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ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

作者:Aigtek 阅读数:0 发布时间:2023-08-09 16:31:20

  本文将与大家分享,ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的应用研究,希望能对各位工程师有所帮助与启发。

  引言

  激光超声已经被广泛应用在无损检测技术中[1]。激光超声检测技术一般是指激光作用在被检测件上,由于烧蚀效应或者热弹效应会产生超声波[2]。超声波在传播过程中,遇到结构损伤时,将会与损伤发生较为复杂的物理过程,部分超声波在缺陷处被反射,其中将携带损伤的相关信息。对反射的超声波信号进行分析处理,从而实现对被检测件进行缺陷的评估。

  激光作用在被检测件上可以激励出多种超声波型。其中,瑞利波的激发效率最大,波形不易畸变,并且沿物体表面传播过程中衰减最小,所以选择瑞利波作为检测物体表面或者亚表面结构损伤的波型。在实验上已成功实现了用激光脉冲成功激发出瑞利波。Temsamani等人则利用瑞利波进行了有关材料特征方面的检测与评价。在激光超声检测表面缺陷的常用方法中,主要有脉冲反射法、缺陷共振法、反射系数法和飞行时间法等[3]。

  然而这些常用的方法中有一个亟待解决的问题是反射波信号很微弱,而入射波信号却很强,反射波被淹没在入射波中[4][5],这对后续的信号分析的准确性有一定的影响,因此开展减弱入射波,增强反射波的算法研究是十分有必要的。

  1反射波的检测及结果

  1.1反射波的检测实验

  用激光振镜对200mm*50mm*8mm(长*宽*厚)的铝板进行B扫描,然后用瑞利波探头探测激光激励的瑞利波,分析处理得到瑞利波信号来探测铝板表面的裂纹。分为两组实验,第一组实验选用的被检测件是表面有一条裂纹的铝板,第二组实验作为参考实验,选用的被检测件是表面无裂纹的铝板。

  第一组:在铝板表面的扫描侧距左边界120mm处有一条平行于左边界的裂纹,裂纹尺寸是0.1mm*0.2mm(宽度*深度)。选用Nd-YAG固体激光器作为激发源装置,其激光脉冲波长为1064nm,持续时间7ns,能量为1mJ,激光光束经光学系统调制后直径聚焦为0.6mm。激光大在铝板上,沿着预先设定的点进行B扫描,瑞利波探头固定在距左边界侧60mm处接收瑞利波,瑞利波探头的中心频率为2MHz,带宽为2MHz,实验装置图如图1所示.

ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

  第二组:与第一组实验相同的条件下,换用扫描面无裂纹的铝板作参考实验。激光扫描点位置和超声波检测位置都与第一组实验都保持一致,实验装置和实验参数也均与第一组实验相同,实验装置图如图2所示。

ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

  激光扫描振镜在铝板的中心位置,沿着水平方向进行扫描,如图1所示。在距右边界55mm处作为扫描起始点i=1,每次依次向左移动5mm,经过扫描点i=2,3,…,15,直至距左边界70mm处,每个激光冲击点水平间距为d=5mm。在扫描过程中,每个激光冲击点都会有一个超声波的产生,超声波传播到瑞利波探头处则被数据采集系统接收,送入计算机进行分析处理,分别标记为Si(i=1,2,…15)。实验选用的数据采集卡是NI公司的PXIe-1062Q,实验采样率为200MHz,采样点数为15000。

  1.2反射波的检测实验

  上述两组实验中无裂纹和有裂纹的铝板实验结果,如图3(a)(b)所示。分析对比图3(a)(b),观察到在图3(b)中,激光激励产生的超声波在裂纹处发生了变化:入射的超声波在裂纹处发生了反射和透射,然而在图3(a)中却没有看到这一现象。反射波和透射波便会携带有关裂纹的相关特征,因此我们需要对它们进行分析来得到裂纹的信息。但是在图3(b)中,相比入射波的信号,对我们的信号分析工作有用的反射波的信号强度却很弱,于是开展了对于减弱入射波,增强反射波的相关算法研究。

ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究
ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

  2增强反射波的算法

  在图3(b)中我们可以看到超声波信号在裂纹处发生了反射和透射,但是反射波信号强度很弱。入射波是由于激光作用在铝板上热弹效应引起的,而反射波则是入射波遇到裂纹反射引起的。因此不同裂纹的铝板上,入射波强度是一样的,而反射波强度则不同。不同的激光冲击点距离探头的距离不一样,而瑞利波的传播速度是固定的,所以在不同的冲击点上,入射的瑞利波到达探头的时间不一致。

ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

  按照上述的算法,对2.1.1中的实验结果经过上述算法处理得到的图像如图3所示。对比图3(b),入射的瑞利波信号减弱了,而反射波的信号明显增强了,达到了预期的结果。对探测和评估铝板表面的裂纹来说,入射波是噪声,反射波是有用信号。信噪比的定义为:信噪比=20log(信号电压/噪声电压),单位是分贝[6][7]。在图3(b)中,信噪比为-14.51dB,图4中,信噪比为-0.89dB,比之前提高了13.62dB。

ATA-4052高压功率放大器在激光超声检测中增强反射波算法中的研究

  ATA-4052高压功率放大器

ATA-4052高压功率放大器

  带宽:(-3dB)DC~500kHz

  电压:310Vp-p(±155Vp)

  电流:2.82Ap

  功率:437.1Wp

  压摆率:345V/μs

  可程控

  3结论

  本文给出了一种在无损检测中,可以增强由裂纹引起的反射波信号强度的算法。激光作用在铝板上,由于热弹效应在激光激励处产生了超声波,其中瑞利波沿着铝板表面传播。瑞利波在铝板表面传播过程中,若遇到铝板表面的裂纹,便会与之相互作用,其中一部分瑞利波被反射。在裂纹处,入射的瑞利波是由热弹效应引起的,与裂纹无关。然而反射波则是由于入射波被裂纹反射引起的,于是反射波携带了大量有关裂纹的相关信息。反射波作为有用信号,入射波作为噪声信号,本文中的算法减弱了入射波强度,增强了反射波强度,提高信噪比13.62dB,这对探测和评估裂纹表面的裂纹是至关重要的。

  参考文献

  [1]张昭,肖迎春,李闵行,郭佳,王倩.激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用[J].航空工程进展,2014,2014(03):269-274.

  [2]陈翠丽.超声表面波探伤在轴承检测中的应用[J].无损检测,2014,2014(01):77-79.

  [3]关建飞.激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究[D].南京:南京理工大学,2006.

  [4]刘鹏,郑宾.基于无损检测的激光超声信号分析[J].电子世界,2014,2014(15):87-88.

  [5]张韬,郑宾,郭华玲.基于新的EMD降噪技术在表面微裂纹检测中的应用[J].电子世界,2014,2014(15):32-33.

  [6]马宗峰,张春熹,张朝阳,颜廷洋.光学外差探测信噪比研究[J].光学学报,2007,2007(05):889-892.

  [7]凌云.非规则干扰信噪比分析[J].石油地球物理勘探,2001,2001(03):272-278.

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