共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统及方法

1.本发明属于无损检测和评估技术领域，具体为共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统及方法。


背景技术：

2.无损检测是一种用于评估材料、组件或结构的技术，它可以检测到可能存在的缺陷或异常，而无需对被检测对象造成永久性损坏或破坏。无损检测技术广泛应用于工业、航空航天、汽车、能源、建筑等领域，以确保产品质量、安全性和可靠性。
3.在实际应用中，单一的无损检测技术往往无法满足所有的检测需求。不同的材料、结构和缺陷类型可能需要使用多种技术的组合来进行综合评估。例如，在航空航天领域，通常会采用多种无损检测技术来评估飞机结构的完整性。超声波检测可用于检测内部裂纹、异物和腐蚀；射线检测可以发现隐蔽的焊接缺陷；磁粉检测可以用于检测表面和近表面的裂纹；渗透检测适用于检测细小的裂纹和毛细孔等。通过多种检测技术，可以相互补充、验证和确认检测结果，提高检测的可靠性和准确性。
4.然而，在使用多种检测技术进行检测可能需要进行多次操作和分析，从而导致耗费大量的时间和人力资源。每种检测技术都需要专门的设备、工具和训练有素的人员来操作和解读结果。这意味着需要分别准备和配置每种技术所需的设备，进行逐步的检测过程，并在每次检测后进行数据分析和解读。
5.综上所述，尽管使用多种检测技术可以提供更全面和准确的检测结果，但其却需要更多的时间和人力资源来完成。因此，亟需发展集成化的无损检测技术以在单次检测中同时应用多种技术，以提高效率和便利性，减少时间和人力资源的消耗。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统及方法，包括信号发生器、功率放大器、低功率压电陶瓷超声换能器、空气耦合超声换能器、前置放大器、示波器、红外热像仪以及计算机，所述信号发生器、功率放大器和低功率压电陶瓷超声换能器通过导线依次相连，所述空气耦合超声换能器、前置放大器和示波器通过导线依次相连，所述计算机分别连接所述示波器和红外热像仪。
8.所述低功率压电陶瓷超声换能器通过耦合剂贴合在待检测物体表面，并同时作为空气耦合超声和超声激励红外热成像检测的激励源。
9.所述空气耦合超声换能器用于接收缺陷处的波形响应信号。
10.所述红外热像仪用于采集待检测物体表面的红外热成像数据。
11.所述计算机用于接收经前置放大器放大后的缺陷处的波形响应信号与红外热像仪采集的热成像数据，根据采集的两种类型数据得出被检物体的综合缺陷检测结果。
12.一种共享激励源的超声和红外热成像集成式检测方法，
13.步骤(1)，固定待检测物体并对其表面进行清理；
14.步骤(2)，将低功率压电陶瓷超声换能器底部涂抹适量耦合剂后，使用夹具将其固定在待检物体的表面；
15.步骤(3)，通过导线依次连接信号发生器、功率放大器与压电陶瓷超声换能器；
16.步骤(4)，启动红外热像仪，使其镜头对准被检物体并将其与计算机相连；
17.步骤(5)，启动空气耦合超声换能器并将其放置于被检物体正上方某处，且通过前置放大器与示波器相连接，示波器与计算机相连接。
18.步骤(6)，启动信号发生器和功率放大器，寻找优化的激励参数包括激励时间、激励电压和激励频率；
19.步骤(7)，使用得到的优化激励参数，通过低功率压电陶瓷超声换能器对待检测物体进行超声激励；
20.步骤(8)，使用空气耦合超声换能器接收缺陷处的波形响应信号，使用红外热像仪记录待检测物体的红外图像数据，通过计算机接收的两种数据获得最终综合检测结果。
21.更进一步的是步骤6所述优化的激励频率为局部缺陷共振频率，其通过空气耦合波形分析法进行确定，具体过程如下:
22.将低功率压电陶瓷超声换能器布置在被检物体左侧施加扫频激励；
23.将空气耦合超声换能器布置在被检物体右侧接收缺陷波形响应信号，经过前置放大器放大后，由示波器记录波形并传至计算机做快速傅里叶变换得到频谱图，计算非线性系数nc，所述非线性系数为：
[0024][0025]
其中，nc为非线性系数，s
f1
为基频幅值，s
2f1
为二次谐波幅值，s
3f1
为三次谐波幅值。
[0026]
将计算得到的非线性系数最高的基频作为所述优化的激励频率即局部缺陷共振频率。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
综合检测能力：该集成式检测系统结合了空气耦合超声和超声激励红外热成像两种技术，能够在同一系统中同时进行两种检测。空气耦合超声技术可用于检测材料内部的缺陷和异物，而超声激励红外热成像技术可用于检测表面或近表面的热异常。通过综合应用这两种技术，可以提供更全面、准确的检测结果，对于不同类型的缺陷提供更好的识别和评估。
[0029]
共享激励源：该系统采用共享激励源的设计，即空气耦合超声和红外热成像共享同一个激励源。这样可以减少设备的数量和体积，简化系统配置和操作。同时，共享激励源也可以提高系统的稳定性和一致性，确保检测过程中的准确性和可靠性。
[0030]
综合分析和评估：该集成式系统可对超声波和红外热成像的数据进行综合分析和对比，通过相互验证和补充，提高了缺陷识别和评估的准确性。通过综合分析，可以更好地理解缺陷的性质、位置和严重程度，为进一步的维修和处理提供准确的依据。
[0031]
高效准确的局部缺陷共振频率确定方法：本发明提出的空气耦合波形分析法无需
换能器与试件接触，不需要在试件涂抹耦合物质，不会改变被测系统的受力模态，并且接收位置相对灵活，可解决目前局部缺陷共振频率的低效复杂和难以准确确定问题。
附图说明
[0032]
图1是本发明中的用于共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统示意图。
[0033]
图中：1、信号发生器，2、功率放大器，3、低功率压电陶瓷超声换能器，4、被检物体，5、超声波，6、缺陷，7、热成像数据，8、红外热像仪，9、计算机，10、波形信号，11、空气耦合超声换能器，12、前置放大器，13、示波器。
具体实施方式
[0034]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
下面结合具体实施例，对本发明进行详细阐述：
[0036]
如图1所示，共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统，包括信号发生器1、功率放大器2、低功率压电陶瓷超声换能器3、空气耦合超声换能器11、前置放大器12、示波器13、红外热像仪8以及计算机9，所述信号发生器1、功率放大器2和低功率压电陶瓷超声换能器3通过导线依次相连，所述空气耦合超声换能器11、前置放大器12和示波器13通过导线依次相连，所述计算机9分别连接所述示波器13和红外热像仪8。
[0037]
所述低功率压电陶瓷超声换能器3通过耦合剂贴合在待检测物体4表面，并同时作为空气耦合超声和超声激励红外热成像检测的激励源。
[0038]
所述空气耦合超声换能器11用于接收缺陷处的波形响应信号10。
[0039]
所述红外热像仪8用于采集待检测物体4表面的热成像数据7。
[0040]
所述计算机9用于接收红外热像仪8采集的热成像数据7与前置放大器12放大后的缺陷处的波形响应信号，根据采集的两种类型数据得出被检物体的综合缺陷检测结果。
[0041]
用上述一种共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统进行检测，包括如下步骤：
[0042]
步骤(1)，固定待检测物体4并对其表面进行清理；
[0043]
步骤(2)，将低功率压电陶瓷超声换能器3底部涂抹适量耦合剂后，使用夹具将其固定在待检物体4的表面；
[0044]
步骤(3)，通过导线依次连接信号发生器1、功率放大器2与压电陶瓷超声换能器3；
[0045]
步骤(4)，启动红外热像仪8，使其镜头对准被检区域并将其与计算机9相连；
[0046]
步骤(5)，启动空气耦合超声换能器11并将其放置于被检物体4正上方某处，且通过前置放大器12与示波器13相连接，示波器13与计算机9相连接。
[0047]
步骤(6)，启动信号发生器1和功率放大器2，寻找优化的激励参数包括激励时间、激励电压和激励频率；
[0048]
其中激励频率为局部缺陷共振频率，其通过空气耦合波形分析法进行确定，具体过程如下:
[0049]
将低功率压电陶瓷超声换能器3布置在被检物体4左侧施加扫频激励；
[0050]
将空气耦合超声换能器11布置在被检物体4右侧接收缺陷响应波形信号，经过前置放大器12放大后，由示波器13记录波形并传至计算机9做快速傅里叶变换得到频谱图，计算非线性系数nc，所述非线性系数为：
[0051][0052]
其中，nc为非线性系数，s
f1
为基频幅值，s
2f1
为二次谐波幅值，s
3f1
为三次谐波幅值。
[0053]
将计算得到的非线性系数最高的基频作为所述优化的激励频率即局部缺陷共振频率。
[0054]
步骤(7)，使用得到的优化激励参数，通过低功率压电陶瓷超声换能器3对待检测物体4进行超声激励；
[0055]
步骤(8)，使用红外热像仪8记录待检测物体4的热成像数据7，使用空气耦合超声换能器11接收缺陷处的波形响应信号10，通过计算机9接收的两种数据获得最终综合检测结果。
[0056]
其工作原理为：由信号发生器1发出的高频电信号经功率放大器2的放大后，作用至低功率压电陶瓷超声换能器3，其中的压电陶瓷片通过逆压电效应将输入的高频电信号转化为高频的机械振动，也就是超声波5，然后超声波5作为激励能量耦合进被检物体。
[0057]
当超声波信号传播至缺陷区域6时，超声波的振幅会随着信号强度的增加而产生非线性响应，即产生新的频率成分，包括谐波、次谐波、互调等。空气耦合超声换能器11在接收到反射回来的超声波信号后，经过前置放大器12放大后，由示波器13记录波形并传至计算机9将其与发射信号进行比较分析。通过分析非线性成分的频率、振幅以及相位等特征，可以获得物体内部非线性区域的信息。这些非线性信号与物体的内部结构、损伤程度、材料特性等密切相关，因此可以用于检测微小缺陷、疲劳裂纹、界面状态以及材料的弹性特性等参数。
[0058]
当超声波传播至缺陷区域6时，由于界面摩擦、粘弹性效应以及塑性变形等内部产热机制，超声波会发生显著衰减，并转化为热量的形式在被测物体4内传导，热量的传导导致缺陷区域相对应的表面位置局部温度升高，使得被测物体4表面呈现出不同的温度分布，借助红外热像仪8来记录这种表面温度分布情况，并传至计算机9做后续处理，最终实现缺陷的定性与定量识别。
[0059]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统，其特征在于：包括信号发生器、功率放大器、低功率压电陶瓷超声换能器、空气耦合超声换能器、前置放大器、示波器、红外热像仪以及计算机，所述信号发生器、功率放大器和低功率压电陶瓷超声换能器通过导线依次相连，所述空气耦合超声换能器、前置放大器和示波器通过导线依次相连，所述计算机分别连接所述示波器和红外热像仪。所述低功率压电陶瓷超声换能器通过耦合剂贴合在待检测物体表面，并同时作为空气耦合超声和超声激励红外热成像两种检测方法的共同激励源。所述空气耦合超声换能器用于接收缺陷处的波形响应信号。所述红外热像仪用于采集待检测物体表面的红外热成像数据。所述计算机用于接收红外热像仪采集的热成像数据与经前置放大器放大后的缺陷处的波形响应信号，根据采集的两种类型数据得出被检物体的综合缺陷检测结果。2.一种共享激励源的超声和红外热成像集成式检测方法，其特征在于：步骤(1)，固定待检测物体并对其表面进行清理；步骤(2)，将低功率压电陶瓷超声换能器底部涂抹适量耦合剂后，使用夹具将其固定在待检物体的表面；步骤(3)，通过导线依次连接信号发生器、功率放大器与压电陶瓷超声换能器；步骤(4)，启动红外热像仪，使其镜头对准被检物体并将其与计算机相连；步骤(5)，启动空气耦合超声换能器并将其放置于被检物体正上方某处，且通过前置放大器与示波器相连接，示波器与计算机相连接。步骤(6)，启动信号发生器和功率放大器，寻找优化的激励参数包括激励时间、激励电压和激励频率；步骤(7)，使用得到的优化激励参数，通过低功率压电陶瓷超声换能器对待检测物体进行超声激励；步骤(8)，使用空气耦合超声换能器接收缺陷处的波形响应信号，使用红外热像仪记录待检测物体表面的红外热成像数据，通过计算机接收的两种类型数据获得最终综合检测结果。3.根据权利要求2所述的一种共享激励源的超声和红外热成像集成式检测方法，其特征在于：所述优化的激励频率为局部缺陷共振频率，其通过空气耦合波形分析法进行确定，具体过程如下:将低功率压电陶瓷超声换能器布置在被检物体左侧施加扫频激励；将空气耦合超声换能器布置在被检物体右侧接收缺陷处波形响应信号，经过前置放大器放大后，由示波器记录波形并传至计算机做快速傅里叶变换得到频谱图，然后计算非线性系数nc，所述非线性系数为：其中，nc为非线性系数，s
f1
为基频幅值，s
2f1
为二次谐波幅值，s
3f1
为三次谐波幅值。将计算得到的非线性系数最高的基频作为所述优化的激励频率即局部缺陷共振频率。

技术总结
本发明属于无损检测和评估技术领域，具体为共享激励源的超声和红外热成像集成式检测系统及方法，低功率压电陶瓷超声换能器通过耦合剂与待检测物体表面接触作为空气耦合超声与超声激励红外热成像两种检测方法的共同激励源，空气耦合超声换能器用于接收缺陷处的波形响应信号，红外热像仪用于记录待检物体表面的热成像数据，计算机用于同时接收红外热像仪采集的热成像数据与经前置放大器放大后的缺陷处的波形响应信号，根据采集的两种类型数据得出被检物体的综合缺陷检测结果。本发明在只使用一种低功率超声激励的情况下能够同时实现空气耦合超声和超声激励红外热成像的综合检测，该集成式检测系统和方法可以提供更全面和更准确的缺陷检测能力。和更准确的缺陷检测能力。和更准确的缺陷检测能力。


技术研发人员：张玉彬 徐长航 刘鹏谦 谢静
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6