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1、阵列传感器的超生导波检测以及应用Kang, Hak-Joon Kim, Song韩国成均馆大学，机械工程学院，水原，韩国1. 摘要因为超生导波能够在单一方向上深入探测目标结构，超声导波成为一个有前途的工具， 监测各类结构，如大型钢板，船舶，石油，化工，核工业管道。然而从结构上获得的导波信 号很难分析低S/N比和它的分散特性。为了提高S / N比率和克服分散效应，重点阵列导波 技术和成像技术是必要的。因此为了改善远距离检测性，这次研究重点开发阵列导波技术和 实验验证这个技术的开发性结果表明，此外，为了容易解释导波信号，利用了计算机断层扫 描技术空间分布的超声换能器产生两个板块状结构的三维图像和计
2、算机断层扫描算法在实 际领域的潜力。关键词：超声导波，宽范围的检查，重点技术，计算机断层，管，板状结构。2. 介绍利用结构的无损检测监测各种结构如大型钢板，船只，石油.化工.核工业管道的缺陷。使 用常规的超声波法检测这样大面积的钢板厚度，通常采用大量的超声波纵波和横波在结构中 逐点扫描，这样对于大型的结构需要很长的时间。而且采样位置的间距要足够的接近，才能 不遗漏盲点。因此它的效率低下，当表面有脏的，粗糙的或者涂有覆盖物的时候接触困难。另一种可供选择的方法使用超生导波对于大型结构可能有更大的吸引力，就是扫描传感器 被固定在位置上检测一定范围。因为导波传播沿结构，可反应任何几何结构的变化。导波在
3、 一个坚实的板或者管道传播的弹性扰动有自由边界，它的位移发生在波的传播方向或者垂直 于板面和管道的切向平面。这里的对焦方法基于时间反转处理和合成孔径聚焦技术是类似戴维斯和考利，在本文，时 间反转技术和基于信号聚焦法，以改善导波信号的S / N比率。为了验证聚焦方法的性能， 实验采用圆周阵列传感器使用模拟样品。最近，被调查的导波结构健康监测应用为传感器是半永久性连接，如核电厂的组成部分板 块。一个有意义的无损检测技术简谐运动有能力为线性阵列压电晶片有源传感器形成部门型 的光束图像。隐藏在表面上的嵌入式压电传感器，该技术是能够真正的检测飞机部件物质损 伤。使用空间分布的传感器电脑断层扫描已被提出生
4、成二维图像结构。二维图像的生成需要 全方位的LAMB波。圆形传感器被安装在板上孔型的前后。3. 聚焦阵列导波3.1时间反转技术从理论分析时间反转镜得出，时间反转技术是一种检测技术。在这里，我们简要地描述时 间反转的聚焦过程。如果我们认为作为一个线性时不变系统的超声波检测，其中有N元素的阵列传感器的L矩阵可以被定义为:e (z)(，)是输入信号的M元素。是L矩阵和M矩阵在时域上的卷积的脉冲响应信号。如果我们把方程(1)使用矩阵符号进行傅里叶变换，可以得到：(2)r3Xk0)eS)k()转移矩阵是一个N*N矩阵。由于我们考虑线性时不变系统，在我迭代的新的输入信号号可以被定义为：R3) 其中，*表示
5、复共轭对应一个时间逆转。因此，当接收到的信号在i矩阵迭代得到的 可以被写成：R典)杠弑K (如,(4)K(&)*K(前可以叫做时间反转运算。根据假设，线性时不变系统和无损介质，传输矩阵是对称的。因此，时间反转运算是厄密 共轭。时间反转运算的显著特征值等于解决的散射值。因此，从相应的显着特征值的特征向(5)量，我们呼吁把重点放在使用方程的散射所需的计算时间延误。0)是该阶段的特征向量。3.2基于聚焦技术的信号在信号处理，相互关联性是作为适用于其中一个时间滞后的功能相似的两个波形的测量工 具。考虑获得的信号是f1(x),f2(x),f3(x),.fn(x).f1(x)是参考信号f1(x)的时间差计
6、算公式是(6)/伽(1小r弟()二/(以(-以肾(6)*V小/(泓(-工团时间差心满足公式（7）Kf（M ） = nix（Kj）E Arpj = 1,2,.N（7）个别元素的延迟时间是由公式（8）得出： = At; + |min0 J = 12 N哪怕是最小的时间差都都能避免有害的延迟。利用聚焦技术为基础的信号，个别通道信号在时域相。基于信号的聚焦技术的过程，与当前Kim【17】提出的类似，如例图1：没有时间延迟的激励；没有时间延迟的接收；计算相关性的时间延迟；激励和时间计算的延迟；再次计算相关性延迟；例图1：基于聚焦技术信号的过程;（a）无延迟的发射；（b）没有延迟的接收；（c）使用延时 相
7、关单位计算发射延迟时间；（d）使用延迟相关单位计算接收延迟时间；4. 时间反转技术的实验结果例图2显示了使用发达国家阵列超生导波系统的实验装置检查不锈钢管上空洞的示意图。 在例图中，本研究采用的不锈钢管从传感器中心位于l.2m远具有4毫米直径的洞通过墙上， 总的长度外部直径和金属管厚度分别为6M，60.5MM和5.4MM。阵列超声波传感器组成四 个长方形的传感器安装在管的顶端侧面.每个矩形换能器的大小和中心频率分别为 12.5mm*25.4mm和0.5MHZ。在阵列换能器上安装70倾斜角度为紧耦合的管道曲面上的环 型 楔 能 够 有 效 地 发 射 超 导 波。HgJ. digram of e
8、xptrimeaiil例图2实验安装示意图Time Window(a)(b)Fix (b) Jiiter-clcniAC fired 目;gnds scattered Irum lhe ihiough wdl brck and (b) ils fincqucucy spcclruim例图3 (a)从穿墙孔散元素间发射的信号；(b)信号的频谱；我们通过墙上孔洞聚焦超导的表现如图例2显示，使用时间反转技术获得时间延迟的表 现。如前所述，通过给定的实验步骤使用时间反转技术获得合适的时间延迟需要EQ.(5) 中说明的时间反转器。在圆周管道上安装的阵列换能器获得元素间穿过墙上空洞在图2和图 3显示没有时
9、间的延迟。如图3所显示的时间图像把这些信号从初始信号中隔离。在窗口得 到的频率值我们进行奇异值分解得到特征值和特征向量。从特征向量到相应的重要特征值， 我们可以通过Eq.(5)计算时间延迟。使用计算得到的时间延迟，我们可以重新获得超导波并不需要修改实验通过墙上孔洞聚焦的步骤。图4的（a）和（b）分别显示超导波通过墙有没有时间延迟。如图4 （a）和（b） 显示第一组接收到的时间延迟的振幅要比没有时间延迟的振幅大。但）047Q&OD 51Q &20例图4.从墙上孔洞接收的超导散播“（a）没有时间延迟，（b）使用时间反转技术计算的时一=扫 HM*、一.I.E1iiHn W =:TETm=r+Mf非：
10、rrdlilpf:= .“-tl.-W.A*|4-4:.二Without TD1 w.* .; I+ .lihap、m、.lil:间延迟，（C）由阵列换能器产生的超导波通过墙上孔洞进行的比较。（实线：没有时间延迟， 虚线：有时间延迟）例图4（c）显示阵列换能器产生的超导波通过墙上孔洞进行有时间延迟和没有时间延迟 比较的结果。时间延迟接收到的信号和没有延迟时的波峰的幅度分别为0.6036V和0.3588V。接收的波采用时间反转技术计算时间延迟要比没有时间延迟大将近70%。5. 信号聚焦技术的实验结果指导实验用来验证聚焦技术的成果。在165.2毫米外直径和5毫米壁厚符合ASTM A 106 碳素钢
11、管周围每8角度放置光束阵列传感器。全部都是0.6MHZ的宽带型压电传感器。实验 安装如例图5.IMXImmIKWimrJO* luirij iHiKhSitsnt hakFl,5, Sctwnutic of axial disiibutioa of defects in pipe例图5,在管道缺陷轴向分布示意图0.03-0 020,01 - 000-4-0.02-0 .04 -6M BOO 1000 1200 1400 1640 1800 2000TlmoOiB)(a)0.05 T 0.04-Q.D3-。件 0.01-O.DO-而1-4)02-0.03-0.04-0 - 05 t j *| I
12、 | i |1|* |6EXJ 6001000 1200 1400 1600 1800 2OQ0Tlim(瞄)(b)例图6. （a）经过孔洞获得的缺口信号没有进行聚焦算法；（b）通过缺口基于聚焦算法获 得；（c）通过墙上孔洞获得的基于聚焦算法信号。例图6（a）显示获得信号没有时间延迟。穿墙孔信号可确定好，但缺口的信号不能确定 无延时信号。基于聚焦技术来验证通过墙上的孔洞和缺口信号，换能器分别聚焦通过缺陷和 墙上孔洞的信号。例图6（2和（c）分别显示缺陷聚焦信号和通过墙上孔洞的聚焦信号。 聚焦通过墙上孔洞的信号是没有聚焦信号的两倍。所以聚焦技术在实际应用有很好的作用。基于聚焦技术的信号表现在实验
13、中已经被证实。没有通过聚焦算法获得的信号表明个别没 有在同一相位。因此计算信号的总和，破坏性的干扰使得总结的信号要比聚焦信号小。然而 聚焦算法的个别信号在相位，并且总结所有的信号，建设性的信号使得总结的信号要比没有 聚焦的信号大，如图6（b）和（c）。6. 使用阵列导波形成图像6.1电脑断层扫描原始信号实验中记录了关于换能器频率和钢板厚度前后损坏的大量信息。因此需要对原始 信号进行消除不想要的信号避免用户混淆。现在有两种不想要的信号。第一种，每个传感器 直接传播波要比通过缺陷的散射波要大。他们将删除通过从记录通过表面缺陷后的信号减去 没有通过表面缺陷前的信号。第二种，根据实验条件从实验中获得信
14、号。作为传感器和标本 之间的凝聚力优势是不同的，幅度从不同对收购传感器不能直接处理。传感器和标本之间的 凝聚强度是不同的，不同传感器不能直接获得幅度值。为了纠正这个效果，规范化的矫正因 子 为 被 引 入。 原 始信 号 的 缩放 为：G)d*)是不能被缩放的过滤信号是可以缩放的过滤信号。是距离矫正因子在距离i和j之间。整个板块图像的构造是基于六个差分信号之间的损坏状态和完好状态的基础上的。如果与差分信号完好的标本相比一个缺陷是损坏标本的唯一变化，由于散射的缺陷， 不同的信号有唯一的信息。槌广！表示发射换能器的位置#.是接收换能器 的位置，*.，是缺陷位置。然后，波从发射到散射和接收的飞行时间
15、显示为方程:w J（耳为y 中而r广女） 弓=；3)在这个公式中，传感器对的数量是:W、。是差分信号传感器对二3。是窗函数。结果图像值在点*有公式得出：E（梆）m 佰待；）以对单独的一对换能器，该成像算法映射到一个单一的回声椭圆，两个传感器的位置在椭圆 的焦点上。随着换能器的增加，椭圆相交于缺陷位置，因此信号得到加强。信号在多个椭圆 相交处加强，破坏性的干扰或平均到其他地方。7. 实验结果一构建金属板图像金属吕板的尺寸是1000mm*1000mm*2mm和四个压电传感器安装在板上如图7所示。换 能器用先讲的导航系统使用峰值模式激发并且接收的信号在带通数字化从约1KHZ过滤到5MHZ。总共有中可
16、能发射接收器组合。因此所有的传播信号的需要从六对换 能器中组合。抽样频率是100MHZ。1000mmIransAicer coordinates for 1000m ra 其 1000mm a.turEiinujn plate例图7.换能器的在尺寸为1000mm*1000mm铝金属板上的坐标从六个换能器获得导波信号非常分散，带通滤波器需要得到消除不必要的信号。这些实验 感兴趣的频率范围扩展从100至900kHz。通过传播获得统一的信号标本，S模式被用来得 至U精确的图像。当频率为0.5mhz 0.2mm的铝金属板上，信号组速度是5.18mm/us。在铝式 样板上有一个洞。图8显示图像从规模信号
17、构造。颜色规范化，使红色对应于图像的峰值强度和蓝色是零。 图8显示图像缩放信号孔的位置。图8图像从空间分布的阵列获得这个金属板的状态图像。但是只是通过一对原始信号获得 图像是非常困难的。为了区分更多的孔洞的正确位置，我们得到的剩余信号是从损坏的的信 号中提取完美信号中得到的。根据所需的信号模式，缩放和滤波残差信号。使用这种方法的 缺点是从孔洞中得到的信号不能很好地匹配没有缺陷的信号。当然还有其他的因素印象信 号，比如传感器的对焦，表面的变化等。为了能够克服这些问题，需要检查信号过程。尽管 实验结果和这篇期刊提出的相同，一些研究应该注明这个方法的应用。9 皿仲 JOOOOSO 印D 皿 HJU
18、事UU fmmFicJk ItBife 扣r hole with scaled 川弟域(:namducer pwincs, : hols)例图8.孔的规模信号图片答谢这次研究由得到韩国科学工程基金会和政府的资助(编号02009-007679).参考：1莱姆波的发射，纽约全会新闻(1967) 莱姆波在固体媒介中的传播，J.L.Rose，英国剑桥大学出版社(1999)3 优化莱姆波检测技术，D.N.Alleyne, p.cawely (1992),9911-224 莱姆波相互影响，D.N.Alleyne, p.cawely (1992)，pp381-3975 莱姆波在化学工业管道上传播的距离，D.N.Alleyne, p.cawely (1992)，pp504-508
