專利名稱：用于對材料和結構進行非破壞性評估和監(jiān)視的方法和設備的制作方法
技術領域：
本公開內(nèi)容涉及一種用于激發(fā)具有可選脈沖性質(zhì)的高度非線性脈沖、將這些脈沖 發(fā)射到結構或材料中、并檢測來自結構或材料的這些脈沖的方法和設備。更具體而言，本公 開內(nèi)容描述了一種用于激發(fā)具有期望形狀、幅度、頻率和/或持續(xù)時間的、可選數(shù)目的可控 的高度非線性脈沖(然后其可被用于非破壞性評估和/或結構健康監(jiān)視)的方法和設備。
背景技術：
可以通過使用沖擊測試來實現(xiàn)材料或結構的非破壞性評估。在沖擊測試中，通常 利用沖擊裝置擊打材料或結構，然后測量穿過材料或結構的聲波，以提供材料或結構內(nèi)的 缺陷的某種指示。參見例如在1992年11月24日授予Sansalone等人的第5，165，270號 美國專利。在第5，165，270號美國專利中，沖擊裝置是多個不同重量的球體，每個球體被設 計成產(chǎn)生不同持續(xù)時間的沖擊，由此將不同的應力波傳遞到待測試的結構中。依賴于沖擊 持續(xù)時間，不同的應力波具有不同的頻率值。每個球體被設置在彈簧鋼桿的一端上。在測 試開始時，所選球體處于息止位。利用一對鉗夾將球體從息止位回撤到結構上方的給定高 度。此動作使彈簧鋼桿偏斜，由此增大了沖擊球體的勢能。在預定釋放點釋放球體，使得它 沖擊結構并向結構傳遞給定能量。該沖擊產(chǎn)生從結構的外表面和/或內(nèi)部缺陷反射的應力 波(聲波)。反射波由換能器檢測，換能器將波造成的法向表面位移轉換成電信號。然后， 電信號被處理以提供指示結構的厚度或者設置在其中的缺陷的幅度/頻率譜。其它沖擊測試設備和技術在本領域中也是已知的，但是通常使用與上述方法類 似的方法，即，擊打待測試的材料并測量應力波傳播。在沖擊測試技術中使用的沖擊裝置 (即，擊打器)通常成本為數(shù)百美元或更多并且需要耦合到信號調(diào)節(jié)器。線路供電的信號調(diào) 節(jié)器被用來向傳感器供電并調(diào)節(jié)它們的輸出信號以便發(fā)送到讀出及記錄儀器。沖擊錘被用 于將沖力遞送到測試樣品中，信號調(diào)節(jié)器被用來提供所施加的力的幅度和頻率內(nèi)容的電測 量信號。用于非破壞性評估的錘和調(diào)節(jié)器可能很昂貴。如下文所述的本發(fā)明的實施例可以 提供用于對材料和結構進行非破壞性評估的更低成本的設備。

發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容描述了一種用于對結構和材料進行非破壞性評估(NDE)的方法和設 備，其使用高度非線性介質(zhì)來生成和檢測撞擊材料或結構的一個或多個高度非線性脈沖 (或高度非線性波)。該設備包括誘發(fā)高度非線性的、弱非線性的或線性的應力波在待檢 查的材料、系統(tǒng)或結構中的傳播的脈沖激發(fā)器；和/或用于觀察和檢測來自被測試的材料/ 結構的輸出波的檢測器。該NDE方法包括僅使用可調(diào)諧的高度非線性設備作為脈沖激發(fā) 器來檢測輸出脈沖，或者將可調(diào)諧的高度非線性設備與加速度計或非線性傳感器相結合使 用來檢測輸出脈沖。本發(fā)明的實施例依賴于使用可在高度非線性系統(tǒng)(即，可包括粒狀材料、分層材 料、纖維材料或多孔材料的系統(tǒng))中形成并行進的高度非線性波(HNW)，包括高度非線性孤 立波(HNSW)。與在使用基于聲音、超聲或沖擊的技術的現(xiàn)有技術系統(tǒng)中使用的常規(guī)應力波 相比，HNW在可任意調(diào)整的、簡單的且可再現(xiàn)的設置中在波長、波速(與波長幅度和材料性 質(zhì)成比例)、所生成的脈沖的數(shù)目和幅度控制方面提供了顯著更高的可調(diào)諧性。本發(fā)明的實施例可以提供對現(xiàn)有技術系統(tǒng)的改進，這些改進包括1)誘發(fā)的脈沖 的頻率、幅度和速度的更大的可調(diào)諧范圍，從而導致材料中的可檢測的裂縫、缺陷和夾雜物 的更寬范圍的尺寸(即，多標度缺陷敏感度)；2)測量的增強的可重復性，從而提高測量系 統(tǒng)的可靠性并且避免現(xiàn)有技術方法通常所需要的高超的必需操作技能；3)測量系統(tǒng)內(nèi)的 儀器(比如波激勵器和傳感器)按不同尺度的更簡單且更具可縮放性的設計(這還可提供 更廣泛的應用)；4)儀器的降低的功率需求特性；以及(5)處理部件、傳感器和激勵器的降 低的組裝和制造成本(低于當前市售沖擊錘達2個數(shù)量級之多)。本發(fā)明的一些實施例包括基于與常規(guī)感測/激勵方法耦合的或者組合在一起的 高度非線性傳感器和/或激勵器(完全非線性系統(tǒng))進行非破壞性評估和/或結構健康監(jiān) 視(NDE/SHM)的方法和設備。例如，一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將高度非 線性激勵器與經(jīng)典接收器(比如加速度計、激光干涉儀、壓電計量器或者本領域中已知的 其它檢測器)相結合使用，其中激勵器向待檢查的材料提供輸入且經(jīng)典接收器測量輸出。 另一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將經(jīng)典沖擊回波/輕敲聲測試激勵方法與高 度非線性接收器一起使用，其中經(jīng)典沖擊/輕敲測試提供輸入且高度非線性接收器測量輸 出。又一個實施例包括這樣的NDE/SHM方法其中將高度非線性激勵器與高度非線性接收 器一起使用，其中激勵器提供輸入且接收器測量輸出。本發(fā)明的一個實施例是一種用于進行元件或結構的檢查的方法，該方法包括生 成一個或多個高度非線性波；將該一個或多個高度非線性波引導到待檢查的元件或結構 中；以及在被引導到待檢查的元件或結構中的波已穿過元件或結構的至少一部分之后檢測 源于所述波的脈沖。本發(fā)明的另一個實施例是一種用于檢查元件或結構的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高度非 線性波激勵器，其中該激勵器可配置成使高度非線性脈沖撞擊待檢查的元件或結構；以及脈 沖檢測器，可配置成檢測穿過待檢查的元件或結構的至少一部分的來自該激勵器的脈沖。本發(fā)明的又一個實施例是一種用于進行元件或結構的檢查的方法，該方法包括 生成檢查脈沖；將檢查脈沖引導到待檢查的元件或結構中；將已穿過待檢查的元件或結構 的至少一部分之后的檢查脈沖引導到高度非線性接收器中；以及檢測已穿過高度非線性接收器的至少一部分之后的檢查脈沖。本發(fā)明的又一個實施例是一種用于檢查元件或結構的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括脈沖激 勵器，其中該激勵器可配置成向待檢查的元件或結構施加脈沖；以及非線性接收器，可配置 成檢測穿過待檢查的元件或結構的至少一部分的來自該激勵器的脈沖。


圖IA是用于產(chǎn)生和/或檢測高度非線性波的系統(tǒng)的示意圖。圖IB圖示了具有嵌入式壓電元件的珠子。圖2A圖示了用于產(chǎn)生或檢測高度非線性波的系統(tǒng)。圖2B圖示了用于產(chǎn)生或檢測高度非線性波的系統(tǒng)。圖3A是表示對于高度非線性的、弱非線性的或線性的塊狀介質(zhì)而言產(chǎn)生、傳播和 檢測高度非線性孤立波的示意圖。圖3B是表示在由高度非線性的、弱非線性的或線性的介質(zhì)制成的波導結構中發(fā) 射高度非線性波的示意圖。圖4描繪了其中將高度非線性激勵器與經(jīng)典接收器相結合使用的系統(tǒng)。圖5描繪了其中將經(jīng)典沖擊回波/輕敲聲測試錘與高度非線性接收器相結合使用 的系統(tǒng)。圖6描繪了其中將高度非線性激勵器與高度非線性接收器相結合使用的系統(tǒng)。圖7是示出了用于進行非破壞性評估和結構健康監(jiān)視的方法的步驟的流程圖。圖8是示出了用于通過使用逆方法來表征材料的步驟的流程圖。圖9是示出了用于基于高度非線性波測量結果來確定材料或結構是否具有任何 損壞的步驟的流程圖。圖10圖示了向受損結構施加高度非線性孤立波、高度非線性孤立波穿過該結構 以及用以檢測該損壞的測試設置。圖11描繪了未受損的七線鋼絞線和受損的七線鋼絞線以及向其施加高度非線性 孤立波。圖12A和12B示出了其中在鋼桿內(nèi)傳播高度非線性孤立波誘發(fā)的脈沖的實驗結^ ο圖13A和13B示出了其中使用與圖4中所示測試設置類似的測試設置在鋼桿內(nèi)傳 播高度非線性孤立波誘發(fā)的脈沖的實驗結果。圖14A和14B示出了其中使用與圖4中所示測試設置類似、但是僅有兩個傳感器 的測試設置在鋼桿內(nèi)傳播高度非線性孤立波誘發(fā)的脈沖的實驗結果。圖15A和15B示出了其中在鋼桿內(nèi)傳播高度非線性孤立波誘發(fā)的脈沖并且使用預 壓縮的時間歷史結果。圖16A和16B示出了其中在鋼桿內(nèi)傳播高度非線性孤立波誘發(fā)的脈沖并且使用預 壓縮的頻率-強度結果。圖17示出了用于自動評估和監(jiān)視公路、鐵路、樓層空間和其它這樣的結構的系 統(tǒng)。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例通過使用在粒狀部件的一維鏈中生成的高度非線性脈沖和波提 供了材料和結構的非破壞性評估和監(jiān)視。在本公開內(nèi)容中，粒狀部件或顆?？梢园?物質(zhì)，粒狀物質(zhì)定義為優(yōu)選地呈線性或網(wǎng)絡形狀的布置的、彼此彈性接觸的粒子或層的集 合體。盡管本發(fā)明的實施例使用高度非線性脈沖和波，但是可以在使用、生成和/或檢測高 度非線性孤立波或脈沖時提供額外優(yōu)點。對本公開內(nèi)容來說，高度非線性孤立波應被視為 高度非線性波的具體情況。此外，高度非線性孤立波應被視為高度非線性脈沖的具體情況。 因此，除非另有說明，這里對高度非線性波的任何引用應被視為包括高度非線性孤立波，且 這里對高度非線性脈沖的任何引用應被視為包括高度非線性孤立脈沖。顆粒之間的接觸互作用由方程1中所示的高度非線性力F-位移δ關系來調(diào)節(jié)
權利要求
一種用于進行元件或結構的檢查的方法，包括生成一個或多個高度非線性波；將所述一個或多個高度非線性波引導到待檢查的所述元件或結構中；以及在被引導到待檢查的所述元件或結構中的波已穿過所述元件或結構的至少一部分之后檢測源于所述波的脈沖。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中生成高度非線性波包括將一個或多個脈沖引導到 球形粒子鏈中，其中所述球形粒子鏈中的每個粒子與所述鏈中的相鄰粒子線性接觸。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述粒子鏈中的所述粒子受線性約束并且在線性 方向上受壓縮。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中通過選擇以下中的一個或多個來控制由所述粒子 鏈生成的所述高度非線性波的期望波長、速度、脈沖數(shù)目和/或幅度所述粒子鏈中的粒子 數(shù)目；所述粒子鏈中的粒子尺寸；構成所述粒子的材料；以及靜態(tài)預壓縮的量。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述一個或多個高度非線性波包括一個或多個高 度非線性孤立波。
6.一種用于檢查元件或結構的系統(tǒng)，包括高度非線性波激勵器，其中所述激勵器可配置成使高度非線性脈沖撞擊待檢查的所述 元件或結構；以及脈沖檢測器，可配置成檢測穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分的來自所述激 勵器的脈沖。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述高度非線性波激勵器包括球形粒子鏈；以及擊打設備，配置成擊打所述粒子鏈中的第一個粒子。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述高度非線性波激勵器還包括配置成沿著所述 球形粒子鏈的線性方向施加壓縮力的預壓縮設備。
9.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，還包括配置成從所述高度非線性波激勵器接收生成的 脈沖數(shù)據(jù)并配置成從所述脈沖檢測器接收所接收到的脈沖數(shù)據(jù)的處理器，其中所述處理器 將所述接收到的脈沖數(shù)據(jù)與所述生成的脈沖數(shù)據(jù)相比較以確定檢查結果。
10.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述高度非線性波激勵器生成一個或多個高度 非線性孤立波。
11.根據(jù)權利要求2所述的方法或根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，所述粒子鏈中的至少一 個粒子包含以下檢測元件中的至少一個波檢測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或 位移檢測元件。
12.一種用于進行元件或結構的檢查的方法，包括生成檢查脈沖；將所述檢查脈沖引導到待檢查的所述元件或結構中；將已穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分之后的所述檢查脈沖引導到非線性 接收器中；以及檢測已穿過所述非線性接收器的至少一部分之后的所述檢查脈沖。
13.一種用于檢查元件或結構的系統(tǒng)，包括脈沖激勵器，其中所述激勵器可配置成向待檢查的所述元件或結構施加脈沖；以及非線性接收器，可配置成檢測穿過待檢查的所述元件或結構的至少一部分的來自所述 激勵器的脈沖。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法或根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述非線性接收 器包括球形粒子鏈，其中所述球形粒子鏈中的每個粒子與所述鏈中的相鄰粒子線性接觸。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法或系統(tǒng)，其中所述粒子鏈中的所述粒子受線性約束并 且在線性方向上受壓縮。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中檢測所述檢查脈沖包括利用包含以下檢測元件 中的至少一個的、所述粒子鏈中的至少一個粒子來檢測所述檢查脈沖波檢測元件；壓力 檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中檢測所述檢查脈沖包括將所述檢查脈沖引導 到所述粒子鏈的與待檢查的所述元件或結構相鄰的一端中，并在所述粒子鏈的與相鄰于待 檢查的所述元件或結構的所述端相反的一端檢測所述檢查脈沖。
18.根據(jù)權利要求14所述的方法或系統(tǒng)，其中所述粒子鏈中的至少一個粒子包含以下 檢測元件中的至少一個波檢測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。
19.根據(jù)權利要求14所述的方法或系統(tǒng)，其中所述非線性接收器包括設置在所述粒子 鏈的一端的至少一個檢測元件，其中所述檢測元件包括以下檢測元件中的至少一個波檢 測元件；壓力檢測元件；加速度檢測元件；或位移檢測元件。全文摘要
一種用于對結構和材料進行非破壞性評估(NDE)的方法和設備，其使用高度非線性介質(zhì)來生成和檢測撞擊材料或結構的一個或多個高度非線性脈沖(或高度非線性波)。該設備包括誘發(fā)高度非線性的、弱非線性的或線性的應力波在待檢查的材料、系統(tǒng)或結構中的傳播的脈沖激發(fā)器；和/或用于觀察和檢測來自被測試的材料/結構的輸出波的檢測器。該NDE方法包括僅使用可調(diào)諧的高度非線性設備作為脈沖激發(fā)器來檢測輸出脈沖，或者將可調(diào)諧的高度非線性設備與加速度計或非線性傳感器相結合使用來檢測輸出脈沖。
文檔編號G01N29/04GK101971017SQ200880126412
公開日2011年2月9日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權日2008年2月7日
發(fā)明者基亞拉·達拉約, 皮耶爾溫琴佐·里佐 申請人:加州理工學院;匹茲堡大學高等教育聯(lián)邦體系