本文將與大家分享，ATA-4052高壓功率放大器在激光超聲檢測中增(zeng)強反射波算(suan)法中的應用研究(jiu)，希望能對(dui)各位工程師有(you)所幫(bang)助與啟發。

　　引言

　　激(ji)光(guang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)已經(jing)被廣泛(fan)應(ying)用在(zai)無損(sun)檢測技術(shu)中[1]。激(ji)光(guang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)檢測技術(shu)一般(ban)是指激(ji)光(guang)作用在(zai)被檢測件上，由于(yu)燒蝕效(xiao)應(ying)或者熱彈效(xiao)應(ying)會產生(sheng)(sheng)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)[2]。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)傳播過(guo)程中，遇到(dao)結構(gou)損(sun)傷時，將(jiang)會與損(sun)傷發生(sheng)(sheng)較為(wei)復雜的(de)物理(li)過(guo)程，部分超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)缺陷處被反(fan)射，其中將(jiang)攜帶損(sun)傷的(de)相關(guan)信息。對反(fan)射的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)信號進行分析處理(li)，從(cong)而實現對被檢測件進行缺陷的(de)評(ping)估(gu)。

　　激(ji)光作用在(zai)被檢測件(jian)上可以激(ji)勵(li)出(chu)多種(zhong)超聲(sheng)波(bo)型(xing)。其中，瑞利波(bo)的(de)激(ji)發效率最大，波(bo)形(xing)不易畸變(bian)，并且沿物(wu)體表(biao)(biao)面(mian)傳(chuan)播過程中衰減最小，所以選擇(ze)瑞利波(bo)作為檢測物(wu)體表(biao)(biao)面(mian)或(huo)者(zhe)亞表(biao)(biao)面(mian)結(jie)構損傷的(de)波(bo)型(xing)。在(zai)實驗(yan)上已成(cheng)功實現了用激(ji)光脈沖(chong)成(cheng)功激(ji)發出(chu)瑞利波(bo)。Temsamani等(deng)人則利用瑞利波(bo)進行了有(you)關材料特征(zheng)方(fang)面(mian)的(de)檢測與評價(jia)。在(zai)激(ji)光超聲(sheng)檢測表(biao)(biao)面(mian)缺(que)陷的(de)常用方(fang)法中，主要有(you)脈沖(chong)反射法、缺(que)陷共振法、反射系數法和飛行時間法等(deng)[3]。

　　然而這些(xie)常用的(de)方(fang)法中(zhong)有(you)一個亟待(dai)解決的(de)問題是反射(she)(she)波(bo)信(xin)號很(hen)微弱，而入射(she)(she)波(bo)信(xin)號卻很(hen)強(qiang)，反射(she)(she)波(bo)被淹沒在入射(she)(she)波(bo)中(zhong)[4][5]，這對后續的(de)信(xin)號分析的(de)準確性(xing)有(you)一定(ding)的(de)影響，因(yin)此開展減弱入射(she)(she)波(bo)，增強(qiang)反射(she)(she)波(bo)的(de)算(suan)法研究(jiu)是十分有(you)必要的(de)。

　　1反射波的檢測及(ji)結果

　　1.1反射波的檢測實驗

　　用(yong)激光振鏡對200mm*50mm*8mm（長*寬*厚）的(de)(de)鋁板(ban)進行B掃描(miao)，然后用(yong)瑞(rui)利波探(tan)頭(tou)探(tan)測(ce)(ce)(ce)激光激勵的(de)(de)瑞(rui)利波，分(fen)(fen)析處(chu)理得到瑞(rui)利波信號來探(tan)測(ce)(ce)(ce)鋁板(ban)表面的(de)(de)裂(lie)紋(wen)。分(fen)(fen)為(wei)兩組實(shi)驗(yan)，第一組實(shi)驗(yan)選用(yong)的(de)(de)被檢測(ce)(ce)(ce)件是表面有一條裂(lie)紋(wen)的(de)(de)鋁板(ban)，第二組實(shi)驗(yan)作(zuo)為(wei)參考(kao)實(shi)驗(yan)，選用(yong)的(de)(de)被檢測(ce)(ce)(ce)件是表面無(wu)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)鋁板(ban)。

　　第一組：在(zai)鋁板表面的(de)掃描(miao)(miao)側(ce)距左(zuo)邊界(jie)120mm處有一條平行(xing)于(yu)左(zuo)邊界(jie)的(de)裂紋，裂紋尺寸(cun)是0.1mm*0.2mm（寬度*深度）。選(xuan)用Nd-YAG固體激(ji)(ji)光(guang)器作為(wei)(wei)激(ji)(ji)發源裝置(zhi)(zhi)，其激(ji)(ji)光(guang)脈沖波(bo)(bo)(bo)長為(wei)(wei)1064nm，持續時間7ns，能量為(wei)(wei)1mJ，激(ji)(ji)光(guang)光(guang)束經(jing)光(guang)學系統調制后直徑聚焦為(wei)(wei)0.6mm。激(ji)(ji)光(guang)大在(zai)鋁板上，沿著預先(xian)設定的(de)點進(jin)行(xing)B掃描(miao)(miao)，瑞利波(bo)(bo)(bo)探頭固定在(zai)距左(zuo)邊界(jie)側(ce)60mm處接收(shou)瑞利波(bo)(bo)(bo)，瑞利波(bo)(bo)(bo)探頭的(de)中心頻率為(wei)(wei)2MHz，帶寬為(wei)(wei)2MHz，實驗裝置(zhi)(zhi)圖如圖1所(suo)示.

　　第(di)(di)二(er)組：與(yu)(yu)第(di)(di)一組實驗相(xiang)同(tong)的(de)條件下，換(huan)用掃描面(mian)無裂紋的(de)鋁板作參考實驗。激光掃描點位(wei)置(zhi)和超聲波檢測位(wei)置(zhi)都(dou)(dou)與(yu)(yu)第(di)(di)一組實驗都(dou)(dou)保持一致，實驗裝(zhuang)置(zhi)和實驗參數也均(jun)與(yu)(yu)第(di)(di)一組實驗相(xiang)同(tong)，實驗裝(zhuang)置(zhi)圖(tu)如圖(tu)2所示。

　　激(ji)光掃(sao)描(miao)振鏡在(zai)鋁板的中心位置，沿(yan)著水(shui)(shui)平(ping)方向進行(xing)掃(sao)描(miao)，如圖1所(suo)示。在(zai)距右(you)邊界55mm處(chu)作為(wei)掃(sao)描(miao)起始點(dian)(dian)i=1，每次依次向左移動5mm，經過掃(sao)描(miao)點(dian)(dian)i=2,3,…,15，直至距左邊界70mm處(chu)，每個激(ji)光沖(chong)擊點(dian)(dian)水(shui)(shui)平(ping)間距為(wei)d=5mm。在(zai)掃(sao)描(miao)過程中，每個激(ji)光沖(chong)擊點(dian)(dian)都會有一個超聲波(bo)(bo)的產生(sheng)，超聲波(bo)(bo)傳播到瑞利波(bo)(bo)探頭處(chu)則被數據采(cai)集系(xi)統(tong)接收，送入計算(suan)機進行(xing)分(fen)析(xi)處(chu)理(li)，分(fen)別標記為(wei)Si(i=1,2,…15)。實(shi)驗選用(yong)的數據采(cai)集卡是NI公司的PXIe-1062Q，實(shi)驗采(cai)樣率為(wei)200MHz，采(cai)樣點(dian)(dian)數為(wei)15000。

　　1.2反射波的檢測實驗(yan)

　　上(shang)述兩組實驗(yan)中(zhong)無裂(lie)(lie)紋和(he)有裂(lie)(lie)紋的(de)(de)(de)鋁板實驗(yan)結果，如圖3（a）（b）所示。分(fen)析對(dui)比圖3（a）（b），觀察到(dao)(dao)在(zai)圖3（b）中(zhong)，激光激勵產生的(de)(de)(de)超聲波在(zai)裂(lie)(lie)紋處發(fa)生了(le)變化：入射(she)(she)(she)的(de)(de)(de)超聲波在(zai)裂(lie)(lie)紋處發(fa)生了(le)反(fan)射(she)(she)(she)和(he)透射(she)(she)(she)，然而在(zai)圖3（a）中(zhong)卻(que)沒有看到(dao)(dao)這一現象。反(fan)射(she)(she)(she)波和(he)透射(she)(she)(she)波便會攜帶(dai)有關(guan)(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋的(de)(de)(de)相關(guan)(guan)(guan)特(te)征，因此(ci)我們(men)需要對(dui)它們(men)進行分(fen)析來(lai)得到(dao)(dao)裂(lie)(lie)紋的(de)(de)(de)信(xin)息。但是在(zai)圖3（b）中(zhong)，相比入射(she)(she)(she)波的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，對(dui)我們(men)的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)分(fen)析工(gong)作有用的(de)(de)(de)反(fan)射(she)(she)(she)波的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度卻(que)很弱(ruo)，于是開展(zhan)了(le)對(dui)于減弱(ruo)入射(she)(she)(she)波，增(zeng)強(qiang)反(fan)射(she)(she)(she)波的(de)(de)(de)相關(guan)(guan)(guan)算法研究。

　　2增強反射波的算(suan)法

　　在(zai)圖3（b）中我(wo)們可以(yi)看到超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)信號在(zai)裂(lie)紋處發生了反(fan)射(she)和(he)透射(she)，但是反(fan)射(she)波(bo)(bo)(bo)信號強度(du)很弱。入(ru)射(she)波(bo)(bo)(bo)是由于激光作用(yong)在(zai)鋁板上熱彈效應引起(qi)的(de)(de)(de)，而反(fan)射(she)波(bo)(bo)(bo)則是入(ru)射(she)波(bo)(bo)(bo)遇(yu)到裂(lie)紋反(fan)射(she)引起(qi)的(de)(de)(de)。因此不(bu)(bu)(bu)同(tong)裂(lie)紋的(de)(de)(de)鋁板上，入(ru)射(she)波(bo)(bo)(bo)強度(du)是一樣(yang)的(de)(de)(de)，而反(fan)射(she)波(bo)(bo)(bo)強度(du)則不(bu)(bu)(bu)同(tong)。不(bu)(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)激光沖擊點(dian)距離(li)探頭(tou)的(de)(de)(de)距離(li)不(bu)(bu)(bu)一樣(yang)，而瑞利波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)傳(chuan)播速度(du)是固定的(de)(de)(de)，所以(yi)在(zai)不(bu)(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)沖擊點(dian)上，入(ru)射(she)的(de)(de)(de)瑞利波(bo)(bo)(bo)到達(da)探頭(tou)的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)不(bu)(bu)(bu)一致。

　　按照上(shang)述的(de)算(suan)(suan)法(fa)，對2.1.1中的(de)實驗結果經過上(shang)述算(suan)(suan)法(fa)處理(li)得到的(de)圖像(xiang)如圖3所示。對比(bi)圖3（b），入(ru)(ru)射的(de)瑞(rui)利波信(xin)號減(jian)弱了(le)(le)，而反(fan)射波的(de)信(xin)號明顯增強了(le)(le)，達(da)到了(le)(le)預(yu)期的(de)結果。對探測和評(ping)估鋁(lv)板(ban)表面(mian)的(de)裂紋來說，入(ru)(ru)射波是(shi)噪(zao)聲(sheng)(sheng)，反(fan)射波是(shi)有用信(xin)號。信(xin)噪(zao)比(bi)的(de)定義為：信(xin)噪(zao)比(bi)=20log（信(xin)號電壓/噪(zao)聲(sheng)(sheng)電壓），單位是(shi)分貝[6][7]。在圖3（b）中，信(xin)噪(zao)比(bi)為-14.51dB，圖4中，信(xin)噪(zao)比(bi)為-0.89dB，比(bi)之前提(ti)高(gao)了(le)(le)13.62dB。

　　ATA-4052高壓功率放大器

　　帶(dai)寬(kuan)：（-3dB）DC~500kHz

　　電壓：310Vp-p（±155Vp）

　　電流：2.82Ap

　　功率：437.1Wp

　　壓擺率：345V/μs

　　可程控

　　3結論

　　本文(wen)給出了(le)一種在無(wu)損檢測中(zhong)(zhong)，可(ke)以增(zeng)(zeng)強(qiang)由裂紋(wen)(wen)引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)信(xin)(xin)(xin)號強(qiang)度(du)(du)的(de)(de)算(suan)法(fa)。激(ji)光作(zuo)用在鋁(lv)板(ban)(ban)上，由于(yu)(yu)熱(re)彈效(xiao)應在激(ji)光激(ji)勵處產生了(le)超聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)，其(qi)中(zhong)(zhong)瑞利(li)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)沿著鋁(lv)板(ban)(ban)表(biao)(biao)面(mian)傳播。瑞利(li)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)在鋁(lv)板(ban)(ban)表(biao)(biao)面(mian)傳播過程中(zhong)(zhong)，若遇到鋁(lv)板(ban)(ban)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)裂紋(wen)(wen)，便會與之相互(hu)作(zuo)用，其(qi)中(zhong)(zhong)一部分瑞利(li)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)被(bei)反(fan)(fan)射(she)(she)。在裂紋(wen)(wen)處，入(ru)射(she)(she)的(de)(de)瑞利(li)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)是由熱(re)彈效(xiao)應引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)，與裂紋(wen)(wen)無(wu)關(guan)。然而反(fan)(fan)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)則是由于(yu)(yu)入(ru)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)被(bei)裂紋(wen)(wen)反(fan)(fan)射(she)(she)引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)，于(yu)(yu)是反(fan)(fan)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)攜帶了(le)大(da)量有關(guan)裂紋(wen)(wen)的(de)(de)相關(guan)信(xin)(xin)(xin)息。反(fan)(fan)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)作(zuo)為(wei)有用信(xin)(xin)(xin)號，入(ru)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)作(zuo)為(wei)噪聲(sheng)信(xin)(xin)(xin)號，本文(wen)中(zhong)(zhong)的(de)(de)算(suan)法(fa)減弱(ruo)了(le)入(ru)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)強(qiang)度(du)(du)，增(zeng)(zeng)強(qiang)了(le)反(fan)(fan)射(she)(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)強(qiang)度(du)(du)，提高(gao)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)13.62dB，這對(dui)探測和評估裂紋(wen)(wen)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)裂紋(wen)(wen)是至關(guan)重要的(de)(de)。

　　參考文獻

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