OPCM阵列传感器及其在工程结构NDT中的应用

王自平，骆 英

(江苏大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 212013)

“结构检测鉴定与加固改造”栏目

OPCM阵列传感器及其在工程结构NDT中的应用

王自平*，骆 英

(江苏大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 212013)

阵列换能器是在超声相控阵检测中实现电-声转换的传感器件，是影响无损检测(NDT)成像质量的关键因素。传统的超声相控阵换能器中存在力电参数不合理导致的结构不可设计性、驱动电压高等不足。为提高成像分辨率，设计了OPCM驱动/传感器相控阵列，并应用于铝板损伤检测。结果表明：OPCM驱动/传感器使相控阵超声损伤检测的成像分辨率优于常规的普通压电陶瓷阵列结果，研究拓展了复杂工程结构的无损检测技术(NDT)。

OPCM阵列传感器；相控阵；超声探伤；无损检测

0 引言

工程结构的安全性已成为人们广泛关注的问题，尤其对于大型工程结构，及时、准确、高效的损伤检测成为无损检测技术的发展方向。目前常用的无损检测技术有：超声探伤法[1-3]、射线法[4]、渗透法[5]、磁粉法[6]、涡流法[7]、声发射法[8-9]等，都有各自的优点和局限性。相比之下，超声探伤法具有适应性强、灵敏度高、灵活无害、快速高效等优点而广泛应用，成为目前无损检测领域中研究最活跃的技术之一。超声相控阵检测技术可在不移动或少移动换能器的情况下对工程结构的损伤进行快速扫查和信号接收，尤其适合于大型工程结构和外观复杂结构的难以触及的部位，并实现直观成像，展现出巨大的应用前景和发展潜力。

超声相控阵技术起源仅20余年，初期主要应用于医学超声成像[10-11]。随着电子技术和计算机的发展，超声相控阵技术逐渐应用于工程的无损检测、安全监测、寿命评估，例如：核工业、航空航天、建筑结构、桥梁隧道、水利大坝等。传统超声相控阵损伤检测系统的关键部件—驱动与传感器件由普通的压电陶瓷阵列换能器组成，具有驱动/传感性能可设计性差、材料脆性、力电参数不合理等缺陷，直接影响检测结果和成像质量。本文针对传统超声相控阵换能器的不足，研发了正交异性压电复合材料(OPCM)驱动/传感器，铝薄板结构的超声相控阵扫描检测及局部探伤实验证明，具有定向发射/接收应力波的特点，通过能量聚焦和偏转，提高了损伤检测信噪比和成像分辨率。

1 OPCM驱动/传感器构造原理

为克服单一压电材料的力-电特性方面的不足，在常用压电材料PZT的基础上发展出新的具有压电效应的强度高、韧性好等特点的压电复合材料[12]。将一维压电陶瓷相体平行地排列于一维连通的聚合物中进而构成了两相的1-1型OPCM，如图1，基体材料相是由比压电陶瓷柔韧性要优越得多的环氧型导电胶，它既作聚合物基体材料又被用作交叉式电极。

片状1-1型OPCM元件既可以作为正交异性压电驱动元件，也可作为正交异性压电传感元件。在压电复合材料中，由于聚合物相的存在，当其受到外力作用时，应力将通过聚合物相传递给压电相，使得OPCM具有应力放大效应；同时聚合物相的介电常数极低，也使得OPCM的介电常数整体下降很多，综合使得OPCM中压电常数得到了较大幅度地提高，同时，聚合物的加入使得压电复合材料的韧性有了改善。

图1 OPCM驱动/传感元件构造图

2 超声相控阵偏移理论

OPCM相控阵超声驱动/传感器由多个OPCM阵元按一定形状、尺寸排列而成的，阵元按设计角度延迟一定时间进行发射，根据惠更斯原理，各OPCM阵元在空间叠加合成，从而形成相控发射聚焦和偏转等效果。聚焦或偏转超声波在传播过程中遇到损伤或边界产生回波信号，将各回波到达OPCM阵元的时间差进行延时补偿，对指定方向回波信号叠加后同相增强，而其它方向回波相加后减弱甚至抵消，由于OPCM驱动/传感器具有定向发射和接收超声波的作用，因此便于实现相控能量聚焦，相控阵接收原理如图2所示。

(a)接收聚焦 (b)接收偏转

单阵元发射声场与叠加原理及实现过程如图3。OPCM元件阵元间距为d，以左边第一个OPCM阵元为原点建立坐标系，设共有n个阵元，根据图3中几何关系，相邻波程差为

△S=d·sinθ

(1)

式中，△S为相邻两阵元波程差，d为相邻两阵元中心之间的距离，θ为偏转角。则第i个阵元相对于第1个阵元的延迟时间为

(2)

式中，Ti为第i个阵元相对于第1个阵元的延迟时间，C为波速。当通过OPCM阵元发射信号时，若A(r,θ)为接收信号叠加点，则接收信号为

(3)

式中，ST为激励信号，r/C为原点传播到A点所需要的时间，K为衰减系数。通过控制时间延迟Ti，可以使波束偏转方向按照预定的角度偏转，从而可以延迟接收预定偏转角度上的目标信息。在相控阵偏转粗扫描过程中，信号在损伤处反射能量最强，通过此方向上的信号叠加与OPCM元件特有的正交异性特性提高信噪比。通过计算合成后的时间差可得损伤至原点的距离r：

(4)

式中，t为双程传播时间差。

图3 超声相控偏转图

3 相控阵超声检测实验

3.1 试件及实验装置

试件为1000mm×30mm×2mm的薄铝板，9个11.7mm×1.5mm×0.7mm的OPCM驱动/传感器，相邻中心距5mm依次为1～9，图中粘贴一直径5mm的铁块模拟损伤，见图4。实验系统由Agilent33220任意波形发生器、KH7602宽频带攻放及Agilenet54820A示波器组成，如图5所示。

图4 实验试件示意图

图5 实验装置示意图

激励信号采用中心频率为50kHz、幅值为±5V的5波峰窄带调制正弦信号，由于频散现象使结构响应信号复杂，通过将该激励信号频率约束在中心频率附近，可以最大可能抑制在各向异性材料中信号传播的发散效果，如图6所示。

图6 激励信号

3.2 实验过程及信号

阵列中其中一个OPCM元件作为驱动器，其他8个则作为传感器接收信号，每个角度采用8×9=72个传感信号，图7(a)为含损伤典型信号，图7(b)为不含损伤健康信号，图7(c)为两者的差值信号。将所有差值信号进行相应的时间延迟，从0°到180°每隔5°叠加合成该角度上的总信号，进行延时修正后，叠加各个角度上的延时处理信号。能量最强处即为损伤反射处。

(a)含损伤典型信号

(b)不含损伤首脉冲信号

(c)差值信号

3.3 实验结果

将所有差值信号进行相应的时间延迟，每个角度上的信号进行叠加合成该角度上的总信号。每隔5°偏移一次，将180°范围内合成的信号用灰度图显示在同一张图上，如图8，横坐标x表示OPCM元件阵列方向距离，纵坐标y表示从源点到损伤处的连接方向，图颜色深浅用幅值的平方来表示，即合成信号像素值对应0°～180°范围内信号中该点幅值的平方，图像中从暗到亮对应能量从弱到强。能量较强的信号所在的角度即为损伤所在的方向，然后由最大能量的合成信号到达时刻及该方向表面波速计算出损伤所在的位置，从而确定其所在位置。从图中可以看出，能量最大处即为损伤位置，其坐标为(0°，82mm)，而实际损伤位置为(0°，80mm)，距离误差为2mm，在损伤处还存在较大的反射信号导致的伪像影响损伤位置的判断。

图8 超声相控阵粗扫描损伤检测结果

4 结论

OPCM驱动/传感器因其特有的正交异性特性而在工程结构损伤检测中占有明显的优势，OPCM驱动/传感元件按照一定的组合方式排成阵列，通过激励应力波顺序和延时来控制波束指向。

采用超声相控阵扫描对铝板模拟损伤进行了检测，得出OPCM驱动/传感器阵列可用于超声相控阵检测中，减少了在激发过程中的能量损失，限制其扫描面积，提高了成像分辨率。

超声相控阵检测技术的应用将有助于改善无损检测结果的精确性和可靠性，实现无损检测的实时性和可视化，可应用于核工业、建筑结构、桥梁隧道、水利大坝等大型工程及复杂结构的无损检测、安全监测及寿命评估。

[1]Miller,D.UltrasonicDetectionofResonantCavitationBubblesinaFlowTubebyTheirSecond-HarmonicEmissions[J].Ultrasonics,1981, 19(5): 217-224.

[2]Kundu,T.UltrasonicNondestructiveEvaluation:engineeringandbiologicalmaterialcharacterization[M].English:CRC,2004.

[3] 施克仁,高炽扬.无损检测新技术[M].北京：清华大学出版社, 2008.

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[6]Matsuda,H.MagneticParticleTesting[J].MetalsandTechnology(Japan),1999, 69(3):13-20.

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(责任编辑：蒋 华)

OPCM Array Sensors and Application in NDT of Engineering Structures

WANG Zi-ping*, LUO Ying

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China)

Array transducer is a sensor which can realize electro-acoustic transforming in phased array ultrasonic detection. It is a key factor in determining the imaging quality in the nondestructive testing (NDT). Traditional ultrasonic phased array transducer has low design ability, high actuating voltage and other shortcomings. To improve the imaging resolution, an OPCM actuator/sensor phased array was designed and applied in damage detection of aluminum plate. The results showed that OPCM actuator/sensor improved the imaging quality in the phased array ultrasonic damage testing, and was better than that made of piezoceramics. It may expand the NDT application in complex structures.

OPCM array sensors; phased array; ultrasonic flaw detection; NDT

栏目主持人孙文彬教授按语：本期专栏得到了江苏大学土木工程与力学学院院长骆英教授和扬州大学建筑科学与工程学院曹大富副教授的支持，骆院长推荐土木工程测试技术研究院王自平博士的学术成果，曹老师推荐了研究生魏欣的研究论文。王博士在骆教授的指导下，从事新型传感器及无损检测技术研究，主持国家基金1项，参与“863”、国基及省部级项目多项，本期刊发论文介绍了OPCM阵列传感器的开发和NDT应用的研究成果。曹老师长期从事工程结构的加固改造研究，主持国家基金2项，本期刊发论文介绍了梁板叠合构件剪切行为的有限元分析成果，涉及的钢筋混凝宽柱双梁框架结构体系也是由曹老师课题组提出的旧房改造的新概念。两文并发，以飨读者，并表示对两位老师的感谢。

2015-03-25

国家自然科学基金项目(11402101，11272138)；江苏大学高级专业人才科研启动基金(14JDG022)

王自平(1979-)，男，湖南湘乡人，讲师，博士，主要从事结构无损检测技术研究；*为通讯作者。

TU

A

1009-7961(2015)03-38-05