worms Ultrasonic Guided Wave Testing with Dragonfly Instructions
Ultrazvukové řízené vlnové testování s Dragonfly®
Abstraktní
Testování ultrazvukem vedenou vlnou (UGW) se objevuje jako jedna z nejúčinnějších technik pro detekci, lokalizaci a vyhodnocení poškození ve strukturách. Je založen na měření šíření vysokofrekvenčních vln mezi polem piezoelektrických měničů instalovaných na konstrukci. Jeho široké použití však bylo omezeno obtížností integrace piezoelektrických senzorů do skutečných struktur kvůli křehkosti standardních měničů. Dragonfly®, piezoelektrický snímač napětí vyvinutý společností Worm sensing, vykazuje vysokou citlivost a širokou šířku pásma, přesto je tenký a flexibilní. K demonstraci potenciálu pro testování UGW je hliníková deska vybavena řadou senzorů Dragonfly®. Umělé poškození dlahy je detekováno a lokalizováno pomocí algoritmu RAPID.
Klíčová slova
UGW testování, RAPID algoritmus, piezoelektrický senzor, SHM
Obrázek 1 : Obrázek studované hliníkové desky se 14 senzory Dragonfly® nalepenými po celém okraji desky. Dva další PZT převodníky jsou umístěny blízko senzorů 2 a 9 pro účely srovnání. Vada se simuluje přilepením šroubu M5 k desce v označeném místě.
Obrázek 2 : Výsledky algoritmu RAPID ukazující pravděpodobnost přítomnosti defektu na všech pozicích. Červená tečka představuje skutečnou polohu defektu a zelená tečka je předpokládaná poloha defektu získaná jako maximum ampšířka mapy pravděpodobnosti. Čísla označují snímače pole.
Zavedení
Mezi technologiemi strukturálního monitorování zdraví (SHM) se testování ultrazvukem vedených vln (UGW) objevuje jako jedna z nejslibnějších technik pro detekci a lokalizaci defektů na konstrukcích, jako jsou praskliny, poškození nárazem a koroze. Historicky se široce používá pro monitorování potrubí, kde lze šíření ultrazvukových vln snadno interpretovat [1].
V poslední době se UGW začal zajímat o monitorování deskovitých struktur, jako napřample trupy letadel [2]. Principem je umístit pole piezoelektrických měničů kolem (nebo v) oblasti, která má být monitorována, a alternativně emitovat výbuch „ultrazvukových vln“ na každém měniči a měřit jeho šíření k ostatním měničům pole. Typické frekvence zájmu leží mezi 10 kHz a několika MHz.
Existuje několik technik následného zpracování pro analýzu naměřených signálů a vytvoření mapy pravděpodobných poškození, z nichž některé vyžadují měření základní linie bez defektu, a poté porovnat měření ve skutečném stavu s touto základní hodnotou. Odchylky od základní linie mohou souviset s defekty na destičce. Tyto techniky trpí svou citlivostí na podmínky prostředí. Napřample, změna teploty mění rychlost vlny v desce a vytváří rozdíly mezi aktuálními měřeními a základní linií, které nejsou způsobeny defekty v testované struktuře. Bylo však vyvinuto několik řešení pro kompenzaci vlivu podmínek prostředí [3].
Další kategorii technik zpracování signálu tvoří metody bez základní linie, které nevyžadují měření v bezvadném stavu. Tyto metody jsou založeny na modelování šíření vln v kontrolované konstrukci. Je obtížnější je aplikovat na složité konstrukce, které nejsou jednoduchými deskami, ale umožňují detekci defektů, které existovaly před instalací pole snímačů. [4].
Předpokladem úspěšného nasazení UGW testování bez ohledu na to, jaké postprocessingové algoritmy jsou použity, je integrace citlivých a robustních piezoelektrických měničů do studované struktury. Nejčastěji používanými snímači jsou olověné zircon a titan ate (PZT) disky, které poskytují vysokou citlivost za sníženou cenu. Jsou však velmi křehké a je obtížné je spolehlivě integrovat do průmyslových struktur.
V tomto článku studujeme použití piezoelektrických senzorů Dragonfly® vyrobených společností Worm sensing pro testování UGW. Tyto senzory jsou tenké, ploché a flexibilní, a proto je lze snadno integrovat do jakéhokoli objektu. Kromě toho má Worm sensing schopnost navrhnout a vyrobit vlastní flexibilní desky plošných spojů, které mohou integrovat několik piezoelektrických prvků, což výrazně snižuje náročnost instalace a zvyšuje spolehlivost pole senzorů.
Aby se prokázala relevance Dragonfly® pro testování UGW, je provedena experimentální studie na hliníkové desce, kde je umělý defekt detekován a lokalizován pomocí standardní techniky zpracování UWG: algoritmu RAPID. [5].
Dragonfly® je také srovnáván se standardními PZT senzory z hlediska citlivosti, frekvenční odezvy a snadné integrace.
Nastavení
Studovaný talíř
Hliníková deska o tloušťce 1 mm o rozměrech přibližně 400 x 320 mm je vybavena 14 senzory Dragonfly®, pravidelně rozmístěnými na okraji desky, viz obrázek 1. Deska je vyrobena ze standardního hliníku, jehož podélná rychlost vln je kolem 6420 m/s a rychlost smykové vlny kolem 3040 m/s. Disperzní křivka Lambových vln šířících se v desce se vypočítá pomocí balíku Python Lamb-Wave-Dispersion [6] a skupinová rychlost různých režimů se vynese do grafu. Obrázek 3.
Obrázek 3 : Skupinová rychlost jehněčích vln v hliníkové desce, pro první 2 symetrické a antisymetrické režimy.
Frekvence buzení je nastavena na 100 kHz a při této frekvenci se šíří pouze dva režimy: režimy A0 a S0. Režim S0 je mnohem rychlejší než režim A0.
Nastavení měření
Frekvence buzení je zvolena na 100 kHz a excitační signál se skládá ze shluku 10 period sinusové vlny, modulovaných Tanningovým oknem. Budicí signál je zakreslen Obrázek 4 společně s odezvou převodníku 3, když je dávka odeslána do převodníku 8.
Shluk je generován generátorem tvaru vlny Key sight 33500B. Cíl amplitude burst je nastavena na 10V peak-to-peak, což je maximum ampšířky, kterou může generátor tvaru vlny generovat. Stojí za zmínku, že vzrušení ampLitude je alespoň o jeden řád nižší než typické úrovně buzení obecně používané pro testování UGW. To může mít za následek nižší poměr signálu k šumu v aktuálních měřeních než u standardních nastavení UGW.
Generovaný signál a odezvy převodníku jsou zaznamenávány akviziční kartou Spectrum M4i.2234-x8, sampling na 2 MHz. Tato akviziční karta má omezené SNR přibližně 45 dB. Signály převodníku jsou předamppřed vstupem na kartu Spectrum podomácku vyrobenou svtage amplifier se ziskem x48 (34dB), založený na provozu OPA827 ampživější. The ampšířka signálů zakreslená na obrázku 4 je ampvýška měřená akviziční kartou, a tedy po ampzáchranáři.
Obrázek 4: (a) Budicí signál, sestávající z 10 period sinusové vlny při 100 kHz, modulovaný Tanningovým oknem. (b) Odezva převodníku 3, když je dávka přehrána na převodníku 8, během prvních 0.5 ms po vysílání. Modré křivky odpovídají referenčnímu stavu a oranžové signálům naměřeným s defektem (šroub M5 nalepený na desce).
Všechny možné cesty zdroj-přijímač jsou měřeny ve skupinách po dvou: jeden převodník je připojen ke generátoru signálu a dva další k akviziční kartě. Provede se měření a dva další snímače se připojí k akviziční kartě. Jakmile byly všechny převodníky změřeny jako přijímače pro vybraný zdrojový převodník, postup se opakuje se všemi ostatními převodníky jako zdroji. Celkem je měřeno 14*13=182 cest zdroj-přijímač.
Zpracování signálu
Ke zpracování naměřených signálů a lokalizaci defektu se používá rekonstrukční algoritmus pro pravděpodobnostní inspekci poškození (RAPID). [5], [7].
Prvním krokem je oříznutí signálů do oblasti zájmu, aby se zachovaly první cykly burst po příchodu požadovaného režimu. Teoretická skupinová rychlost se používá k výpočtu doby příchodu shluku pro daný pár zdroj-přijímač, který je znázorněn na Obrázek 5.
Na většině měření nejrychlejší režim, symetrický režim S0 není v měřených signálech viditelný. Důvody pro toto pozorování mohou být dva: buď samotné snímače nejsou s tímto režimem dobře spojeny, nebo je hladina šumu příliš vysoká na to, aby byl tento režim v měřených signálech vidět.
Při analýze tak bude uvažován pouze režim A0 (který odpovídá ohybovým vlnám na nízkých frekvencích) a všechny měřené signály jsou oříznuty na okno začínající v době příchodu režimu A0 a trvající 0.1 ms, což odpovídá délka vzruchu buzení. Vybraná část signálu je zvýrazněna v Obrázek 5.
Obrázek 5 : Naměřené základní a defektní signály, když je dávka přehrávána na převodníku 3 a měřena převodníkem 12. Část signálu, která bude použita ve zbytku analýzy, je zvýrazněna šedě.
K sestavení metriky představující rozdíl mezi signály naměřenými před a po vytvoření defektu na destičce se používá koeficient rozdílu signálu (SDC). Je definován následovně:
??? = 1 − ρ
Kde:
Kde je kovariance mezi signálem měřeným senzorem j (??) a senzorem k (??) definována jako:
a kde?? a ?? jsou standardní odchylky signálů? a??.
SDC se vypočítá pro všechny cesty a matice SDC představující SDC mezi referenčním stavem a stavem defektu pro všechny dvojice snímačů je vynesena do grafu. Obrázek 6.
Obrázek 6: Matice SDC, představující SDC pro všechny páry snímačů.
Obrázek 6 ukazuje, že matice SDC je téměř symetrická, což se očekává z důvodu principu reciprocity (pokud defekt leží na dráze mezi dvěma senzory, měl by stejným způsobem ovlivnit vlny šířící se jedním nebo druhým směrem). Zde je dráha, která je nejvíce ovlivněna defektem, mezi snímači 5 a 13, což je koherentní s polohou defektu.
Výsledky
Mapa pravděpodobnosti defektu je vytvořena pomocí algoritmu RAPID superponováním elips spojujících každý pár zdroj-přijímač, jehož hustota je úměrná koeficientu SDC tohoto páru (podrobnosti o výpočtu viz [7]).
Výsledek je vykreslen na obrázku 2. Parametr měřítka β, který řídí šířku elipsy v algoritmu RAPID, byl nastaven na 1.015.
Obrázek 2 ukazuje, že algoritmus RAPID běžící s daty naměřenými polem senzorů Dragonfly® je úspěšný při detekci a lokalizaci defektu. Vzdálenost mezi skutečnými a předpokládanými defekty je 34 mm, což je standardní řádová velikost standardních chyb lokalizace pro nízkofrekvenční testování UGW. Přesun na vyšší frekvence může pomoci zlepšit prostorové rozlišení. Ke zvýšení přesnosti lokalizace lze také použít více zapojených prahových technik [7].
Samozřejmě, protože signály měřené polem senzorů Dragonfly® vykazují dobrý SNR, měla by fungovat i jakákoli jiná technika zpracování signálu, která byla vyvinuta v oblasti testování UGW. Testovali jsme zde pouze algoritmus RAPID, protože se zdá být jedním z nejpoužívanějších.
Srovnání se standardními PZT převodníky
Výše uvedené části ukázaly, že řada senzorů Dragonfly® může provádět testování UGW pomocí standardních algoritmů zpracování, jako je RAPID. Nyní si podrobněji rozebereme hlavní rozdíly mezi nejpoužívanějšími převodníky pro testování UGW na trhu, konkrétně disky PZT a senzory Dragonfly®, z hlediska citlivosti, frekvenční odezvy a integrace do reálných produktů. Komerční převodník akustických emisí (AE) je také zahrnut do benchmarku (Vallen Systems VS150-M). Frekvenční odezva tohoto snímače je charakterizována špičkou při 150 kHz.
Dragonfly® je ve srovnání se standardními snímači PZT dostupnými na trhu, vyrobenými z piezoelektrického materiálu PZT-5H, o průměru 5 mm a tloušťce 0.3 mm. Dva z těchto senzorů jsou přilepeny pomocí sinicového lepidla k hliníkové desce, jak je znázorněno na obrázku
Obrázek 1. Zavřít view převodníku PZT a snímače AE je znázorněn na Obrázek 7.
Obrázek 7: Zavřete view z Dragonfly® číslo 2, z disku PZT a komerčního AE senzoru přilepeného blízko.
Citlivost jako zářiče
Pro posouzení citlivosti Dragonfly® vs. senzoru PZT jako emitoru je frekvenční rozmítání od 100 Hz do 2 MHz zasíláno postupně Dragonfly® číslo 9 a PZT diskem číslo 9. Vysílané vlny jsou měřeny Dragonfly® číslo 2 na druhá strana talíře. Odezva senzoru 2 na dva rozmítání je vynesena do grafu Obrázek 8.
Výkonová spektrální hustota
Obrázek 8 : Odpověď Dragonfly® číslo 2 na zametání odeslané na disk PZT na pozici 9 a na Dragonfly® na pozici 9.
Lineární rozmítání je navrženo tak, aby mělo konstantu amplitude od 100Hz do 2MHz, a tedy ploché PSD v tomto frekvenčním rozsahu. Obrázek 8 ukazuje, že buzení zvtagHodnota aplikovaná na převodník klesá při vysokých frekvencích, zcela jistě kvůli omezením použitého generátoru signálu, který není schopen poskytnout dostatečný proud pro buzení kapacitních zátěží při vysokých frekvencích. Všechny měřené odezvy tak také klesají nad 500 kHz z důvodu omezení generátoru signálu.
Obrázek 8 ukazuje, že když je stejný budící signál (rozmítání při +- 10V od 100Hz do 2MHz) vysílán postupně aktuátorem PZT a Dragonfly®, odezva dalšího Dragonfly® umístěného na druhé straně desky je přibližně 10 až 50 krát vyšší, když se rozmítání hraje na disku PZT, což znamená, že pro stejný budící signál je do desky vloženo více energie diskem PZT. To je docela očekávané a přímo souvisí s množstvím koláčového materiálu obsaženého v obou senzorech:
- Disk PZT obsahuje přibližně 2 mm3 piezo materiálu.
- Aktivní oblast Dragonfly je méně než 10 µm tlustá a její plošné rozměry jsou 1.5 x 5 mm, což má za následek objem kolem 0.08 mm3.
Disk PZT obsahuje přibližně 30krát více piezoelektrického materiálu než Dragonfly®, což může vysvětlit rozdíl v citlivosti.
Citlivost jako přijímače
Pro testování citlivosti jako senzoru se používá stejné nastavení, ale tentokrát pro porovnání signálů naměřených třemi testovanými převodníky (AE, PZT a Dragonfly® – DGF). Rozmítání mezi 100 Hz a 2 MHz je odesláno do Dragonfly® číslo 9 a zaznamenáno třemi senzory umístěnými na pozici 2 a znázorněnými na obrázku 7. Naměřené časové signály jsou vyneseny do Obrázek 9.
Obrázek 9: Budicí signál a odezvy měničů. Signál vysílá Dragonfly® číslo 9 a zaznamenají jej převodníky na místě číslo 2.
Obrázek 9 ukazuje, že ampšířka měřeného signálu je vyšší pro AE senzor a pro PZT disk než pro Dragonfly®. To se opět očekává, protože piezoelektrický prvek Dragonfly® je mnohem tenčí než ostatní senzory, a proto generuje nižší objemtagE. Navíc je vidět zřetelný vrchol kolem 1 ms v odezvě AE senzoru, další při 2.5 ms v signálu PZT disku, odhalující jevy rezonance. Abychom to dále prozkoumali, jsou vyneseny PSD zaznamenaných signálů Obrázek 10.
Výkonová spektrální hustota
Obrázek 10: Výkonové spektrum Hustota budícího signálu a odezvy převodníku. Signál je odeslán do Dragonfly® číslo 9 a zaznamenán převodníky na místě číslo 2.
Obrázek 10 ukazuje, že snímač AE jasně vykazuje rezonanci při 150 kHz, jak je uvedeno v jeho datovém listu.
Disk PZT také rezonuje na 500 kHz. Na druhou stranu má Dragonfly mnohem plošší frekvenční odezvu, bez viditelných rezonancí ve studovaném frekvenčním rozsahu. Citlivost Dragonfly se zdá být v těchto testovacích podmínkách asi 50krát nižší než u disku PZT a snímače AE.
Problémy s integrací
Některá z hlavních omezení pro nasazení testování UGW v reálných podmínkách pocházejí z problémů integrace. Aby bylo možné detekovat a lokalizovat defekt v oblasti, je obvykle zapotřebí mnoho senzorů. Pole senzorů musí být snadno integrovatelné, lehké, ploché a robustní: poškození senzoru způsobené driftem může být těžké odlišit od skutečných defektů.
Nejpoužívanějšími senzory pro testování UGW jsou disky PZT, a to pro jejich širokou dostupnost, omezenou cenu a vysokou citlivost. Trpí však svou křehkostí, což ztěžuje jejich integraci s vysokou úspěšností. Kabeláž je také často nejtěžší částí systému, pokud má každý senzor svůj vlastní kabel.
Ve snaze usnadnit integraci senzorových polí PZT některé výzkumné týmy pracují na flexibilních deskách plošných spojů, které integrují několik senzorů a multiplexní elektronika snižuje náklady na kabeláž [8].
Vložením prvku PZT mezi dvě vrstvy polymerů je méně křehký a snáze se integruje, aniž by došlo k jeho porušení, ale stále existují problémy s lepením a jeho stabilitou v průběhu času [9].
Piezoelektrický prvek vyvinutý společností Worm sensing je tak tenký, že je přirozeně pružný a lze jej nalepit na zakřivené povrchy, aniž by došlo k jeho poškození (viz obrázek 11).
Obrázek 11: Obrázky Dragonfly® nalepené na válci o poloměru 20 mm.
Výrobní proces navíc činí tento prvek plně kompatibilní se standardními nástroji typu pick-anyplace běžně používanými v elektronickém průmyslu k montáži součástek na flexibilní desky plošných spojů.
Tento prvek je tedy slibným kandidátem na výrobu robustních UGW polí, která jsou velmi tenká, flexibilní, robustní a snadno vyrobitelná (viz. Obrázek 12).
Obrázek 12 : Přample integrace několika piezoelektrických prvků vyrobených společností Worm sensing na flexibilní desce plošných spojů za účelem získání flexibilního pole senzorů
Závěry
Závěrem lze říci, že typické nastavení testování ultrazvukem vedených vln bylo implementováno na hliníkové desce pomocí piezoelektrických měničů Dragonfly®. Bylo změřeno šíření jehněčích vln při 100 kHz destičkou mezi všemi páry snímačů a k detekci a lokalizaci defektu simulovaného přidaným šroubem na destičce byl použit algoritmus RAPID tomografie. Chyba lokalizace je kolem 3cm na 40cm široké desce.
Jeho citlivost může být nižší než u konvenčních PZT, ale je také mnohem lehčí a tenčí a nevykazuje žádnou rezonanci pod 2 MHz. Díky své flexibilitě, robustnosti a snadné integraci do standardních flexibilních PCB se Dragonfly® jeví jako vhodný kandidát pro testování UGW, protože pomáhá řešit problémy s nasazením způsobené křehkostí a objemností standardních prvků PZT. Navíc je bezolovnatý, což je dnes hlavní argument týkající se vyvíjejících se ekologických předpisů.
Reference
- M. JS Lowe, DN Alleyne a P. Cawley, „Detekce defektů v potrubí pomocí řízených vln“, Ultrasonics, sv. 36, č. 1, s. 147–154, únor 1998, doi: 10.1016/S0041-624X(97)00038-3.
- P. Anthill a JL Rose, „Ultrazvuková řízená vlnová inspekce titanové opravné záplaty nalepené na hliníkový plášť letadla,“ Int. J. Ashed. Ashed., sv. 30, č. 7, s. 566–573, říjen 2010, doi: 10.1016/j.ijadhadh.2010.05.008.
- Z. Woodworking, L. Brzezinski a T. Sierpinski, „MultistagMetoda teplotní kompenzace pro měření jehněčích vln,“ J. Sound Vib., sv. 382, s. 328–339, listopad 2016, doi: 10.1016/j.jsv.2016.06.038.
- Fei Yan, RL Royer a JL Rose, „Ultrazvukové naváděné techniky zobrazování vln v monitorování strukturálního zdraví“, J. Intell. Mater. Syst. Struct., sv. 21, č. 3, s. 377–384, únor 2010, doi: 10.1177/1045389X09356026.
- J. Settler, M. Opakovatelnost, S. Delrue a K. Van Den Abeele, „Aplikace pravděpodobnostního algoritmu pro zobrazování uhlíkových kompozitů ultrazvukem vedenou vlnou“, Phys. Pokračovat, sv. 70, s. 664–667, 2015, doi: 10.1016/j.phpro.2015.08.072.
- F. Rocha, Francisco/Lamb-Wave-Dispersion. (06. června 2024). Krajta. Přístup: 10. července 2024. [Online]. K dispozici: https://github.com/franciscorotea/Lamb-WaveDispersion
- T. R. Hay, RL Royer, H. Gao, X. Zhao a JL Rose, „Srovnání přístupů ultrazvukové tomografie vestavěného senzoru Lamb wave pro detekci ztráty materiálu“, Smart Mater. Struct., sv. 15, č. 4, s. 946–951, srpen 2006, doi: 10.1088/0964-1726/15/4/007.
- D. Schmidt et al., „Vývoj obvodové konstrukce dveří s integrovaným systémem monitorování zdravotního stavu konstrukce“, v Smart Intelligent Aircraft Structures (TSARISTS),
P. C. Klicken a M. Pompadours, Eds., Chan: Sp ringer International Publishing, 2016, s. 935–945. doi: 10.1007/978-3-319-22413-8_51. - S. Galilean, M. Moravia, P. Hierarchy a D. Hazardous, „Inovativní svařovací integrace akusticko-ultrazvukových kompozitních měničů na termoplastické kompozitní struktury“, Struct. Minot. zdraví, str. 14759217241247766, duben 2024, doi: 10.1177/14759217241247766
Dokumenty / zdroje
 |
worms Ultrasonic Guided Wave Testing with Dragonfly [pdfPokyny Ultrazvukové řízené vlnové testování s Dragonfly, vlnové testování s Dragonfly, Dragonfly |
