一种用于有机材料热氧老化评价的非线性超声检测方法.pdf

一种用于有机材料热氧老化评价的非线性超声检测方法，本方法以非线性声学测量系统为基础，搭建有机材料热氧老化损伤非线性超声检测系统；分别设定激励信号和接收信号相应参数，通过示波器观察接收到的时域波形信号对相应激励和接收信号参数进行微调；根据超声探头的频率特性选取探头的最佳工作频段，确定扫频范围的起始频率和终止频率；调整积分门参数，通过扫频得到超声波基波幅值和二次谐波幅值随频率的变化规律，并存入计算机；计算扫频范围内各频率点对应的非线性系数，根据改进的应力波因子算法计算扫频范围内的累积非线性效应；确定累积非线性效应与有机材料热氧老化时长的对应关系，对有机材料热氧老化损伤的有无及损伤程度进行评估。

1.  一种基于非线性超声的有机材料热氧老化损伤评定方法搭建检测系统，其特征在于：该系统包括计算机(1)、非线性声学测量系统(2)、信号选择器(3)、数字示波器(4)、50Ω负载阻抗匹配(5)、可调衰减器(6)、低通滤波器(7)、超声波激励探头(8)、超声波接收探头(9)、待测试件(10)、高通滤波器(11)、可调前置放大器(12)；计算机(1)与非线性声学测量系统(2)之间通过信号线相连，采用软件设定各种参数控制非线性声学测量系统硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量系统(2)的高能脉冲信号输出端通过50Ω负载(4)、可调衰减器(5)，然后经低通滤波器(7)滤除激励信号中的高频噪声后与超声波激励探头(8)相连；超声波探头(9)接收透过试件的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量系统通道1，另一路信号经由高通滤波器(11)和可调前置放大器(12)之后送入非线性声学测量系统通道2；通过非线性声学测量系统(2)的射频信号监控端与信号选择器(3)相连，将接收信号分别送入计算机软件信号采集模块和数字示波器(4)。

2.  一种基于非线性超声的有机材料热氧老化损伤评定方法，其特征在于：检测方法步骤如下，
步骤一：制备不同热氧老化损伤程度的有机材料试块；将待测试块置于高低温老化试验箱中，设定加热温度、每小时通风量、加热时长等参数，按照实验设计制备不同热氧老化时长的待测试块；
步骤二：检测系统搭建及参数设置；
(1)以非线性声学测量系统为基础，搭建检测系统；
(2)激励信号参数设置：包括载波信号幅度、宽度，门控放大器放大等级，调制信号类型、频率、幅值、相位、直流偏置等，通过计算机软件控制SNAP硬件系统将激励信号送入超声波激励探头(8)；
(3)接收信号参数设置：开启非线性声学测量系统多频率追踪功能，同时追踪通道1信号基次频率、通道2信号二倍频率；分别调整接收通道1和通道2接收信号放大增益；
(4)积分门参数设定：设定探头初始激励频率，调整积分门延迟和积分门宽度；
(5)设定扫频范围和扫频间隔：根据超声波探头的频带范围，确定扫频的起始频率f₁、终止频率f₂和频率增加步长Δf；
步骤三：设定频率步进间隔Δf，采集不同频率点f_r＝f₁+n·Δf所对应的基波幅值A₁和二次谐波幅值A₂信号，其中n为1、2、…、之间正整数；
步骤四：根据非线性系数的计算公式求取各对应频率点f_r下的材料热氧老化损伤非线性系数；
步骤五：采用改进的应力波因子计算在频率f₁和f₂之间的有机材料热氧老化损伤累积非线性效应；
式中f₁、f₂分别为扫频的下限频率和上限频率，确定扫频间隔Δf，定义，f_r为f₁和f₂之间一特定频率，且满足f_r＝f₁+n·Δf，通过计算f₁和f₂之间间隔为Δf的所有频率点对应非线性系数β，然后对扫频范围内的非线性系数进行积分，最终用一定频段范围内的累积非线性效应来表征有机材料热氧老化的损伤程度，此即为改进后的应力波因子SWF蕴含的物理含义；
步骤六：根据步骤一至步骤五中测量得到的有机材料不同热氧老化时间长度所对应的累积非线性值，绘制有机材料热氧老化损伤曲线；最后，将测得的累积非线性值与材料未受损伤时的初始非线性值进行比较，对有机材料热氧老化损伤的有无及损伤程度进行判别。

一种用于有机材料热氧老化评价的非线性超声检测方法
技术领域
本发明涉及一种有机材料热氧老化损伤的非线性超声检测方法，该方法可用于有机材料热氧老化损伤的无损检测以及老化程度的评估，属于无损检测领域。
背景技术
有机高分子材料以其重量轻、可塑性强、强度高、耐腐蚀等优点，在各领域均得到广泛应用，如市政供水管网、电力系统外绝缘材料、各仪表板/盘的基础支撑部件等。由于受到光照、温度、氧气等环境因素的影响，有机材料在加工、存储和使用过程中，其物理、化学性能会发生不可逆的变化而产生老化损伤。有机材料的老化不仅会引起其外观质量的变差，还会大大降低其机械和电气性能，如力学性能下降、电绝缘性能下降等，为材料的正常使用埋下很大的安全隐患。因此，对有机高分子材料的老化损伤进行无损检测并对损伤程度进行评估具有十分重要的意义。
现用的有机高分子材料老化损伤检测方法主要有目测法、拉伸试验法、红外光谱分析等。目测法主要通过观察材料表面的银纹、粉化、起皱等现象来判断其老化程度，受操作人员的主观影响大、测量精度低；拉伸试验法是一种破坏性的方法，通过试件在疲劳拉力机上的抗拉强度和断裂伸长率等参数来表征有机材料的老化；红外光谱分析利用材料老化过程中光谱的变化来定性分析其老化状况，但该方法受外界环境因素的干扰较大。非线性超声检测是利用声波传播时与材料微观结构相互作用而产生的非线性响应进行材料性能的表征和微小缺陷的检测，从本质上反映了微观缺陷对材料非线性的影响，因此可以用于材料早期性能退化的检测。基于超声的非线性效应，现有的非线性超声无损检测方法主要有高次谐波及次谐波法、波束混叠法以及谐振频率漂移法，其中谐波法是技术最成熟、应用最广泛的一种非线性超声检测方法。
国内外学者采用非线性超声高次谐波法对金属材料在高温蠕变、拉伸疲劳等条件下的早期材料性能退化进行了大量研究。在金属材料热损伤的非线性超声评价方面，项延训在文章《HP40Nb合金钢高温劣化的非线性超声评价》中研究了相对谐波非线性系数随材料高温时效时间的变化规律，发现非线性系数的变化与 材料高温损伤后的微观组织变化密切相关。税国双在文章《列车外圆弹簧疲劳损伤的非线性超声测试》使用谐波非线性超声检测方法对列车外圆弹簧的疲劳损伤程度进行了表征。
本课题组吴斌等在《AZ31镁合金早期力学性能退化非线性超声检测》对AZ31镁合金疲劳裂纹试件中材料的力学性能退化进行了非线性超声检测的研究，实验结果表明，超声非线性系数可以表征AZ31镁合金的疲劳退化过程，所得到的疲劳寿命曲线对材料和结构的力学性能退化程度进行疲劳寿命预测有潜在的应用价值。然而，已有的研究成果只考虑待测试件在单一固定频率激励信号下的非线性超声系数。由于超声波探头具有一定的频带宽度，所以本发明提出采用一定频带范围内的累积非线性效应表征有机材料的热氧老化程度。
针对非线性累积效应的研究，邓明晰在《层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》提出应力波损伤因子的概念对层状固体板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性累积损伤进行了研究，但其仅仅考虑了基波和二次谐波各自的非线性累积效应，不是用非线性系数来衡量板结构的损伤，且其应用领域为超声导波。
在有机材料的非线性超声检测研究方面，A.Demcenko在《Noncollinear wave mixing for measurement of dynamic processes in polymers:Physical ageing in thermoplastics and epoxy cure》采用混频非线性超声的方法对热塑性材料PMMA和环氧树脂的物理老化的动态过程进行了研究，结果表明非线性超声对高分子材料的老化具有很高的灵敏度。但是，混频非线性超声对激励信号的波型要求苛刻，且所需检测装置与谐波法相比更加复杂。
综上所述，在前人的研究基础上，针对有机高分子材料老化损伤现有检测方法存在的不足，本专利提出一种基于非线性超声技术的有机材料热氧老化损伤评定方法。本方法不但可以对有机材料的热氧老化损伤进行无损检测，更重要的是可以对热氧老化损伤的积累过程进行表征，为有机材料的寿命预测提供可靠的参考信息。
发明内容
本发明旨在提出一种有机材料热氧老化损伤检测方法，特别是基于非线性超声技术的有机材料早期热氧老化损伤无损检测方法。将压电超声波探头放置在待 测试件表面作为激励传感器，利用中心频率为激励探头两倍的压电传感器布置在激励探头的对侧接收超声波信号。改变探头激励频率，通过扫频的方式获取不同激励频率点下时域信号傅里叶变换后的基波幅值和二次谐波幅值，并用二次谐波与基波幅值的平方的比值来计算材料损伤的非线性系数，最后采用改进的应力波因子计算一定频段内的累积非线性系数来表征有机材料的热氧老化损伤的累积过程。
本发明提出的基于非线性超声技术的有机材料热氧老化损伤评定方法，其基本原理在于：
有机材料在热氧条件下发生老化损伤时，其微观组织结构会发生变化，声波在其中传播时质点振动不再满足线弹性关系，固体介质内的一维纵波非线性波动方程如式(1)所示：
ρ0=∂2u∂t2=E1∂2u∂x2+(3E1+E2)∂u∂x∂2u∂x2---(1)]]>
式中ρ₀———介质密度(kg/m³)；
E₁———二阶弹性常数，且E₁与纵波波速的关系为E₁＝ρ₀c²，c为声速；
E₂———三阶弹性常数。
利用逐级近似微扰法，定义输入单一频率谐波为：
u(x,t)＝A₀sin(ωt-kx)  (2)
定义非线性系数为：
β=-3E1+E2E1---(3)]]>
联立(1)、(2)、(3)求得方程(1)精确到1级的近似解为
u(x,t)=A0sin(ωt-kx)+18(A02k2βx)cos2(ωt-kx)---(4)]]>
从式(4)中可以看出，由于材料的非线性，波在传播过程中频率发生改变，除原有频率ω外，还出现了高次谐波2ω。由(4)式可知，基波幅值为
A₁＝A₀  (5)
二次谐波幅值为
A2=18(A02k2βx)---(6)]]>
由方程(6)可知，二次谐波的幅值与频率的平方、超声波传播的距离和材料的超声非线性系数成正比。进而可以得到材料的非线性系数为：
β=8(A2A12)1k2x---(7)]]>
式中，k＝ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A₁和A₂分别为基波和二次谐波幅值，x为声波在试件中传播的距离。
然而，公式(7)定义的非线性系数β只能对单一激励频率点下的材料损伤进行评价，并未考虑不同激励频率下材料非线性效应的累积，为了增强信号强度，我们采用扫频的方式求取一定频段范围内每个激励频率点下的非线性系数对频率的积分值，定义改进的应力波损伤因子SWF如式(8)所示：
SWF(fr)=∫f1f2A2A12(fr)df---(8)]]>
式中f₁、f₂分别为扫频的下限频率和上限频率，确定扫频间隔Δf，定义，f_r为f₁和f₂之间一特定频率，且满足通过计算f₁和f₂之间间隔为Δf的所有频率点对应非线性系数β，然后对扫频范围内的非线性系数进行积分，最终用一定频段范围内的累积非线性效应来表征有机材料热氧老化的损伤程度，此即为改进后的应力波因子SWF蕴含的物理含义。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所采用的装置参见图1，包括计算机1、非线性声学测量(SNAP)系统2、信号选择器3、数字示波器4、50Ω负载阻抗匹配5、可调衰减器6、低通滤波器7、超声波激励探头8、超声波接收探头9、待测试件10、高通滤波器11、可调前置放大器12。其特征在于：计算机1与非线性声学测量系统2之间通过信号线相连，采用软件设定各种参数控制非线性声学测量系统硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量系统2的高能脉冲信号输出端通过50Ω负载4、可调衰减器5，然后经低通滤波器7滤除激励信号中的高频噪声后与超声波激励探头8相连；超声波探头9接收透过试件的超声波信号，一路信 号直接送入非线性声学测量系统通道1，另一路信号经由高通滤波器11和可调前置放大器12之后送入非线性声学测量系统通道2；通过非线性声学测量系统2的射频信号监控端与信号选择器3相连，将接收信号分别送入计算机软件信号采集模块和数字示波器4。
本发明提出的基于非线性超声技术的有机材料热氧老化损伤评定方法其具体实现步骤如下：
步骤一：制备不同热氧老化损伤程度的有机材料试块。将待测试块置于高低温老化试验箱中，设定加热温度、每小时通风量、加热时长等参数，按照实验设计制备不同热氧老化时长的待测试块。
步骤二：检测系统搭建及参数设置。
(1)以非线性声学测量(SNAP)系统为基础，依据图1所示的实验装置连线框图搭建检测系统。
(2)激励信号参数设置：包括载波信号幅度、宽度，门控放大器放大等级，调制信号类型、频率、幅值、相位、直流偏置等，通过计算机软件控制SNAP硬件系统将激励信号送入超声波激励探头8。
(3)接收信号参数设置：开启非线性声学测量系统多频率追踪功能，同时追踪通道1信号基次频率、通道2信号二倍频率；分别调整接收通道1和通道2接收信号放大增益。
(4)积分门参数设定：设定探头初始激励频率，调整积分门延迟和积分门宽度。
(5)设定扫频范围和扫频间隔：根据超声波探头的频带范围，确定扫频的起始频率f₁、终止频率f₂和频率增加步长Δf。
步骤三：设定频率步进间隔Δf，采集不同频率点f_r＝f₁+n·Δf所对应的基波幅值A₁和二次谐波幅值A₂信号，其中n为1、2、…、之间正整数。
步骤四：根据非线性系数的计算公式求取各对应频率点f_r下的材料热氧老化损伤非线性系数。
步骤五：采用改进的应力波因子计算在频率f₁和f₂之间的有机材料热氧老化损伤累积非线性效应。
步骤六：根据步骤(一)至步骤(五)中测量得到的有机材料不同热氧老化时间长度所对应的累积非线性值，绘制有机材料热氧老化损伤曲线。最后，将测得的累积非线性值与材料未受损伤时的初始非线性值进行比较，对有机材料热氧老化损伤的有无及损伤程度进行判别。
本发明具有以下优点：1)能够对有机材料早期热氧老化损伤进行检测，且可以测出老化损伤的累积过程；2)不需要对材料进行破坏性试验，实现了真正意义上的无损检测，且可以实现连续在线监测，为有机材料的老化预警机制的建立提供可靠的分析数据。
附图说明
图1检测装置原理图。
图2在高低温老化试验箱中加热不同时长基波幅值随频率变化图。
图3在高低温老化试验箱中加热不同时长二次谐波幅值随频率变化图。
图4a不同加热时长不同频率点对应的非线性系数。
图4b不同加热时长不同测量点的非线性系数(对扫频范围积分)。
图5有机玻璃试块累积非线性值随加热时间的变化图。
图6是本发明方法的实施流程图。
图中：1、计算机，2、非线性声学测量(SNAP)系统，3、信号选择器，4、数字示波器，5、50Ω负载阻抗匹配，6、可调衰减器，7、低通滤波器，8、超声波激励探头，9、超声波接收探头，10、待测试件，11、高通滤波器，12、可调前置放大器。
具体实施方式
下面结合图1～图6详细说明基于非线性超声技术的有机高分子材料热氧老化损伤检测方法的实施过程。
本实验中选用的待测有机材料为聚甲基丙烯酸甲酯(俗称有机玻璃，英文缩写PMMA)，其尺寸为：长200mm、宽25mm、高50mm，形状为长方体。热氧 老化的温度为80℃，每次测量间隔为10小时。
步骤一：不同热氧老化损伤的有机玻璃待测试块制备。有机玻璃的玻璃化温度为104℃，其热变形温度约为96℃，所以选择人工加速老化试验箱的设定温度为80℃，通风量为每小时10m³，每次加热时长为10小时。
步骤二：检测系统搭建及参数设置。
(1)检测系统搭建：该有机玻璃热氧老化损伤检测系统包括计算机1、非线性声学测量(SNAP)系统2、信号选择器3、数字示波器4、50Ω负载阻抗匹配5、7dB可调衰减器6、2MHz低通滤波器7、中心频率2MHz的超声波激励探头8、中心频率4MHz的超声波接收探头9、待测试件10、高通滤波器11、增益为20dB的可调前置放大器12。按照图1所示的检测装置系统框图进行连线。
(2)激励信号参数设置：选择激励信号为10周期汉宁窗调制的正弦信号，脉冲宽度为10周期，通过计算机软件控制SNAP硬件系统将激励信号送入超声波激励探头8。
(3)接收信号参数设定：开启SNAP系统多频追踪功能，同时追踪通道1信号基频、通道2信号二倍频；分别调整接收通道1增益为24dB、通道2接收信号增益为44dB；调节前置放大器11放大倍数。 
(4)积分门参数设定：设定探头初始激励频率为2MHz，调整数字示波器4显示的波形信号，调整积分门延迟时间为11.9微秒，积分门宽度为7.1微秒，使积分门刚好框住超声波探头9接收到的直达波信号。
(5)设定扫频范围：根据超声波探头的频带范围，设定扫频起始频率f₁为1MHz，终止频率f₂为3MHz，频率每次增加步长Δf为0.01MHz。
步骤三：设定频率步进间隔Δf为0.01MHz，采集不同频率点f_r＝f₁+n·Δf所对应的基波幅值A₁和二次谐波幅值A₂信号，其中n为1、2、…、之间正整数，绘制基波幅值A₁和二次谐波幅值A₂随频率的变化曲线分别如图2和图3所示。
步骤四：根据非线性系数的计算公式求取各对应频率点f_r下的材料热氧老化损伤非线性系数，绘制扫频范围内各频率点对应的非线性系数如图4a 所示。
步骤五：采用改进的应力波因子计算在频率f₁和f₂之间的有机材料热氧老化损伤累积非线性效应。在每一个待测试块上选取9个不同的测量点，得到每个待测有机玻璃试块上不同检测点对应的累积非线性值如图4b所示。
步骤六：根据步骤(一)至步骤(五)中测量得到的有机材料不同热氧老化时间长度所对应的累积非线性值，计算图4b中各不同老化时长有机玻璃试块9个测量点的累积非线性值的平均值，最终绘制有机材料热氧老化损伤曲线如图5所示。最后，将测得的累积非线性值与材料未受损伤时的初始非线性值进行比较，对有机材料热氧老化损伤的有无及损伤程度进行判别，完成检测。从图5中可以看出，随着加热时间的增长，有机玻璃非线性系数呈逐渐下降的趋势。此外，所提出的新方法对有机玻璃热氧老化的早期损伤非常敏感。
具体步骤如下：
由计算机软件控制SNAP系统产生单一频率的高能激励信号，经由50负载阻抗匹配、7dB衰减和2MHz低通滤波器滤除因功放产生的高频干扰信号之后，将该信号送至中心频率为2MHz的超声波探头，在待测有机玻璃试块中激励出超声波。安装在探头对侧的中心频率为4MHz的接收探头检测到透过有机玻璃试块的电压信号，该电压信号一路直接送入SNAP系统通道1，另一路信号先经过4MHz高通滤波器滤除基波成分，再对微弱的二次谐波信号进行前置放大后送入SNAP系统通道2，利用SNAP系统对基频和二倍频信号的追踪功能，同时对基波信号和二次谐波信号进行追踪并保存数据。获得在1MHz至3MHz之间扫频得到的基波幅值随激励频率变化曲线如图2所示、二次谐波幅值随激励频率变化曲线如图3所示。然后通过公式(8)对累积非线性效应进行计算，获得有机玻璃试块非线性系数随加热时长变化趋势如图5所示。从图5中可以看出，随着加热时间的增长，有机玻璃非线性系数呈逐渐下降的趋势。此外，所提出的新方法对有机玻璃热氧老化的早期损伤非常敏感，表明该方法可以检测有机高分子材料的热氧老化损伤问题。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于有机材料的热氧老化损伤检测，还可用于其他老化损伤检测，如光照老化、臭氧老化等。