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1、凌华科技PCI超声导波具有多模态的特点，随着激发频率的增加导波模态数不断增加。导波的多模态特点会增加信号复杂性，使缺陷特征信号难以识别。因此为了适用于检测应用，需要激发单一导波模态。根据导波频散特性曲线，在高阶导波模态截止频率以下(对于2mm厚钢板为810kHz)，仅存在三种0阶导波，包扩对称模态S0、非对称模态A0、程度剪切模态SH0。因此控制激发信号频率在高阶导波截止频率以下可以将导波模态数降至三种。对于S0、A0和SH0模态，其模态外形存在区别。A0模态主要以离面位移为主，如图3(a)所示，S0模态和SH0模态主要以面内位移为主，其中S0的位移方向于波传播方向平行，如图3(b)所示，SH
2、0模态的位移方向与波传播方向垂直，如图3(c)所示。图3不同导波模态激发施力图超声导波激发的本质上就是在被检测对象中耦合进模态所对应的应力波，为了获得单一的导波模态，需要通过传感器优化来增强所需模态对应的外表应力分布，同时抑制其他模态对应的外表应力分布。目前可以用于在被检测构造中耦合进导波应力场的传感器可分为如下几类：压电式换能器，电磁声换能器(EMAT)，磁致伸缩换能器，激光超声换能器。压电式换能器主要利用晶体材料的压电效应和逆压电效应作为导波激发和检测传感器，目前常用的压电材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的压电转换效率较高，本钱较低，但是材料无法弯曲；PVDF材料也具有压电
3、效应，但是其压电性相对于PZT材料要低，其优点在于材料具有柔性，可以弯曲。电磁声换能器(EMAT)主要通过改变金属构造中的电磁场，利用Lorenz力鼓励导波应力场。用于超声导波激发的磁致伸缩换能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸缩效应实现导波应力场的激发。激光声换能器利用激光脉冲束在被检测构件外表产生热应力振动，实现超声导波的激发，激光声换能激发方式的仪器体积较大，本钱较高，不适于现场检测应用，目前主要用于实验室研究工作。上述导波换能器中，PZT压电晶片具有体积小、重量轻、本钱低的优点，适用于构造安康状态监测应用，因此目前各国研究团队主要使用PZT压电晶片作为导波激发和接收
4、换能器。3.2导波激发波形优化超声导波具有频散特性，不同频率的波包成分的传播速度不同，成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了防止此问题的发生，需要对导波激发频率和波形进展优化。超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形突然开场和突然完毕造成的频率旁瓣，使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度，减小频散效应。图4为200kHz正弦波和加窗调制后的波形，以及其对应的频谱。图45周期200kHz正弦波与加窗调制比照:(a)原始信号，(b)原始信号频谱，(c)汉宁窗调制信号，(d)调制信号频谱3.3超
5、声导波检测平台超声导波检测方法不同于常规超声检测，它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测，而不是逐点检测，同时为较准确定位缺陷，必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上，针对超声导波的特殊性(如所选鼓励信号的特殊性，压电陶瓷换能器选取的特殊性等)，建立了超声导波检测平台，如图5所示。图5超声导波检测平台任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上，驱动压电陶瓷产生压电效应，将电压信号转变为一样频率的振动信号，在被检测构造中传播。但是，由任意波形信号发生器生成的电压信号的幅度范围为10mVP-P-10VP-P，远缺乏以驱动压电陶瓷换能器，在构造中鼓励出超声导波。因
6、此，必须加大鼓励压电陶瓷传感器的激发电压。检测平台中采用的是自制的高压放大器，其可以将信号发生器产生的输入信号线性放大至180Vp-p。在180Vp-p输出下，放大器线性放大频率最高可达2MHz。超声导波的鼓励信号经功率放大器放大后，驱动压电传感器，产生在管道中传播的超声导波，到达接收导波端时，利用压电陶瓷的逆压电效应，将会把振动量转化为电压量输出，但是，压电陶瓷的逆压电效应很微弱，压电晶片驱动电压在100Vp-p时，接收端产生的输出的电压信号仅在毫伏量极。因此承受到信号需要先经过前置放大器放大后，在可以进入信号收集端。本平台使用的前置放大器为自制的增益可调放大器，增益范围在-4.5dB-52
7、5dB。由于压电晶片具有很高的阻抗，而输出的信号功率很小，因此将前置放大器的输入阻抗匹配至其最大值6K欧姆。信号收集端采用凌华科技PCI-9846高速数字化仪。此仪用具有高采样率和高分辨率，适于导波信号收集。同时其可以实现四通道同时记录，大大减少了导波阵列信号收集时间。多路开关单元的作用是切换激发和接收传感器，由于压电传感器的激发端只有一路，而传感器个数较多，因此通太多路开关单元切换激发的传感器。多路开关单元基于继电器实现信号通道开关，使用单片机对继电器开关进展控制，单片机与PC机之间通过串口实现通讯。3.4传感器相控阵列(phasedarray)传感器阵列在声纳、雷达领域使用较多，其优点在于
8、基于多个传感器，通过相阵列算法实现对空间不同位置的逐点扫描。超声导波也具有长间隔传播的才能，因此可以借鉴雷达中相控阵列(phasedarray)概念,实现对被检测对象的逐点扫描成像检测，实现超声导波雷达。超声导波雷达中的关键就是相控阵列及相对应的算法。本应用实例中采用圆环形严密排列相控阵列，如图6所示。阵列由16个压电晶片单元组成，每个压电晶片尺寸为70.2mm，16个圆形压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列。为此阵列可以对周向0-360范围进展全方位扫描成像。图6超声导波雷达相控阵列相控阵列包含有16个导波传感器，每个传感器互相独立。在利用超声导波雷达进展缺陷成像检测时，需要首先激发一个传感器，然后记录16个传感器接收到的导波信号，随后激发另外一个传感器，再记录16个传感器接收到的到波信号，最终将获得1616路时域信号，每路时域信号对应一个激发-接收传感器组合。由于超声导波具有频散特性，因此对相控阵列得到的信号处理方法具有自身特殊性。首先每路时域信号将通过FFT变换转变为频域，得到的频域信号将格局频散特性关系转换成波数域幅值。至此获得信号矩阵仍然为1616路，为了实现对不同方向的扫描，需要使用相阵控算法，根据需要扫描的方向，每路信号将乘以一个相控系数然后相加。最后需要对信号矩阵每列进展逆傅里叶变换，将其从波数域转换成间隔域。最终将形成缺陷图像，到达成像检测目的。