一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统。本实用新型的无损检测系统包括：压电圆盘、移动支架、信号发生器、功率放大器、应变仪、数据采集卡以及计算机；其中，压电圆盘包括圆盘基板、压电片、探针和应变片，压电片位于圆盘基板的下表面并且为中心对称分布，探针位于圆盘基板的下表面圆心处并且垂直于圆盘基板，应变片布置在圆盘基板的上表面。本实用新型基于压电圆盘与样品的接触振动，通过追踪压电圆盘的振动特性来探测局部接触刚度，可以通过在样品表面通过逐点检测来获得结构的刚度分布，进而来完成对结构健康程度的评价；本实用新型所使用的测试原理简单可靠，适用于薄板结构如复合材料层合板或软材料的无损检测。
【专利说明】—种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于材料结构安全监测领域，具体涉及一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统。
【背景技术】
[0002]无损检测技术可以完成对材料或者结构的损伤检测和健康评价，因而在工业发展上具有重要的意义。在结构经过较长的使用期或受到外来作用可能导致损伤的情况下，我们需要了解结构内部的健康情况以确定结构是否还能继续工作，或者针对具体的损伤情况进行修复。尤其是在航空航天领域，随着工业的发展轻质高强的复合材料薄板结构得到越来越多的应用，复合材料薄板结构则容易发生断裂、分层、铺层皱折、脱落和分离等缺陷，对于载荷量大和疲劳加载严重的航空航天工业，如何完成复合材料薄板结构的无损检测是一个急需解决的问题。
[0003]目前传统的无损检测技术例如超声、射线和磁粉检测等方法，可以完成对绝大多数工业结构的检测，但是对新型的复合材料薄板等结构的检测依然存在较大的难度。对于超声方法来说，由于复合材料的材料性能存在严重各向异性并且对声波衰减效应明显，因此复合材料不适用于超声方法。而且在薄板栅格结构中，常常因为超声检查多存在厚度盲区，且结构复杂导致声波的传播反射复杂，进而导致在栅格薄板结构中的超声检测难以实现。对于射线和磁粉检测等一类电磁方法，则因复合材料对电磁不敏感、对人体伤害大和不便于在位检测等原因而不能在栅格薄板结构的无损检测中应用。为了完成对复合材料结构的无损检测任务，需要开发出适用于薄板结构无损检测的系统。
实用新型内容
[0004]为了解决现有技术中无损检测系统难以完成对复合材料薄板结构检测的问题，本实用新型提出了一种基于压电圆盘与样品的接触振动，通过追踪压电圆盘的振动特性来探测材料或结构的局部接触刚度的无损检测系统。
[0005]本实用新型的目的在于提出一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统。
[0006]本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统包括:压电圆盘、移动支架、信号发生器、功率放大器、应变仪、数据采集卡以及计算机；其中，压电圆盘包括圆盘基板、压电片、探针和应变片，压电片位于圆盘基板的下表面并且为中心对称分布，探针位于圆盘基板的下表面圆心处并且垂直于圆盘基板，应变片布置在圆盘基板的上表面；压电圆盘的圆盘基板的圆周安装在移动支架上，由移动支架带动压电圆盘在样品的表面移动；信号发生器经数据线连接至功率放大器，功率放大器通过导线连接至压电圆盘的压电片；压电圆盘的应变片通过数据线连接至应变仪；应变仪通过数据线连接至数据采集卡；数据采集卡通过数据线连接至计算机。
[0007]圆盘基板为薄板，厚度h与半径R之间的关系满足0.005 < I < 0.2，这样圆盘基板在压电片的带动下，能够激发出所需要的整体弯曲振动模态。位于圆盘基板中心处的探针呈锥形，其头部为球形；在检测过程中，圆盘基板的圆周的边界为固定支撑边界条件，探针的头部与样品的表面相接触。探针的高度HTan与圆盘基板的半径R之间的关系满足
<]~R,从而使得探针在能满足结构的可移动性和自由性前提下，同时不至于影响压电圆盘本身振动的协调性。压电片采用中心对称的结构，如多片呈中心对称的扇形，或者与圆盘基板同心的圆环，这种中心对称的压电片保证激励压电圆盘的振动为中心对称模态。压电片的内径R1和外径R2满足0.2R彡R1 < R2彡0.9R ;压电片的厚度t与圆盘基板h 接近，满足 0.5h < t < 1.5h。
[0008]信号发生器发出激振信号，激励压电片发生振动并带动圆盘基板发生振动，进一步带动探针与样品发生接触振动；位于圆盘基板上表面的应变片感知压电圆盘的应变进而获得压电圆盘的接触谐振信息，即应变信号；应变片将检测到的应变信号通过数据线传输至应变仪。信号发生器发出的激振信号分为固定频率的信号和扫频信号两种；相应地，应变仪检测到的动态信号分为定频响应信号和扫频响应信号两种。
[0009]信号发生器发出多个连续频率点的扫频信号，压电圆盘的响应也是扫频的，应变仪采集动态的扫频响应信号，通过提取多个频点中最大振幅对应频率找出共振频率，计算机提取共振频率来计算局部接触刚度值，这种模式为扫频测试模式；信号发生器发出单一频率的正弦信号，压电圆盘的响应也是单一频率的正弦信号，应变仪采集动态的定频响应信号，计算机提取正弦信号的振幅值来检测材料的局部接触刚度值，这种模式为定频测试模式。在实际测量过程中，使用扫频测试模式或者定频测试模式均可以完成对样品的无损检测，扫频测试模式的特点为精度高但速度慢，定频测试模式的特点为速度快但精度低。因此结合这两种模式，可以较好的完成对样品的检测。
[0010]应变仪即可检测到动态信号，也可以检测到静态信号。压电圆盘的变形可以分为两部分:整体的静态弯曲变形，以及小振幅的动态振动变形；静态弯曲变形是由于初始接触上之后接触力导致的变形，通过应变仪的静态信号检测；而动态振动变形是压电片激励振动导致，呈正弦，通过应变仪的动态信号检测。通过静态信号可以感知探针与样品之间的接触力；通过动态信号可以追踪得到压电圆盘的动态振动特性如共振频率(扫频测试模式)或振动振幅(定频测试模式)；进一步，通过探测压电圆盘的动态振动特性可以得到样品与探针的接触点的局部接触刚度信息。
[0011]计算机通过数据线分别与信号发生器和数据采集卡相连，信号发生器产生激振信号激励压电片，进而带动压电圆盘与样品发生接触振动，应变片采集应变信号并传输至应变仪，数据采集卡采集经过应变仪调理的应变信号并传给计算机。
[0012]移动支架包括圆环形的固定架和移动装置，圆盘基板的圆周固定在固定架上，固定架安装在移动装置上，从而固定压电圆盘并带动压电源盘在样品的表面移动，进而完成对样品的目标区域的检测。将压电圆盘的圆周固定在环形的固定架上，这种连续大刚度结构固定，使整个压电圆盘的周边皆处于一个良好的力学固定边界状态，因而结构更加稳定。固定架采用刚度大的材料，如不锈钢等材料，通过增大尺寸和质量来实现固定架的刚度。固定架本身尺寸(厚度)和质量要远大于压电圆盘，通过获得一个较大的惯性来提供一个稳定的固定支撑边界。
[0013]本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测方法，包括以下步骤:
[0014]I)根据压电圆盘的尺寸、结构和材料，确定压电圆盘的力学模型，从而根据力学模型得到压电圆盘的共振频率fn或者振动系统的振动振幅，与样品的局部接触刚度k*之间的关系;
[0015]2)将安装有压电圆盘的移动支架放置在待测的样品表面；
[0016]3)通过应变仪检测应变片的静态信号，得到探针与样品之间的接触力，通过调整移动支架的高度，从而调整探针与样品之间的接触力；
[0017]4)计算机控制信号发生器发出激振信号，激励压电片带动圆盘基板振动，从而带动探针与样品之间发生接触振动，压电圆盘进行稳态谐振；
[0018]5)应变仪检测应变信号传输至应变仪，应变仪调理应变信号后传输至数据采集卡，数据采集卡采集调理的应变信号；
[0019]6)计算机处理由数据采集卡采集来的应变信号，进而得到测量点样品的局部接触刚度信息，通过的局部接触刚度信息就能得到样品的健康程度。
[0020]上述检测方法可以采用扫频测试模式，信号发生器发出动态的扫频信号，应变仪采集动态的扫频响应信号，计算机提取共振频率并计算局部接触刚度值，这种模式为扫频测试模式；信号发生器发出固定频率的信号，应变仪采集定频响应信号，计算机提取振动振幅值并计算局部接触刚度值，这种模式为定频测试模式。
[0021]本实用新型的优点:
[0022]本实用新型的检测系统采用中心对称结构的压电圆盘，基于压电圆盘与样品的接触振动，通过追踪压电圆盘的振动特性来探测材料或结构的局部接触刚度，进一步将该压电圆盘集成在一个可以在样品表面自由移动的装置上，可以通过在样品表面通过逐点检测来获得结构的刚度分布，进而来完成对结构健康程度的评价。相较于现有的无损检测系统，本实用新型所使用的测试原理简单可靠，适用于薄板结构如复合材料层合板或软材料的无损检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型的一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的结构示意图；
[0024]图2为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的压电圆盘的一个实施例的示意图，其中，(a)为压电圆盘的上表面的示意图，(b)为压电片为多片呈中心对称的扇形的压电圆盘的下表面的示意图；
[0025]图3为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的压电片为环形的压电圆盘的下表面的示意图；
[0026]图4为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统呈中心对称的压电片所激发出来的第一阶振动模态的剖面图；
[0027]图5为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的压电圆盘振动系统的力学模型的示意图；
[0028]图6为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的压电圆盘的共振频率4与样品的局部接触刚度k*之间关系的曲线图；
[0029]图7(a)为悬臂梁式的局部接触刚度检测系统的探针与样品接触的示意图，(b)为本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统的压电圆盘的探针与样品接触的示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
[0031]如图1所示，本实用新型的基于压电圆盘接触振动的无损检测系统包括:压电圆盘2、移动支架、信号发生器4、应变仪5、数据采集卡6以及计算机7 ;其中，压电圆盘2包括圆盘基板21、压电片22、探针23和应变片24，压电片22位于圆盘基板的下表面且为中心对称图形，探针23位于圆盘基板的下表面圆心处且垂直于圆盘基板21,如图2 (b)所不,应变片24布置在圆盘基板21的上表面，如图2(a)所示；压电圆盘2的圆盘基板21的圆周安装在移动支架上，由移动支架带动压电圆盘2在样品I的表面移动；信号发生器4通过数据线连接至功率放大器41，功率放大器41经过导线连接至压电圆盘的压电片22 ;压电圆盘2的应变片24通过数据线连接至应变仪5 ;应变仪5通过数据线连接至数据采集卡6 ;数据采集卡6通过数据线连接至计算机7。
[0032]移动支架的移动装置32采用万向轮组，均匀地安装在环形的固定架31下。
[0033]在本实施例中，圆盘基板21与固定架31均采用不锈钢材料；压电片22采用PZT-5H压电材料。圆盘基板21的半径R = 100mm,厚度h = 2mm ;探针的高度HTan = 20mm ；压电圆环片的厚度t为2mm,其内径R1和外径R2分别为40mm和80mm。
[0034]进一步，在环形的固定架31上安装手持手柄8，组成手柄式检测结构，手持手柄8的两端安装在环形的固定架31的两点的连线通过圆心。通过移动手持手柄8可以让该检测结构在样品表面移动；在移动过程中，压电圆盘的探针23与样品I保持接触；通过在样品I的表面移动，就能完成对感兴趣的检测区域的无损检测。
[0035]压电片22采用中心对称的结构，可以为多片呈中心对称的扇形，如图2(b)所示；或者为与圆盘基板同心的圆环，如图3所示，这种中心对称的结构可以激励出中心振动的模态，如图4所示。
[0036]本实用新型所提出的无损检测方法基于压电圆盘接触振动来探测待测结构的局部接触刚度，这里详细阐述本实用新型的基本原理。
[0037]压电圆盘的边界为:圆周的边界条件为固定支撑；圆心处通过探针与样品接触，则圆心处的边界条件为弹性支撑。压电圆盘的圆周固定并且中心的探针与样品接触振动构成压电圆盘振动系统，由振动力学相关理论得到，该振动系统可以简化为周围为固支、中心为弹性支撑的力学模型，如图5所示，在该力学模型中，探针与样品之间的相互作用使用一个弹簧来模拟，弹簧的弹性系数为k%该弹性系数k*即为样品的局部接触刚度k'
[0038]根据振动力学知识得到，上述的压电圆盘振动系统中，压电圆盘的共振频率4与样品的局部接触刚度k*的关系可以用一个解析表达式fn = HGO描述，并且，当弹簧的弹性系数k*越高时，该振动系统的共振频率fn也越大,压电圆盘的共振频率fn与样品的局部接触刚度k*的关系满足如图6所示的曲线。共振频率fn与局部接触刚度k*的关系，与压电圆盘的尺寸、结构和材料有关，对应唯一一个解析解。
[0039]通过使用一个扫频信号激振压电圆盘，追踪压电圆盘的共振频率fn，进而追踪得到样品的局部接触刚度k*的信息，这样的测试模式为扫频测试模式。同样，通过使用一个固定频率的信号激振压电圆盘，当样品的局部接触刚度k*不同时，该振动系统的振动振幅也不同。因此可以通过使用一个频率固定的信号激振该系统，追踪振动系统的振动振幅，进而追踪得到样品的局部接触刚度信息，此模式为定频测试模式。
[0040]与悬臂梁式的局部接触刚度检测系统相比，本实用新型所提出的圆盘式的局部接触刚度探测装置具有以下区别及优势:
[0041]1、悬臂梁式设计扭转刚度很低，探针的针尖在样品表面移动时，存在的横向力会使得悬臂梁发生扭曲，进而影响结构心态和探测信号，而采用圆盘式设计，形成了一种全新的中心对称结构,该结构在样品表面移动时，由于各个方向结构刚度都很高，因而横向干扰较悬臂梁式的设计会降低了很多，对探测信号带来的干扰更少乃至完全消去，从而解决了接触式探测所存在的横向力问题，故圆盘式设计更加适合于在样品表面的移动监测；
[0042]2、悬臂梁式设计只在一端存在一个固定点，而压电圆盘的周围全部使用连续大刚度结构固定，整个圆盘周边皆处于一个良好的力学固定边界状态，因而结构更加稳定，信噪比也更高，因此圆盘式设计较悬臂梁式设计更加适合于在振动方法中应用；
[0043]3、悬臂梁式设计采用整体梁皆为压电材料设计或在悬臂梁的下表面布置压电片设计，其动力学特性和所激发出来的变形状态皆很复杂，而圆盘式的设计采用中心对称的压电片组或圆环设计，中心对称式的设计有助于激发出所需要的“第一阶中心振动”模态，如图4所示，并抑制不需要的干扰模态的出现，因此圆盘式设计较悬臂梁式设计更加适合于在接触振动方法中的应用；
[0044]4、悬臂梁式设计的探针在压力下与样品发生接触，由于压力是由悬臂梁传递过来，因而探针受力并不对称，常常会发生偏离轴线的弯曲，如图7(a)所示，这种偏离会导致探针振型复杂并带入干扰信号，而圆盘式设计中，探针处于中心对称结构的中轴处，因此受力均匀，探针会与样品保持垂直，如图7(b)所示，不存在悬臂梁式设计的问题，因而圆盘式的设计更加有利增加探测的稳定性；
[0045]5、悬臂梁式设计的探针在曲面上横向移动时横向力会更加明显，而采用圆盘式设计并通过配合万向轮组，将会使得圆盘式设计更加适合于在复杂表面如机翼的曲面等的手持式移动检测。
[0046]最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统，其特征在于，所述无损检测系统包括:压电圆盘(2)、移动支架、信号发生器(4)、功率放大器(41)、应变仪(5)、数据采集卡(6)以及计算机⑵；其中，所述压电圆盘(2)包括圆盘基板(21)、压电片(22)、探针(23)和应变片(24)，压电片(22)位于圆盘基板的下表面且为中心对称分布，探针(23)位于圆盘基板的下表面圆心处且垂直于圆盘基板(21)，应变片(24)布置在圆盘基板(21)的上表面；所述压电圆盘(2)的圆盘基板(21)的圆周安装在移动支架上，由移动支架带动压电圆盘(2)在样品(I)的表面移动；所述信号发生器(4)通过数据线连接至功率放大器(41)，功率放大器(41)经过导线连接至压电圆盘的压电片(22);所述压电圆盘(2)的应变片(24)通过数据线连接至应变仪(5);所述应变仪(5)通过数据线连接至数据采集卡￠);所述数据采集卡(6)通过数据线连接至计算机(7)。
2.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，所述圆盘基板(21)的厚度h与半径R之间的关系满足0.005 <^< 0.2。
3.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，所述探针的高度HTan与圆盘基板的半径R之间的关系满足去尺< Hriui 士。
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4.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，所述压电片(22)的内径R1和外径R2满足0.2R彡R1 < R2彡0.9R ;压电片的厚度t满足0.5h彡t彡1.5h，其中，R为圆盘基板的半径，h为圆盘基板的厚度。
5.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，所述信号发生器(4)发出的激振信号分为固定频率的信号和扫频信号两种；相应地，所述应变仪(5)检测到的动态信号分为定频响应信号和扫频响应信号两种。
6.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，所述移动支架包括圆环形的固定架(31)和移动装置(32)，所述圆盘基板(21)的圆周固定在固定架(31)上，所述固定架(31)安装在移动装置(32)上。
7.如权利要求1所述的无损检测系统，其特征在于，进一步包括手持手柄(8)，所述手持手柄(8)安装在移动支架上。
【文档编号】G01H11/08GK203981636SQ201420413078
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】李法新, 付际, 谭池 申请人:北京大学