超聲檢測新模式：異形結構損傷檢測“一貼靈”

只看該作者 · 2018-4-11 09:03:31

美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發出一種可拉伸的柔性貼片，這種靈活方便的小工具克服了當今超聲波設備很難檢測不平坦表面物體的局限性，可以用來檢查機器和建筑部件表面以下的缺陷和損壞。該研究成果已發表在3月的《Science Advances》雜志上。

傳統的超聲檢測探頭具有平坦且剛性的基座，當在彎曲的、呈波浪形的、成角度的和其他不規則的表面上掃查時，不能保持與被檢測件之間始終有良好的接觸。這是一個相當大的局限性，加州大學圣地亞哥分校雅各布工程學院納米工程教授Sheng Xu說道：“非平面的表面在日常生活中是很普遍的”。

加州大學圣地亞哥分校結構工程教授Francesco Lanza di Scalea說道：“拐彎、拐角和其他結構細節碰巧是最關鍵的需檢測部位，因為這些地方通常都是高應力區域，但是傳統的剛性扁平探頭并不適合探測這些區域內部的缺陷” 。

凝膠、油或水通常被用于在探頭與待檢物體表面之間建立更好的接觸，但是這些物質太多會過濾一些信號。另外，傳統的超聲波探頭體積也比較大，不易進入機器內部檢查那些難以接近的部件。

“如果汽車發動機在內部難以觸碰到的地方存在裂縫，檢查人員需要拆開整個發動機，并將零部件浸入水中來獲得完整的3D圖像，” Sheng Xu說道。

現在，這種新開發的柔性超聲波探頭可以在不含水、凝膠或油的奇特曲面上工作。探針是一層薄薄的有機硅彈性體，上面刻有所謂的“島橋（island-bridge）”結構，其本質上是一組小的電子部件（島），每個部件都通過彈簧狀結構（橋）連接。這些“島”包含稱為壓電傳感器的電極和裝置，當電通過它們時會產生超聲波。“橋”是彈簧形狀的銅線，可以拉伸和彎曲，使貼片緊密貼合非平面表面，而不影響其電子功能。

柔性超聲波換能器陣列設計原理圖

研究人員在具有波浪形表面的鋁塊上測試了該設備的檢測效果。鋁塊表面下加工有2~6厘米的缺陷。研究人員將探頭置于波浪形表面的各個位置收集數據，然后使用定制的數據處理算法重建圖像。結果表明：這種新型貼片式探頭能夠檢測鋁塊內的2毫米寬的孔和裂縫。

“將這種新型超聲波探頭粘貼到發動機、飛機機翼或橋梁等的不同部位，來持續監測裂紋等各種缺陷，將是非常有實用價值的。” 加州大學圣地亞哥分校材料科學與工程博士Hongjie Hu說道。

該設備仍處于概念驗證階段，尚未提供實時成像功能，還需要連接到電源和計算機上處理數據。“未來，我們希望將電源和數據處理功能模塊集成到這種柔性超聲探頭中，以實現無線實時成像和視頻功能。” Sheng Xu說道。

來源：美國加州大學圣地亞哥分校
作者：Liezel Labios
譯者：kittyll
譯自：sciencedaily來源：“無損檢測NDT”微信公眾號

參考文獻：By Hongjie Hu, Xuan Zhu, Chonghe Wang, Lin Zhang, Xiaoshi Li, Seunghyun Lee, Zhenlong Huang, Ruimin Chen, Zeyu Chen, Chunfeng Wang, Yue Gu, Yimu Chen, Yusheng Lei, Tianjiao Zhang, NamHeon Kim, Yuxuan Guo, Yue Teng, Wenbo Zhou, Yang Li, Akihiro Nomoto, Simone Sternini, Qifa Zhou, Matt Pharr, Francesco Lanza di Scalea, Sheng Xu. Stretchable ultrasonic transducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces. Science Advances, 2018; DOI: 10.1126/sciadv.aar3979