qū)分 開，將高電壓信號送給超聲波收發(fā)模塊，并將弱電壓信號傳送給增益放大模塊。
圖1所示的柱結構長度為33cm、直徑為15cm，鋁質圓柱體，密度為2700kg/m3，縱波 波速為6320m/s。其內含直徑是10mm，長為10cm的孔。
1、 如圖3 (a)、圖3 (b)所示，將鋁質柱結構的相關參數(shù)輸入函數(shù)發(fā)生器模塊輸入界 面中，函數(shù)發(fā)生模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)從自身儲備數(shù)據(jù)庫中選擇適合脈沖超聲波信號。在本實施 中，函數(shù)發(fā)生器模塊產生一個頻率為1.31MHz的單音頻正弦信號。經功率放大模塊進行電 流放大后其電壓峰值為200V，經轉換開關模塊施加于超聲波收發(fā)模塊上，在被測鋁質柱結 構中產生縱波；
2、 上述縱波在鋁質柱結構中遇到缺陷產生反射，超聲波收發(fā)模塊接收到縱波的回波信 號，經轉換開關模塊，并由增益放大模塊放大電流信號后，送入波形解析及顯示模塊；3、波形解析及顯示模塊通過分析反射回波信號，提取缺陷反射回波處的信號，并將此 回波波形顯示出來。三維缺陷形狀重構模塊將波形解析及顯示模塊的回波信號導入相應的計 算軟件，計算后顯示三維缺陷形狀，過程如圖5所示。
圖4為1.31MHz頻率下所接收的反射波形。第一次反射回波時間為0.00427ms，依此類 推每隔10°沿同一截面激勵并接收一次，在縱向每隔3mm進行上述操作，依次將相應的反 射回波數(shù)據(jù)導入計算軟件進行計算，最終重構出缺陷的三維形狀，如圖2所示。
三維缺陷形狀重構模塊的控制過程為
導入缺陷回波數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換；
逐一進行數(shù)組的循環(huán)賦值，即二維數(shù)組的循環(huán)賦值過程；
對頻譜的幅值進行處理；
其中對頻譜的幅值進行處理的相應公式如下
式中，￡<表示自由平面的反射系數(shù)；CK(/)和C^仿分別表示參考信號與測得的信號 Fourier變換后的對應值。
積分函數(shù)進行離散化求解； 其中積分函數(shù)的表達式如下
式中，^表示散射角的度數(shù)；、表示縱波波數(shù)；LAJkL,7r/2,W表示散射幅值；"°表 示振幅。
在指定區(qū)域內重構缺陷形狀。
權利要求
1、利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征在其系統(tǒng)構成中包括函數(shù)發(fā)生模塊，根據(jù)輸入的介質參數(shù)生成適用于檢測的具備設定中心頻率及周期的單音頻信號的模塊；超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測柱中發(fā)送超聲波信號；或以其作為超聲波接收單元，接收被測柱中缺陷的反射回波信號；三維缺陷形狀重構模塊，根據(jù)被測柱中缺陷的反射回波信號，重構柱結構中三維缺陷形狀。轉換開關模塊，在工作模式1與工作模式2之間轉換，其中工作模式1函數(shù)發(fā)生模塊發(fā)送的超聲波信號傳遞至超聲波收發(fā)模塊；工作模式2超聲波收發(fā)模塊接收到的柱結構中缺陷反射回波信號導入三維缺陷形狀重構模塊。
2、 根據(jù)權利要求1所述的利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是設 置超聲波收發(fā)模塊于被測柱結構側面，在所述被測柱結構中產生沿柱橫截面?zhèn)鞑サ目v波，以 所述縱波在柱結構中遇到缺陷產生的回波信號作為超聲波收發(fā)模塊的接收信號。
3、 根據(jù)權利要求2所述的利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述超聲波收發(fā)模塊針對被測柱結構表面的信號發(fā)射與接收的密度為沿同一截面上間隔10°,縱向間隔3mm。
4、 根據(jù)權利要求2所述的利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述超聲波收發(fā)模塊為壓電換能器或單晶探頭。
5、 根據(jù)權利要求1所述的利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其特征是所 述轉換開關模塊的電路結構設置為功率放大器通過一對背靠背二極管D1、 D2—路與電橋B1 相連，另一路先通過一對背靠背二極管D3、 D4—路接至傳感器P2，另一路與電橋B2相連； 在所述電橋B2的輸出回路中并聯(lián)連接另一對背靠背二極管D5、 D6。
全文摘要
利用超聲波重構柱結構中三維缺陷形狀的系統(tǒng)，其系統(tǒng)構成的特點是包括有函數(shù)發(fā)生模塊，輸入介質參數(shù)生成適用于檢測的具備設定中心頻率及周期的單音頻信號的模塊；超聲波收發(fā)模塊，以其作為超聲波發(fā)送單元向被測柱中發(fā)送超聲波信號；或以其作為超聲波接收單元，接收被測柱中缺陷的反射回波信號；三維缺陷形狀重構模塊，根據(jù)被測柱中缺陷的反射回波信號，重構柱結構中三維缺陷形狀。本發(fā)明系統(tǒng)具有重構準確度高、操作簡單、重構成本低等優(yōu)點。
文檔編號G01B17/06GK101430197SQ200810244510
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權日2008年11月19日
發(fā)明者玲 李, 鄭禮全, 鄭鋼豐 申請人:鄭鋼豐