[发明专利]一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法

说明书

本发明公开了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法。传感器由多个压电单元构成矩阵，排列在柔性衬底上；每个压电单元上覆盖阻尼块，周围填充吸声材料，传感器外壳以柔性保护膜封装；所有压电单元正极引线串联一个逻辑开关和延时器后，并联至正极总线。压电单元分三种类别，分别激发三种不同模式导波，对不同类型的缺陷敏感程度不一，实现互补。该传感器通过逻辑开关选择不同的压电阵列检测方式，且适应不同曲率表面和结构的焊缝检测需求；延时器调节激励时间差，实现声束的合成与聚焦。该传感器结构简单、适应性强、检测效率高，尤其适用于大型设备长距离焊缝的快速在役检测，自动化程度高。

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法。

背景技术

焊接是生活中常见的生产工艺，在现代工业生产中具有十分重要的作用，它是很多大型结构如压力容器、船舶、海洋平台等制造的关键技术。据统计，在压力容器制造中，焊接工作量占总工作量的30％以上，因此焊接质量对结构质量和使用安全可靠性有直接影响。

超声检测是目前应用最为广泛的焊缝无损检测方法之一，与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、对人体无害以及便于现场检测等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。但是，这种技术定量判断缺陷的性质难度较大，由于它是采用扫查的方式，检测效率不高，因此难以满足当今社会对大型复杂结构进行全面、快速检测的需求。

近年来，超声导波检测发展成为一种新方法，它利用了超声导波与被检工件的相互作用，根据超声波的反射、透射和散射行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征。与传统的超声波检测技术相比，超声导波具有传播距离远、检测速度快的优点，并且接收到的信号中包含有激励和接收两点间结构整体性的信息，因而具有十分广阔的应用前景。

目前，以超声导波检测技术为代表的新型管道导波检测仪在国外已经进入了实用阶段，由于其检测缺陷的高效率并且能实现在役检测，代表了管道缺陷检测技术新的发展方向，所以超声导波检测的应用也会越来越广泛。从一些国内外学者的研究中发现，超声导波不仅仅存在于管道、圆管等简单结构中，对于一些形状复杂的T型焊板、铁轨以及对接焊板中的焊缝等特征部位也能在结构中形成波导并沿着特征部位传播，这为研究导波在焊缝检测中的应用提供了理论依据，也让我们看到了超声导波在焊缝缺陷检测应用中的广阔前景。由于基于特征导波的焊缝缺陷检测技术研究还不成熟，目前国内外专用的焊缝特征导波检测传感器依然较少，一方面，对于管道、铁轨等一维结构，传感器接收信号的回波较干净，而对于焊缝等二维结构，特征导波固有的多模态及频散特性使得回波波形十分复杂，因此如何激励模态单一、能量反射率高的导波信号成为一个难点，同时还需兼顾不同模式导波对不同类型缺陷的敏感程度；另一方面，由于焊缝结构具有多样性，不同厚度焊接件的焊缝表面曲率不一、焊缝宽度也各不相同，为了增加传感器与不同焊缝结构的耦合度，对传感器的结构也提出了更高的要求。

中国专利CN106706178A公开了一种多维杆结构的阵列式压力传感器及集成方法，包括多个多维杆和导线，该传感器可以监测结构应力应变的变化实现对结构发生破坏的部位的检测，该传感器适用于受压结构检测而不适用于焊缝检测。

中国专利CN103977949A公开了一种柔性梳状导波相控阵换能器，该换能器可以在曲面板或管内激励接收导波，并通过相控延时实现导波声束的偏转与聚焦，适用于变曲率曲面板和管类零件的缺陷检测。对于焊缝检测，它应焊缝长度和宽度变化而可调的适应性较弱，且阵列检测方式较为单一，对不同焊缝结构的检测灵敏度有待改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法，解决了传统焊缝缺陷检测技术检测精度低、适应性差的问题。