[发明专利]基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法

说明书

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，该系统包括相控阵换能器、相控阵触发器、相控阵控制器、计算机，相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接。该发明的优点在于：本发明考虑了硬件系统非线性、材料基体非线性、耦合非线性等噪声的影响，适用于微缺陷的有效检测和早期损伤的定量检测监测，对于闭合/半闭合缺陷损伤的检测灵敏度到达微米级别，能够有效区分非线性源与晶粒、孔洞、张开式界面等线性特征。

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法。

背景技术

工业中许多金属结构例如压力容器、管道、铁轨、轮轴、叶片、船体及机身在服役过程中，在介质、温度和交变载荷的共同作用下易产生腐蚀开裂和疲劳等微裂纹缺陷。由于裂纹扩展速率呈指数型增长，所以即使很小的裂纹也可能会迅速扩展而导致结构突然断裂，引发灾难性事故。因此，微缺陷的早期检测与评估成为确保关键设备服役安全的重要手段，也成为了国际难点、热点问题。

材料早期损伤会引起不同的非线性声学现象，可通过非线性超声检测技术进行测量与分析，从而评价材料微观结构变化以及弱接触界面的形成。非线性声学现象被分为经典非线性和非经典非线性，其中经典非线性用于评价位错引起的晶格非简谐性，而非经典非线性用于评价微裂纹界面引起的接触声学非线性。经典非线性的声学特征主要为二次谐波的产生，现有的二次谐波产生法(SHG)在一定条件下能够定量评价位错和沉淀物等早期损伤。由于微缺陷引起的经典非线性响应较弱，因此易受实验条件的不一致性和杂波干扰，且难以与基体材料非线性区分。部分现有的超声检测方法具备评价非经典非线性的能力，如混频法、次谐波法和频率调制法，但这些方法的工业应用受限于低信噪比、较大的测量误差和仪器的复杂性。随着超声相控阵的应用和全并行通道技术的发展，一些非线性成像方法能够提高图像信噪比，且使用条件要求简单，但现有的非线性超声相控阵检测系统功能单一，不能满足不同应用环境下的检测需求，例如局限于接触式体波信号发射和接收。

另外，现有的非线性检测方法普遍没有采取对杂波的抑制措施以及对相位非线性的评估，因此无法有效的区分宏观特征或晶界引起的线性信号和微缺陷损伤导致的非线性信号，导致针对微缺陷大小定量评价的可靠性存在局限性。此外，随着微裂纹损伤状态的加剧以及宏观裂纹的产生，非线性指标或非线性系数的大小会依次出现递增和递减的变化趋势。虽然部分现有的非线性指标在缺陷演化监测上具备了持续定量评价能力，但由于早期损伤和晚期损伤有一定概率会产生相同的非线性指标大小，所以现有非线性指标在没有损伤状态的先验信息的情况下难以准确评估构件的微缺陷损伤程度。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于多模式多模态超声相控阵检测系统，包括

相控阵换能器，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器为压电超声相控阵换能器或电磁超声相控阵换能器，所述相控阵换能器包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；

相控阵触发器，包括用于监测相控阵换能器工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器位置变化的位移编码器；

相控阵控制器，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；

计算机，用于采集经相控阵控制器转换后的信号和输出到相控阵控制器内的采集参数。

使用上述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，包括以下步骤：