基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统及方法
阅读说明：本技术 基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统及方法 (Micro-crack positioning system and method based on nonlinear ultrasonic different-side time-delay mixing signal ) 是由 李一博 王晢 芮小博 綦磊 刘嘉玮 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统,其特征在于：包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器。本发明还涉及一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位方法,其步骤为：1)系统搭建；2)异侧延时信号激励；3)激励信号调节；4)信号处理；5)疲劳裂纹定位。本发明设计科学合理,能够快速精确的发现并确定结构中微裂纹的位置,降低因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费,提高材料的利用率,同时也避免因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故,对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。(The invention relates to a microcrack positioning system based on nonlinear ultrasonic different-side delay mixing signals, which is characterized in that: the device comprises a computer, a nonlinear ultrasonic instrument, an attenuator, a low-pass filter, a signal excitation sensor, a sample to be tested, a duplexer, a high-pass filter and an oscilloscope. The invention also relates to a microcrack positioning method based on the nonlinear ultrasonic different-side time-delay mixing signal, which comprises the following steps: 1) building a system; 2) exciting an opposite-side delay signal; 3) excitation signal conditioning; 4) signal processing; 5) and (5) positioning fatigue cracks. The method has scientific and reasonable design, can quickly and accurately discover and determine the position of the microcrack in the structure, reduces waste caused by replacing materials without damaged structures too early, improves the utilization rate of the materials, avoids safety accidents caused by failing to discover the existence of the damaged structures in time, and has good reference significance for the research of predicting the residual life of the metal materials.)
技术领域
本发明属于金属无损检测领域，涉及基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统及方法。
背景技术
金属板材广泛应用在军事、工业、医疗和航天等领域，材料在使用过程中不可避免地会受到重复施加的载荷、温度变化和腐蚀等外部因素的影响，进而产生疲劳，当疲劳累计到一定程度将会发展成宏观裂纹，引起安全事故和重大经济损失。
目前关于金属的无损检测比较成熟的方法有四大类：超声波探伤，该方法主要检测冶金缺陷，如夹渣、孔洞、裂纹等；X射线探伤，检测零件中的高密度夹杂，如夹钨等缺陷；荧光渗透探伤法，用来检测表面开口缺陷；涡流探伤法，检测表面及近表面的缺陷。这些传统的无损检测方法针对传统的开口裂纹是可行而有效的，但是对于由疲劳损伤引起的微裂纹却无能为力。随着lamb波理论与非线性超声混频理论的发展，为金属板材结构微裂纹的无损检测提供了新思路。
邓明晰团队在二阶摄动理论基础下，通过波导激励的模态分析方法研究了符合板材结构中的二次lamb波产生情况，结果表明二次谐波的产生效率和分界面的常数相关，该结果为lamb波的二次谐波在薄板结构的无损检测方面的应用奠定了基础。ChristophPruell通过实验证明了lamb波的非线性在与塑性材料的相互作用方面与纵波和横波有着相似的结果，由此表明lamb波的高次谐波可以用来评估塑性驱动的材料损伤。此后Christoph Pruell继续利用一对楔形传感器激发和接收lamb波与二次谐波，结果表明基于lamb波测得的声学非线性与疲劳损伤直接相关，由此开发了用lamb波的非线性表征金属薄板疲劳损伤的实验程序。H Xu等人就lamb的非线性效应表征结构损伤评价进行研究，提出了时频分析的算法对获取的非线性lamb信号进行处理。XWan在利用有限元分析方法仿真时，发现lamb波在与薄板中的微小尺寸裂纹作用时，产生了二次谐波，进而提出了非线性lamb波应用于薄板材中的结构损伤检测方法。同年，Z Su通过提取金属板材的几乎不可见的疲劳裂纹中提取线性和非线性信号，证明了lamb波的非线性用于微损伤结构检测的可行性、准确性和实用性。2017年，焦敬品所在团队利用体波完成了闭合裂纹的混频超声检测，为结构中微裂纹的评价做出了积极的探索。
通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对存在于金属板材中的疲劳损伤难以识别和定位的问题，提出一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统及方法，通过控制延时时间，使信号在不同的位置相遇，对混频信号进快速傅里叶变换，提取和频信号的幅值，实现了疲劳损伤结构的识别与定位的功能。及早发现并确定结构中微裂纹的位置，降低了因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高了材料的利用率，同时也避免了因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统，其特征在于：包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述待测样件两侧对称设置有信号激励传感器，所述低通滤波器连接至待测样件左侧的信号激励传感器，所述双工器连接至待测样件右侧的信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器。
而且，所述待测样件两侧对称设置的信号激励传感器采用汉宁窗调制。
一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位方法，其特征在于：所述定位方法的步骤为：
1)系统搭建：将信号激励传感器通过高真空硅脂耦合剂黏贴到待测样件的两侧，并将计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器连接；
2)异侧延时信号激励：由计算机产生激励信号并传输给非线性超声仪，经过两路射频输出端分别作用在待测试样上，初始状态时待测试样左侧的信号激励传感器施加20个周期800kHz信号，右侧的信号激励传感器施加15个周期600kHz信号；
3)激励信号调节：改变左、右侧信号激励传感器的信号施加时间，使得激励信号在不同位置相遇，左侧信号激励传感器激励施加时间与右侧信号激励传感器激励施加时间的差值从-50微秒至50微秒变化，间隔1微秒；
4)信号处理：使用MATLAB软件对上述采集的信号进行快速傅里叶变换，记录和频信号幅值最大时左右激励信号施加时间差；
5)疲劳裂纹定位：疲劳裂纹位置计算公式为：
其中：
b为疲劳裂纹距左侧信号激励传感器的距离；
a为左、右侧信号激励传感器的间距；
Δt为和频信号幅值最大时左右激励信号的施加时间差；
cg为激励信号的群速度。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统，完成了异侧混频效应应用在在金属板材结构中微裂纹检测的进一步探索。
2、本发明设计科学合理，能够快速精确的发现并确定结构中微裂纹的位置，降低因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高材料的利用率，同时也避免因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。
附图说明
图1为本发明技术方案整体流程图；
图2为本发明定位系统的连接示意图；
图3为激励信号相遇位置的示意图；
图4为疲劳裂缝与信号激励传感器的相对位置示意图。
附图标记说明
1-左侧衰减器、2-右侧衰减器、3-低通滤波器、4-待测样件左侧信号激励传感器、5-疲劳裂纹、6-高通滤波器、7-待测样件右侧信号激励传感器、8-计算机、9-示波器、10-第一射频输出端、11-第二射频输出端、12-射频输入端、13-非线性超声仪、14-待测样件、15-双工器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位系统，其创新之处在于：包括计算机8、RAM-5000-SNAP非线性超声仪13、衰减器、低通滤波器3、信号激励传感器、待测样件14、双工器15、高通滤波器6及示波器9，计算机连接至非线性超声仪，非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端12，两路射频输出端包括第一射频输出端10及第二射频输出端11，第一射频输出端及第二射频输出端分别连接有左侧衰减器1及右侧衰减器2，所述左侧衰减器及右侧衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，待测样件两侧对称设置有信号激励传感器7，低通滤波器连接至待测样件左侧信号激励传感器4，双工器连接至待测样件右侧信号激励传感器，双工器另一端连接至所述高通滤波器，高通滤波器连接至非线性超声仪的射频输入端，非线性超声仪连接至示波器。
待测样件两侧对称设置的信号激励传感器采用汉宁窗调制。
一种基于非线性超声异侧延时混频信号的微裂缝定位方法，其创新之处在于：定位方法的步骤为：
1)系统搭建：将信号激励传感器通过高真空硅脂耦合剂黏贴到待测样件的两侧，并将计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器连接；
2)异侧延时信号激励：由计算机产生激励信号并传输给非线性超声仪，经过两路射频输出端分别作用在待测试样上，初始状态时待测试样左侧的信号激励传感器施加20个周期800kHz信号，右侧的信号激励传感器施加15个周期600kHz信号；
3)激励信号调节：改变左、右侧信号激励传感器的信号施加时间，使得激励信号在不同位置相遇，比如：左侧传感器先施加激励，信号在板子中点右侧相遇；右侧传感器先施加激励，信号在板子中点左侧相遇；左右传感器同时施加激励，信号在板子中点相遇；左侧信号激励传感器激励施加时间与右侧信号激励传感器激励施加时间的差值从-50微秒至50微秒变化，间隔1微秒；
4)信号处理：使用MATLAB软件对上述采集的信号进行快速傅里叶变换，记录和频信号幅值最大时左右激励信号施加时间差；
5)疲劳裂纹定位：疲劳裂纹位置计算公式为：
其中：
b为疲劳裂纹5距左侧信号激励传感器的距离；
a为左、右侧信号激励传感器的间距；
Δt为和频信号幅值最大时左右激励信号的施加时间差，当其大于0时，信号在a/2处右侧相遇；当其小于0时，信号在a/2处左侧相遇；
cg为激励信号的群速度。
本发明实施例对RAM-5000-SNAP非线性超声仪、信号激励传感器的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。