非线性超声在材料无损评估中的关键技术

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1、非线性超声在材料无损评估中的关键技术作者：GaryPetersen翻译：李栋山（ritec公司中国区总代理18611640352andylee@buildtest.com.hk）摘要很多新工程材料的出现以及一些老材料使用传统宽带（尖脉冲）仪器很难检测。不幸的是，这些已开发的方法和换能器对这些标准测试设备而言，不能给出对窄带方案的优化结果。使用高功率射频脉冲群在提高信噪比已经变得很重要，而且在NDT和NDE领域使用的更加广泛。本论文会讨论与高功率射频脉冲群相关的换能器设计（包括EMAT）和几种优化分辨率和信噪比的技术。超外差接收器、正交相敏探测、滤波器以及积分

2、技术。也部分讨论了超声谐振的技术。传统超声无损检测方法使用非常窄的尖脉冲电压来激发压电换能器。这种方法有许多优点：信号的时间分辨率很好，（激发）电路非常简单、制造成本低。使用此方法时，不得不使用复杂的匹配层来优化换能器，以使声能最大化的进入至被测试件中。同时增加了声负载及声衰减，减少了信号的拖尾并能对快速的宽度信号准确响应。但当测试高衰减材料时，需增加高尖脉冲电压来提高超声幅值。然而普通情况下很难找到能提供幅值超过1KV的尖脉冲。不幸的是，高电压是这种方法的局限。而非常高的电压不仅对于制造产生高压电路是个问题，同时对能承受住高压的换能器也是一个问题。另外一种

3、解决高衰减材料的测试的方法是使用高能射频脉冲群。驱动脉冲群的实际电压可能并不比尖脉冲电压高，但脉冲群中包含的总能量可达尖脉冲的几个数量级大小。相对于仅看幅值而言，此种技术对于脉冲群中包含所有能量时，就显得特别有利。此种方法在适用于EMAT的应用时也尤为重量。在EMAT应用中，试件衰减并不显得这么重要，但换能器的效率相当低，此时需要高功率来得到较好的信号[1]。RF脉冲群大部分为窄带的。可用的带宽为脉冲群宽度时间的倒数。系统的噪声与带宽成比例，即。为了最大化信噪比比率，接收系统的带宽应与驱动信号的声谱（范围）应相当。若带宽太大，信噪比将减小；若太窄，则接收波形

4、将发生失真。当脉冲群宽度变化时，接收系统的带度也必须进行调整。有一种减小接收器的带宽是来调谐接收器。然而，制作一个调谐接收器适应不同的激励频率，是非常困难的。带宽是随着频率的改变而改变。若使用超外差接收器时，接收带宽不随接收器频率改变而改变，即带宽保持恒定。超外差接收电路也可设计用于任何所想要的带宽。调谐过程也非常简单，即仅需改变本地晶振的频率。在过去，将RF从信号波形中滤除的常规方法是使用二极管检波。使用此方法仅需保留信号的包络及使用峰值检测来测量幅值。当信噪比高而且信号强度（幅值）较大且大于二极管的阀值电压时，此种方法较好。但当信号幅值小于噪声幅值时，此

5、过程将严重减少信号被还原的可能性。若信号幅值小于二极管的阀值电压时，将引入非线性。而正交相敏检波将避免以上情况的出现且可使用模拟或数字电路来实现。且此方法的最大的一个优点是保留了信号的相位信息，可对此信号进行渡越时间的测量。替代接收信号的峰值检测，正交相敏检波方法使用相位检测，即在所选择的门信号（即积分周期）内进行积分。这是因为积分周期粗略的等同于信号的宽度时间，这将保证带宽减小至最优信噪比时的值。当然，此情况仅限单个回波或信号可被单独分离出。换能器的选择使用高功率脉冲群，并使用例如空耦或EMAT换能器等低效能的换能器使得穿透困难材料或研究与频率相关联的参数

6、成为可能。但是，所有的系统组件必须仔细选择，以使获得的结果最优化。而许多商业封装换能器仅设计用于宽带应用且在脉冲群的激励下有可能得不到最好的结果。1、换能器有可能不能承受高电压。这可能由于内部导线的绝缘性差或压电元件的外涂层间距不够，可能引发电晕或电弧。2、许多换能器都有内部匹配电感[2]。这些线圈是设计用于对元件的电容进行谐振。但这些线圈大部分不能承受长脉冲群的高电流激励。若需要使用含电感的（换能器），最好使用高功率空心电感，以使脉冲群激励时不发生饱和[3]。3、若脉冲宽度及重复频率比较高时，换能器可能过热。在一些情况下，此将导致换能器烧坏。4、换能器上的

7、明显的拖尾效应在宽带NDT应用中是不能容忍的。因此，激励元件应带负载以衰减，避免此问题。但同时将减小换能器的效能，如图1所示为此影响。图1以5个周期脉冲群驱动2.25MHz商用换能器（PZT）超声幅值使用一个超宽带的PVDF换能器来监视。被测试件为熔融石英。此时没有明显的拖尾。但是PZT的共振特性已完全被衰减。使用5个周期的脉冲（群）对增加超声幅值无效。图2-5为在无阻尼的铌酸锂换能器上通过增加脉冲群周期数来查看对超声幅值的影响。图2单个周期脉冲群驱动无阻尼的5MHz的铌酸锂换能器图3两个周期脉冲群驱动无阻尼的5MHz的铌酸锂换能器图4三个周期脉冲群驱动无阻

8、尼的5MHz的铌酸锂换能器图5五个周期脉冲群驱动无阻