【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业超声检测传感器的，尤其涉及一种基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法。
技术介绍
1、薄壁结构广泛应用于航空航天、石油化工，交通运输等重要领域，结构中的损伤、腐蚀等缺陷不仅会减少结构剩余寿命，甚至会引发灾难性事故，有效的无损检测及在线监测技术对结构完整性评价、安全服役具有重要意义。超声导波无损检测技术在大面积检测和在线监测方面具有优势，能够在结构中传播较长距离并且对微小损伤敏感，是一种重要的无损检测手段，特别是对于待检测区域空间受限、传感器不可达区域的检测，超声导波检测技术优势更加明显。激励超声导波的方法有电磁式传感器和压电式传感器，压电式传感器更容易集成为多通道阵列用于导波声场动态聚焦，对于薄壁结构，通过阵列布局设计和信号处理技术的结合，有效地激励特定模式的超声导波，能够实现对目标区域的精准检测。
2、现有技术中，对于重要构件中的薄壁复杂结构的无损检测及在线监测，传统的超声传感器通常是刚性的，难以贴合复杂或曲面结构。柔性超声传感器具有重量轻、厚度薄的特点，具有良好的适形性、柔韧性，这使得其在安装和使用过程中非常方便，减少传感器对被测结构的负载影响，近年来在工业无损检测、医学超声等领域快速发展。柔性超声导波传感技术用于复杂或弯曲结构的健康监测和缺陷检测，可以紧密贴合到叶片、管道、薄壁结构等具有弯曲或不规则表面的目标上，保证了导波的有效激励和检测。柔性超声导波传感器与相控阵技术相结合，通过电子控制多个传感器单元实现波束成形和聚焦，进一步提高检测灵敏度和分辨率，从而实现对薄壁结构的高精度检测。
3、例如，申请号为202210227382.6的专利技术专利涉及一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，将n个柔性可塑型微超声换能器单元排列成阵列，相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元由弯曲形状的互联结构连接在一起，该互联结构同时也是柔性可塑型微超声换能器单元之间互联的信号线，利用弯曲形状的互联结构，使得所述柔性压电微加工超声换能器阵列具有大幅度弯曲的功能。通过该专利技术提供的方法可以制备得到一种基于薄膜材料的柔性微机电系统(mems)超声换能器(mut)阵列，其可用于低功耗的环境信号的检测和传感。但是该柔性超声换能器阵列制备方法复杂、设备要求高，此外，相较于本申请，利用微加工工艺制备的超声换能器阵列通常激励能量低，若用于在薄板结构中激励超声导波，传播距离短，检测范围小。
技术实现思路
1、针对薄壁结构缺陷检测困难，复杂形状结构表面传感器布置受限的技术问题，本专利技术提出一种基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，在薄壁结构中实现导波声场聚焦激励，柔性超声传感器阵列结构薄且具有柔性，能够实现狭小检测空间、复杂形状结构表面、薄壁结构内部缺陷的无损检测，或布置于结构表面进行长期在线监测。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其步骤如下：
3、步骤一：将柔性超声传感器阵列设置在薄壁结构中心并进行导波聚焦声场仿真，获得柔性超声传感器阵列的导波相控阵聚焦激励方案，依据导波相控阵聚焦激励方案中的参数确定柔性超声传感器阵列的设计方案和聚焦激励波束角阈值；
4、步骤二：搭建微米级高精度加工制备平台，根据柔性超声传感器阵列的设计方案制备柔性超声传感器阵列；
5、步骤三：对柔性超声传感器阵列的全部通道电声参数进行测试，若相对误差超过10％则返回步骤二，否则进入步骤四；
6、步骤四：对柔性超声传感器阵列进行薄壁结构导波声场指向性测试，若波束角小于步骤一的聚焦激励波束角阈值，则进入步骤五，否则调整导波相控阵聚焦方案继续进行薄壁结构导波声场指向性测试；
7、步骤五：利用柔性超声传感器阵列对薄壁结构进行缺陷检测。
8、优选地，所述获得柔性超声传感器阵列的导波相控阵聚焦激励方案的方法为：设计柔性超声传感器阵列的阵元布置方案，设计不同的阵元排列形式，更换传感器阵列的排列方式和数量，设置载荷施加点模拟柔性超声传感器阵列中的各阵元激励，得到柔性超声传感器阵列的导波聚焦激励方案；
9、设置载荷施加点模拟柔性超声传感器阵列中的各阵元激励的方法为：对阵元施加时间延迟激励，形成聚焦声束；在薄壁结构上表面设置多个点探针，用于分析声传播的波形；至少两个探针与阵元的中心在同一条直线上。
10、优选地，所述聚焦激励波束角阈值的确定方法为：设置多个周期汉宁窗调制信号，以一个探针为焦点，对各阵元施加相控阵激励信号，以传感器阵列的中心为原点，在半径为探针与传感器阵列中心距离的圆周区域上，提取各点信号幅值最大值绘制指向性图，以探针所在方位为0°方向，在指向性图中传感器阵列具有优良的指向性时最大的聚焦激励波束角为聚焦激励波束角阈值。
11、优选地，所述柔性超声传感器阵列的每个阵元包括压电材料、正电极和负电极，正电极和负电极分别设置在压电材料的上侧和下侧，正电极和负电极均与压电材料通过导电银胶粘贴，全部阵元的正极独立连接、负电极设计为岛桥结构，正电极和负电极的外侧均设有柔性封装层。
12、优选地，所述薄壁结构为铝板，所述柔性封装层为pdms封装层；
13、所述压电材料是优选1-3复合压电材料，中心频率为600khz，压电材料的声阻抗与铝板声阻抗差值小于3-5mrayl；所述正电极由四层电极材料依次堆叠布置，正电极与负电极均为涂有聚酰亚胺的铜箔。
14、优选地，所述电声参数测试包括阻抗测试、频率响应测试和辐射声场扫描测试，所述电声参数测试的结果包括谐振频率、电阻抗、机电耦合系数、中心频率、带宽、反射信号峰峰值、空间峰值时间峰值声强、空间平均时域峰值声强；
15、分别对全部阵元逐一进行测试，若各阵元间的相同参量相对误差超过10％，则返回加工制备环节，制备新的阵元替换相对误差过大的阵元，重新进行电声参数测试，直至各阵元间的相同参量相对误差不超过10％。
16、优选地，所述阻抗测试获得各阵元频率、电阻抗之间的关系，阻抗测试使用阻抗分析仪测量柔性超声传感器各阵元的电阻抗、相位角、谐振频率、机电耦合系数；
17、所述频率响应测试利用脉冲反射法对传感器阵列全部阵元的频率响应进行测试，获得全部阵元的中心频率、带宽、反射信号峰峰值；
18、所述辐射声场扫描测试对柔性超声传感器全部阵元的辐射声场进行扫描测试，包括平行于阵元声轴的平面、垂直于阵元声轴的平面，分别获得平行于传感器阵元的声轴方向扫描获得的声压分布和垂直于传感器阵元的声轴方向扫描获得的声压分布。
19、优选地，要求每个传感器阵元平行于声轴方向上-3db区域最大宽度不超过4.5mm、-6db区域最大宽度不超过6mm；要求每个传感器阵元垂直于声轴方向上-3db区域宽度不超过4mm、-6db区域宽度不超过5mm；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述获得柔性超声传感器阵列的导波相控阵聚焦激励方案的方法为：设计柔性超声传感器阵列的阵元布置方案，设计不同的阵元排列形式，更换传感器阵列的排列方式和数量，设置载荷施加点模拟柔性超声传感器阵列中的各阵元激励，得到柔性超声传感器阵列的导波聚焦激励方案；
3.根据权利要求2所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述聚焦激励波束角阈值的确定方法为：设置多个周期汉宁窗调制信号，以一个探针为焦点，对各阵元施加相控阵激励信号，以传感器阵列的中心为原点，在半径为探针与传感器阵列中心距离的圆周区域上，提取各点信号幅值最大值绘制指向性图，以探针所在方位为0°方向，在指向性图中传感器阵列具有优良的指向性时最大的聚焦激励波束角为聚焦激励波束角阈值。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述柔性超声传感器阵列的
5.根据权利要求4所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述薄壁结构为铝板，所述柔性封装层为PDMS封装层；
6.根据权利要求4所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述电声参数测试包括阻抗测试、频率响应测试和辐射声场扫描测试，所述电声参数测试的结果包括谐振频率、电阻抗、机电耦合系数、中心频率、带宽、反射信号峰峰值、空间峰值时间峰值声强、空间平均时域峰值声强；
7.根据权利要求6所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述阻抗测试获得各阵元频率、电阻抗之间的关系，阻抗测试使用阻抗分析仪测量柔性超声传感器各阵元的电阻抗、相位角、谐振频率、机电耦合系数；
8.根据权利要求7所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，要求每个传感器阵元平行于声轴方向上-3dB区域最大宽度不超过4.5mm、-6dB区域最大宽度不超过6mm；要求每个传感器阵元垂直于声轴方向上-3dB区域宽度不超过4mm、-6dB区域宽度不超过5mm；
9.根据权利要求5-8中任意一项所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述薄壁结构导波声场指向性测试利用多通道超声系统，通过施加时间延迟激励柔性超声对传感器阵列进行聚焦激励，激励信号沿薄壁结构传播，实现导波声场聚焦调控；利用激光测振扫描系统采集薄壁结构表面的超声导波信号用于传感器阵列指向性研究，获取焦点处的超声导波信号，结合薄壁结构中的频散曲线，进行导波信号模态识别。
10.根据权利要求9所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，根据柔性超声传感器阵列各阵元性能测试结果，选择各阵元中心频率的平均值为阵列激励的中心频率，距离传感器阵列中心Rmm处为声聚焦点，以传感器阵列中心为原点，焦点距离R mm为半径扫描提取扫描半径上的振动信号幅值最大值，在极坐标系中绘制指向性图，波束角小于聚焦激励波束角阈值，超声导波信号传播有明显的聚焦指向；
...【技术特征摘要】
1.一种基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述获得柔性超声传感器阵列的导波相控阵聚焦激励方案的方法为：设计柔性超声传感器阵列的阵元布置方案，设计不同的阵元排列形式，更换传感器阵列的排列方式和数量，设置载荷施加点模拟柔性超声传感器阵列中的各阵元激励，得到柔性超声传感器阵列的导波聚焦激励方案；
3.根据权利要求2所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述聚焦激励波束角阈值的确定方法为：设置多个周期汉宁窗调制信号，以一个探针为焦点，对各阵元施加相控阵激励信号，以传感器阵列的中心为原点，在半径为探针与传感器阵列中心距离的圆周区域上，提取各点信号幅值最大值绘制指向性图，以探针所在方位为0°方向，在指向性图中传感器阵列具有优良的指向性时最大的聚焦激励波束角为聚焦激励波束角阈值。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述柔性超声传感器阵列的每个阵元包括压电材料、正电极和负电极，正电极和负电极分别设置在压电材料的上侧和下侧，正电极和负电极均与压电材料通过导电银胶粘贴，全部阵元的正极独立连接、负电极设计为岛桥结构，正电极和负电极的外侧均设有柔性封装层。
5.根据权利要求4所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述薄壁结构为铝板，所述柔性封装层为pdms封装层；
6.根据权利要求4所述的基于柔性超声传感器的薄壁结构超声导波无损检测方法，其特征在于，所述电声参数测试包括阻抗测试、频率响应测试和辐...
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