摘要
焊接结构是很多大型工件的关键部位，对工业生产和日常生活产生较大影响，所以对焊接结构进行质量检测是必不可少的环节。在层出不穷的检测方法中，超声导波检测法因其具有一次扫描即可检测长距离部件的内外缺陷的优点，成为了焊缝检测方法中的翘楚。一个检测高效、性能稳定的导波焊缝检测系统难能可贵。而现有的系统常由单压电传感器构成，此类传感器在实况检测中，由于焊缝表面的不规则性，导致传感器与焊缝表面呈线接触或点接触，超声波的输入效率较低。为了提高导波在焊缝中的检测能力，本文设计一款基于阵列式传感器的焊缝检测系统，并提出基于相控阵技术的阵列式传感器激励方法，使阵列排布的压电晶片能产生一簇融合效果好的超声波信号。 本文围绕焊缝特征导波的理论基础、数值模拟、硬件设计和实验验证等展开了研究，主要研究内容和成果如下： 1）理论探究并仿真验证相控阵技术实现阵列式传感器的信号聚焦。在深度分析现有焊缝检测系统的特征和设计原理基础上，结合阵列式传感器特性及其焊缝检测机理，提出以相控阵技术实现阵列式传感器多信号聚焦的方法，并分别从轴向、周向和整体激励的方式验证所提出理论方法的正确性和有效性。仿真结果表明相控阵技术能使阵列式传感器实现多信号的相位无混叠、幅值线性叠加。 2）实现了基于相控阵技术的焊缝检测系统硬件设计。设置了多路具有不同延时激励时间和相位的信号激励通道；设计了信号激励端和接收端的模拟放大电路和滤波电路，使激励端和接收端的信号都满足应用要求；在接收端利用FPGA设计了信号的存储、显示和通信模块等，实现整个硬件系统的设计。 3）实现了阵列式传感器的多信号聚焦功能，并验证了相位控制系统的焊缝检测能力。搭建实验平台，利用所设计的焊缝检测系统对焊缝进行检测实验，分别验证了系统的幅值叠加和信号耦合情况。信号幅值随激励点数的增加呈线性增加，且信号相位耦合较好，实现了多信号聚焦功能；对四种不同缺陷进行定位精度与回波反射率实验和板中漏波检测实验，发现焊缝缺陷平均定位精度为1.58%，比传统传感器高3.66%，端面和缺陷的回波反射率为52.8%和22.4%，分别比传统传感器高24.1%和8.2%。 理论探究、数值模拟和实验分析的结果表明，在相位控制系统的使用下，阵列式传感器能产生可进行焊缝检测的聚焦信号，且效果良好，可为提高焊缝缺陷无损检测的效率和精度、实现检测系统的市场化开发和应用提供必要的基础。
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