OPCM陣列傳感器及其在工程結(jié)構(gòu)NDT中的應(yīng)用

王自平，駱 英

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

“結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定與加固改造”欄目

OPCM陣列傳感器及其在工程結(jié)構(gòu)NDT中的應(yīng)用

王自平*，駱 英

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

陣列換能器是在超聲相控陣檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)電-聲轉(zhuǎn)換的傳感器件，是影響無(wú)損檢測(cè)(NDT)成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的超聲相控陣換能器中存在力電參數(shù)不合理導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不可設(shè)計(jì)性、驅(qū)動(dòng)電壓高等不足。為提高成像分辨率，設(shè)計(jì)了OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器相控陣列，并應(yīng)用于鋁板損傷檢測(cè)。結(jié)果表明：OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器使相控陣超聲損傷檢測(cè)的成像分辨率優(yōu)于常規(guī)的普通壓電陶瓷陣列結(jié)果，研究拓展了復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(NDT)。

OPCM陣列傳感器；相控陣；超聲探傷；無(wú)損檢測(cè)

0 引言

工程結(jié)構(gòu)的安全性已成為人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題，尤其對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)，及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的損傷檢測(cè)成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。目前常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有：超聲探傷法[1-3]、射線(xiàn)法[4]、滲透法[5]、磁粉法[6]、渦流法[7]、聲發(fā)射法[8-9]等，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。相比之下，超聲探傷法具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、靈活無(wú)害、快速高效等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用，成為目前無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中研究最活躍的技術(shù)之一。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可在不移動(dòng)或少移動(dòng)換能器的情況下對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行快速掃查和信號(hào)接收，尤其適合于大型工程結(jié)構(gòu)和外觀復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難以觸及的部位，并實(shí)現(xiàn)直觀成像，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

超聲相控陣技術(shù)起源僅20余年，初期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像[10-11]。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工程的無(wú)損檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)、壽命評(píng)估，例如：核工業(yè)、航空航天、建筑結(jié)構(gòu)、橋梁隧道、水利大壩等。傳統(tǒng)超聲相控陣損傷檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件—驅(qū)動(dòng)與傳感器件由普通的壓電陶瓷陣列換能器組成，具有驅(qū)動(dòng)/傳感性能可設(shè)計(jì)性差、材料脆性、力電參數(shù)不合理等缺陷，直接影響檢測(cè)結(jié)果和成像質(zhì)量。本文針對(duì)傳統(tǒng)超聲相控陣換能器的不足，研發(fā)了正交異性壓電復(fù)合材料(OPCM)驅(qū)動(dòng)/傳感器，鋁薄板結(jié)構(gòu)的超聲相控陣掃描檢測(cè)及局部探傷實(shí)驗(yàn)證明，具有定向發(fā)射/接收應(yīng)力波的特點(diǎn)，通過(guò)能量聚焦和偏轉(zhuǎn)，提高了損傷檢測(cè)信噪比和成像分辨率。

1 OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器構(gòu)造原理

為克服單一壓電材料的力-電特性方面的不足，在常用壓電材料PZT的基礎(chǔ)上發(fā)展出新的具有壓電效應(yīng)的強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)的壓電復(fù)合材料[12]。將一維壓電陶瓷相體平行地排列于一維連通的聚合物中進(jìn)而構(gòu)成了兩相的1-1型OPCM，如圖1，基體材料相是由比壓電陶瓷柔韌性要優(yōu)越得多的環(huán)氧型導(dǎo)電膠，它既作聚合物基體材料又被用作交叉式電極。

片狀1-1型OPCM元件既可以作為正交異性壓電驅(qū)動(dòng)元件，也可作為正交異性壓電傳感元件。在壓電復(fù)合材料中，由于聚合物相的存在，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，應(yīng)力將通過(guò)聚合物相傳遞給壓電相，使得OPCM具有應(yīng)力放大效應(yīng)；同時(shí)聚合物相的介電常數(shù)極低，也使得OPCM的介電常數(shù)整體下降很多，綜合使得OPCM中壓電常數(shù)得到了較大幅度地提高，同時(shí)，聚合物的加入使得壓電復(fù)合材料的韌性有了改善。

圖1 OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感元件構(gòu)造圖

2 超聲相控陣偏移理論

OPCM相控陣超聲驅(qū)動(dòng)/傳感器由多個(gè)OPCM陣元按一定形狀、尺寸排列而成的，陣元按設(shè)計(jì)角度延遲一定時(shí)間進(jìn)行發(fā)射，根據(jù)惠更斯原理，各OPCM陣元在空間疊加合成，從而形成相控發(fā)射聚焦和偏轉(zhuǎn)等效果。聚焦或偏轉(zhuǎn)超聲波在傳播過(guò)程中遇到損傷或邊界產(chǎn)生回波信號(hào)，將各回波到達(dá)OPCM陣元的時(shí)間差進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，對(duì)指定方向回波信號(hào)疊加后同相增強(qiáng)，而其它方向回波相加后減弱甚至抵消，由于OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器具有定向發(fā)射和接收超聲波的作用，因此便于實(shí)現(xiàn)相控能量聚焦，相控陣接收原理如圖2所示。

(a)接收聚焦 (b)接收偏轉(zhuǎn)

單陣元發(fā)射聲場(chǎng)與疊加原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3。OPCM元件陣元間距為d，以左邊第一個(gè)OPCM陣元為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)共有n個(gè)陣元，根據(jù)圖3中幾何關(guān)系，相鄰波程差為

△S=d·sinθ

(1)

式中，△S為相鄰兩陣元波程差，d為相鄰兩陣元中心之間的距離，θ為偏轉(zhuǎn)角。則第i個(gè)陣元相對(duì)于第1個(gè)陣元的延遲時(shí)間為

(2)

式中，Ti為第i個(gè)陣元相對(duì)于第1個(gè)陣元的延遲時(shí)間，C為波速。當(dāng)通過(guò)OPCM陣元發(fā)射信號(hào)時(shí)，若A(r,θ)為接收信號(hào)疊加點(diǎn)，則接收信號(hào)為

(3)

式中，ST為激勵(lì)信號(hào)，r/C為原點(diǎn)傳播到A點(diǎn)所需要的時(shí)間，K為衰減系數(shù)。通過(guò)控制時(shí)間延遲Ti，可以使波束偏轉(zhuǎn)方向按照預(yù)定的角度偏轉(zhuǎn)，從而可以延遲接收預(yù)定偏轉(zhuǎn)角度上的目標(biāo)信息。在相控陣偏轉(zhuǎn)粗掃描過(guò)程中，信號(hào)在損傷處反射能量最強(qiáng)，通過(guò)此方向上的信號(hào)疊加與OPCM元件特有的正交異性特性提高信噪比。通過(guò)計(jì)算合成后的時(shí)間差可得損傷至原點(diǎn)的距離r：

(4)

式中，t為雙程傳播時(shí)間差。

圖3 超聲相控偏轉(zhuǎn)圖

3 相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 試件及實(shí)驗(yàn)裝置

試件為1000mm×30mm×2mm的薄鋁板，9個(gè)11.7mm×1.5mm×0.7mm的OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器，相鄰中心距5mm依次為1～9，圖中粘貼一直徑5mm的鐵塊模擬損傷，見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由Agilent33220任意波形發(fā)生器、KH7602寬頻帶攻放及Agilenet54820A示波器組成，如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)試件示意圖

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

激勵(lì)信號(hào)采用中心頻率為50kHz、幅值為±5V的5波峰窄帶調(diào)制正弦信號(hào)，由于頻散現(xiàn)象使結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)復(fù)雜，通過(guò)將該激勵(lì)信號(hào)頻率約束在中心頻率附近，可以最大可能抑制在各向異性材料中信號(hào)傳播的發(fā)散效果，如圖6所示。

圖6 激勵(lì)信號(hào)

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及信號(hào)

陣列中其中一個(gè)OPCM元件作為驅(qū)動(dòng)器，其他8個(gè)則作為傳感器接收信號(hào)，每個(gè)角度采用8×9=72個(gè)傳感信號(hào)，圖7(a)為含損傷典型信號(hào)，圖7(b)為不含損傷健康信號(hào)，圖7(c)為兩者的差值信號(hào)。將所有差值信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間延遲，從0°到180°每隔5°疊加合成該角度上的總信號(hào)，進(jìn)行延時(shí)修正后，疊加各個(gè)角度上的延時(shí)處理信號(hào)。能量最強(qiáng)處即為損傷反射處。

(a)含損傷典型信號(hào)

(b)不含損傷首脈沖信號(hào)

(c)差值信號(hào)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將所有差值信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間延遲，每個(gè)角度上的信號(hào)進(jìn)行疊加合成該角度上的總信號(hào)。每隔5°偏移一次，將180°范圍內(nèi)合成的信號(hào)用灰度圖顯示在同一張圖上，如圖8，橫坐標(biāo)x表示OPCM元件陣列方向距離，縱坐標(biāo)y表示從源點(diǎn)到損傷處的連接方向，圖顏色深淺用幅值的平方來(lái)表示，即合成信號(hào)像素值對(duì)應(yīng)0°～180°范圍內(nèi)信號(hào)中該點(diǎn)幅值的平方，圖像中從暗到亮對(duì)應(yīng)能量從弱到強(qiáng)。能量較強(qiáng)的信號(hào)所在的角度即為損傷所在的方向，然后由最大能量的合成信號(hào)到達(dá)時(shí)刻及該方向表面波速計(jì)算出損傷所在的位置，從而確定其所在位置。從圖中可以看出，能量最大處即為損傷位置，其坐標(biāo)為(0°，82mm)，而實(shí)際損傷位置為(0°，80mm)，距離誤差為2mm，在損傷處還存在較大的反射信號(hào)導(dǎo)致的偽像影響損傷位置的判斷。

圖8 超聲相控陣粗掃描損傷檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器因其特有的正交異性特性而在工程結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中占有明顯的優(yōu)勢(shì)，OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感元件按照一定的組合方式排成陣列，通過(guò)激勵(lì)應(yīng)力波順序和延時(shí)來(lái)控制波束指向。

采用超聲相控陣掃描對(duì)鋁板模擬損傷進(jìn)行了檢測(cè)，得出OPCM驅(qū)動(dòng)/傳感器陣列可用于超聲相控陣檢測(cè)中，減少了在激發(fā)過(guò)程中的能量損失，限制其掃描面積，提高了成像分辨率。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用將有助于改善無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的精確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和可視化，可應(yīng)用于核工業(yè)、建筑結(jié)構(gòu)、橋梁隧道、水利大壩等大型工程及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估。

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(責(zé)任編輯：蔣 華)

OPCM Array Sensors and Application in NDT of Engineering Structures

WANG Zi-ping*, LUO Ying

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China)

Array transducer is a sensor which can realize electro-acoustic transforming in phased array ultrasonic detection. It is a key factor in determining the imaging quality in the nondestructive testing (NDT). Traditional ultrasonic phased array transducer has low design ability, high actuating voltage and other shortcomings. To improve the imaging resolution, an OPCM actuator/sensor phased array was designed and applied in damage detection of aluminum plate. The results showed that OPCM actuator/sensor improved the imaging quality in the phased array ultrasonic damage testing, and was better than that made of piezoceramics. It may expand the NDT application in complex structures.

OPCM array sensors; phased array; ultrasonic flaw detection; NDT

欄目主持人孫文彬教授按語(yǔ)：本期專(zhuān)欄得到了江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)駱英教授和揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院曹大富副教授的支持，駱院長(zhǎng)推薦土木工程測(cè)試技術(shù)研究院王自平博士的學(xué)術(shù)成果，曹老師推薦了研究生魏欣的研究論文。王博士在駱教授的指導(dǎo)下，從事新型傳感器及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，主持國(guó)家基金1項(xiàng)，參與“863”、國(guó)基及省部級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，本期刊發(fā)論文介紹了OPCM陣列傳感器的開(kāi)發(fā)和NDT應(yīng)用的研究成果。曹老師長(zhǎng)期從事工程結(jié)構(gòu)的加固改造研究，主持國(guó)家基金2項(xiàng)，本期刊發(fā)論文介紹了梁板疊合構(gòu)件剪切行為的有限元分析成果，涉及的鋼筋混凝寬柱雙梁框架結(jié)構(gòu)體系也是由曹老師課題組提出的舊房改造的新概念。兩文并發(fā)，以饗讀者，并表示對(duì)兩位老師的感謝。

2015-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11402101，11272138)；江蘇大學(xué)高級(jí)專(zhuān)業(yè)人才科研啟動(dòng)基金(14JDG022)

王自平(1979-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，講師，博士，主要從事結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究；*為通訊作者。

TU

A

1009-7961(2015)03-38-05