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基于音频检测技术的混凝土无损检测技术

2014-04-29 11:44:24

[导读] 本文对数字错位散斑无损检测技术的音频扫描加载方式进行了研究,建立了计算机控制的宽带音频扫描加载 系统,该系统具有使用方便,音频信号可任意控制,既可以有稳定的单一信号输出,又可以连续输出线性关系的宽带扫频信号。研制开发的压控式音频波形发生器, 在工程中具有广泛的应用价值。


1 引言

无损检测是以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提,应用物理和化学等现象,对各种工程材料、零部件和产品进行有效的检验和测试,测定材料结 构物理和机械性能或内在各种缺陷以及其它技术参数,借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性以及适用性的综合性应用的检测技术科学。几十年来,国内外许 多学者在对界面内缺陷的检测及粘接质量信息评估等方面开展了一些卓有成效的研究工作,相继提出了超声技术、计算机层析技术、声发射技术、热像技术和激光全 息技术等测试方法,从不同程度上解决了一些产品在线无损检测及使用寿命的可靠性预测。散斑错位术以其非接触、高精度、全场性、实时性等特点在无损检测领域 备受青睐并得到充足的发展,该方法是基于对被测构件施加一定的载荷,在构件的缺陷处产生不同于其它处的较大变形。当用激光照射到被测物体表面时,在缺陷处 产生散斑干涉条纹,从而使我们能够获得缺陷的位置、大小等信息。由于加载方式是数字散斑无损检测系统中必不可少的一个环节,因此针对不同的缺陷,所采用的 适当加载方式对无损检测至关重要。在以往的数字错位散斑无损检测中,常用的加载方式主要有热加载、真空加载、电磁激振加载等,但因加载方式的匮乏,限制进 一步拓宽其应用领域。

本文从电学、声学的角度自行设计了一套计算机控制的宽带音频扫描激振加载系统,研制开发了压控式音频波形发生器,该系统由计算机发出控制信号, 经D/A传送给压控式音频波形发生器使产生所要求的音频信号,通过内部的功率放大器放大使其完全满足检测所需要的频响和声强的需要,并输送给大功率扬声 器,从而实现了自动控制连续频率的扫描。基于宽音频扫描加载的DSSPI 无损检测系统可以实现对复合材料粘接质量的快速和在线检测,有效地表征和评价复合结构界面的粘接质量。

2 数字错位散斑无损检测的基本原理

数字散斑错位术(DSSPI)以其非接触、高精度、全场性、实时性等特点在无损检测领域备受青睐,应用该技术对界面内缺陷的检测及粘接质量评估 等方面许多学者做许多研究工作。其无损检测原理是基于施加各种载荷,使被测物体在内部缺陷处产生比其它部分更大的变形,从而产生DSSPI 条纹。当用经过扩束的激光照射具有漫反射的物体时,漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折,在像平面上产生与剪切镜的剪切角相同方向的两个错位的像,它们在像 平面上互相干涉,形成散斑干涉图像。该图像由CCD经图像卡采集到计算机中,并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理,在计算机显示器上即可直接显现物 体变形信息的散斑条纹图。在物体变形前,物体表面任一点P1(x,y,z)和与其相对应错位点P2(x+δx,y,z)经入射光照射后,漫反射到CCD 光靶上的光波复振幅分别为F1=Aeiφ1和F2=Aeiφ2物体变形前作第一次曝光,在像平面上合成光场的光强为

 

 

其中α=φ1- φ2为由于错位引起的相位差。当物体受到外载荷作用下产生变形,P1和P2位置发生了改变,同理我们可以得到第二次曝光时在像平面合成光场的光强为:

 

 

式中△=△φ1- △φ2为由于错位引起的变形位相的变化,对变形前后的两次曝光作相减处理,则有:

 

 

经过这样的处理后,在计算机显示器将出现黑白相间的散斑干涉条纹。上式中的第一个项反映了数字错位散斑干涉图噪声调制的特点,而后一项是与物体变形有关的项。设物体表面任一点的位移为(μ,ν,ω),则有

 

 

其中σx为沿 x轴方向的错位量,θ, β分别为照明方向与yz平面和xz平面的夹角,λ为光源的波长。

3 宽带音频扫描加载系统的原理和组成

宽音频扫描激振加载是利用共振原理使物体的缺陷处产生变形,当激振频率与缺陷的固有频率接近或一致时产生谐振,以达到无损检测的需要。当整个扫 频范围声波作用于被检构件时,对于不同的缺陷,就会在其相应的共振频率处发生共振,产生较大的离面位移,那么从显示器上的散斑图可以直接观察到缺陷位置、 大小和形状,对被检构件的质量迅速做出评估。压控式宽带音频扫描加载系统由计算机、D/A 转换卡、压控式音频波形发生器、功率放大器、大功率扬声器(150W)组成,如图1 所示。系统控制方式是由计算机向D/A发出数字信号,D/A转换卡将数字信号以电压的模拟量信号由输出端传输给压控式音频波形发生器,压控式音频波形发生 器则产生相应的正弦波音频信号。对于固定的数字信号其发出的音频信号也是固定的,因此,当计算机发出的数字发生改变,则压控式音频波形发生器发出的信号也 相应发生改变,从而达到控制的目的。为了计算机控制的需要,我们自行设计开发了压控式音频波形发生器,它可以产生单一的波形(可以是正弦波、三角波或方 波)信号,由于音频信号的幅值很小,不能直接带动音响设备,因此在内部配备功率放大模块,可同期输出驱动大功率扬声器的音频信号。我们设计的音频发生器的 输出频率带宽为10~10kHz。

 

4 实验结果

计算机给D/A 发出的数字信号为整型量(0~4095),每一个数字都对应一定的频率。我们用示波器对压控式音频波形发生器进行了检测,图2 为计算机输出的数字与频率对应关系曲线。图3 为波形发生器输出各种频率的波形,输出的正弦波信号非常稳定,且没有任何谐波。为了验证加载系统的可行性,我们对带有预制不同形状和尺寸缺陷的复合材料模 型和建筑外墙瓷砖的粘接状况进行验证和检测。图4 为在整个扫频过程中采集的反映各种缺陷产生的条纹图,从上述的结果我们可以看出:不管是基频共振,还是高阶振型,只要实现宽带音频扫描加载,不同形状和尺 寸的缺陷均可检测。图5 扫频过程中采用了DSSPI 峰值叠加技术得到的粘接状况结果,图中白色区域为脱粘部分。

5 结论

本文提出了一种新的加载方式―宽带音频扫描加载,通过对带有不同形状和尺寸缺陷的复合材料模型和建筑外墙瓷砖粘接质量进行实际检测,验证了该加 载方式的可行性,并能够得到非常真实的检测结果。自行研制开发的压控式音频波形发生器具有高精度信号输出和较大的扫频范围,在其它领域也可得到广泛应用。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  无损检测[11]
 
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