一种小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统及方法与流程

本发明涉及无损检测技术领域，特指一种小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统及方法。

技术背景

伴随着微纳制造技术的快速发展，小尺寸构件已经被广泛应用在机械工程领域中，然而小尺寸构件在加工制造过程中会受到各种外部因素的作用，会使得小尺寸构件表层引入微观裂纹，严重制约着小尺寸构件质量的提高，因此有必要对小尺寸构件进行检测，确定小尺寸构件表层是否产生微观裂纹，这对小尺寸构件的后续应用具有非常重要的意义。目前广泛使用的微观裂纹检测方法主要包括电子显微镜技术、声发射检测技术以及超声检测技术。然而电子显微镜技术属于破坏性检测法，需要制备试样，然后进行腐蚀处理，才能观察到小尺寸构件的微观形貌，进而确定小尺寸构件表层是否产生微观裂纹。声发射检测技术属于无损检测技术，能够对小尺寸构件进行无损检测，然而在实际的检测中声发射信号通常比较微弱，容易受到外部因素的干扰，降低了检测的精度。超声检测技术也属于无损检测技术，能够对小尺寸构件进行无损检测，然而超声检测技术对材料早期疲劳损伤所产生的微观裂纹并不敏感，降低了检测的精度。为了快速准确的确定小尺寸构件表层是否产生微观裂纹，本发明提出了一种小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统及方法。

技术实现要素：

为了快速准确的确定小尺寸构件表层是否产生微观裂纹，本发明提出了一种小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统及方法。

小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统，包括上位机系统、动态应变仪、应变片、振动台、功率放大器、任意波形发生卡、电荷放大器、加速度传感器、示波器。

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；任意波形发生卡输出的正弦激振信号经由功率放大器输入振动台，从而驱动振动台产生振动；加速度传感器安装在小尺寸构件上，加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与示波器的输入通道连接，示波器的输出通道与上位机系统连接；应变片粘贴在小尺寸构件上，应变片的输出端与动态应变仪的输入通道连接，动态应变仪的输出通道与上位机系统连接。

上位机系统包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形读取模块，从应变波形中获取模态应变峰值ε(με)的应变识别模块，获取示波器显示的电压波形的电压波形读取模块，从电压波形中获取电压峰值U(V)的电压识别模块，以及将电压峰值转换为输出振级的振级转换模块。

振级转换模块中预设有加速度传感器的灵敏度值s(pC/ms^-2)，电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数F(Unit/V)；输出振级与电压峰值的转换关系为：其中a表示输出振级，输出振级通过上位机系统的显示界面显示给用户。

进一步，加速度传感器为压电式加速度传感器。

进一步，应变片为三向顺时针应变花。

进一步，动态应变仪为高精度多通道动态应变仪。

小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测方法包括以下步骤：

(1)将小尺寸构件装夹于振动台运动部件的激振台面上；将加速度传感器安装在小尺寸构件上；应变片粘贴在小尺寸构件上；接通信号连线；接通电源。

(2)在振级转换模块中设置电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数F(Unit/V)，加速度传感器的灵敏度值s(pC/ms^-2)。

(3)电压波形读取模块获取示波器显示的电压波形；电压识别模块从电压波形中获取电压峰值U(V)；振级转换模块中输出振级与电压峰值的转换关系为：

(4)应变波形读取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变识别模块从应变波形中获取模态应变峰值ε(με)。

(5)上位机系统自动通过扫频法确定小尺寸构件的弯曲振动的共振频率f_i(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)。

(6)缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I(A)，驱动振动台对小尺寸构件在其弯曲振动的共振频率下进行激振，上位机系统获取小尺寸构件输出的模态应变峰值。

具体来说，首先将未加工处理过的小尺寸构件装夹于振动台运动部件的激振台面上，然后按照步骤(1)-(6)所述的过程对未加工处理过的小尺寸构件进行激振，采集未加工处理过的小尺寸构件的模态应变峰值；在此之后，将加工处理过后的小尺寸构件装夹于振动台运动部件的激振台面上，然后按照步骤(1)-(6)所述的过程对加工处理过后的小尺寸构件进行激振，采集加工处理过后的小尺寸构件的模态应变峰值；若未加工处理过的小尺寸构件的模态应变峰值不等于加工处理过后的小尺寸构件的模态应变峰值，即表明小尺寸构件的表层产生了微观裂纹。

所述小尺寸构件表层产生微观裂纹的确定依据为未加工处理过的小尺寸构件的模态应变峰值不等于加工处理过后的小尺寸构件的模态应变峰值。

所述信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与功率放大器之间的信号连线；功率放大器与振动台之间的信号连线；应变片与动态应变仪之间的信号连线；动态应变仪与上位机系统之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与上位机系统之间的信号连线；所述电源包括上位机系统、任意波形发生卡、功率放大器、振动台、电荷放大器、示波器和动态应变仪。

步骤(5)中，上位机系统自动通过扫频法确定小尺寸构件的弯曲振动的共振频率f_i(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)包括以下步骤：

(5.1)通过ANSYS有限元软件对小尺寸构件进行数值模态分析，获取小尺寸构件的弯曲振动的共振频率f_si(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)。

(5.2)上位机系统控制任意波形发生卡的初始激振频率f_0i设置为(f_si-100)Hz，以10Hz为步长逐步增加任意波形发生卡的输出频率；上位机系统分别记录下每一激振频率时作用在小尺寸构件上的振级a；上位机系统得到振级a最大时的频率；上位机系统记录下该频率，并记为f_1i(Hz)。

(5.3)上位机系统控制任意波形发生卡的初始激振频率设置为(f_1i-10)Hz，以1Hz为步长逐步增加任意波形发生卡的输出频率；上位机系统分别记录下每一激振频率时作用在小尺寸构件上的振级a；上位机系统得到振级a最大时的频率；上位机系统记录下该频率，并记为f_i(Hz)。

本发明的技术构思是：由上位机系统、动态应变仪、应变片、振动台、功率放大器、任意波形发生卡、电荷放大器、加速度传感器以及示波器构成小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统；小尺寸构件装夹于振动台运动部件的激振台面上；上位机系统首先采集未加工处理过的小尺寸构件的模态应变峰值，然后在采集加工处理过后的小尺寸构件的模态应变峰值，若未加工处理过的小尺寸构件的模态应变峰值不等于加工处理过后的小尺寸构件的模态应变峰值，即表明小尺寸构件的表层产生了微观裂纹。

本发明的有益效果是：

1、通过本发明建立的小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统对小尺寸构件进行检测，能够确定出小尺寸构件表层是否存在微观裂纹。

2、通过本发明建立的小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统能够对小尺寸构件进行无损检测，不会对小尺寸构件产生损伤破坏。

3、通过本发明建立的小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统能够对小尺寸构件在其多个弯曲振动的共振频率下进行检测，确保了检测结果的可靠性。

4、通过本发明建立的小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统对加工前后的小尺寸构件在其弯曲振动的共振频率下进行检测，检测过程耗时短，能够快速的确定小尺寸构件表层是否产生微观裂纹，有利于提高检测效率。

5、本发明建立的小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统对小尺寸构件进行检测时，检测过程由上位机系统进行控制，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作的效率。

附图说明

图1a小尺寸构件表层微观裂纹的无损检测系统示意图。

图1b振动台示意图。

图2三向顺时针应变花示意图。

图3无微观裂纹的小尺寸构件示意图。

图4具有微观裂纹的小尺寸构件示意图。

图5a模态位移的数值分析结果。

图5b模态应变的数值分析结果。

图6模态应变的实验测试结果。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

小尺寸构件2表层微观裂纹的无损检测系统，包括上位机系统、动态应变仪、应变片1、振动台、功率放大器、任意波形发生卡、电荷放大器、加速度传感器3、示波器。

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；任意波形发生卡输出的正弦激振信号经由功率放大器输入振动台，从而驱动振动台产生振动；加速度传感器3安装在小尺寸构件2上，加速度传感器3的输出端与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与示波器的输入通道连接，示波器的输出通道与上位机系统连接；应变片1粘贴在小尺寸构件2上，应变片1的输出端与动态应变仪的输入通道连接，动态应变仪的输出通道与上位机系统连接。

上位机系统包括获取动态应变仪采集到的应变波形的应变波形读取模块，从应变波形中获取模态应变峰值ε(με)的应变识别模块，获取示波器显示的电压波形的电压波形读取模块，从电压波形中获取电压峰值U(V)的电压识别模块，以及将电压峰值转换为输出振级的振级转换模块。

振级转换模块中预设有加速度传感器3的灵敏度值s(pC/ms^-2)，电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数F(Unit/V)；输出振级与电压峰值的转换关系为：其中a表示输出振级，输出振级通过上位机系统的显示界面显示给用户。

进一步，加速度传感器3为压电式加速度传感器。

进一步，应变片1为三向顺时针应变花。

进一步，动态应变仪为高精度多通道动态应变仪。

小尺寸构件2表层微观裂纹的无损检测方法包括以下步骤：

(1)将小尺寸构件2装夹于振动台运动部件4的激振台面5上；将加速度传感器3安装在小尺寸构件2上；应变片1粘贴在小尺寸构件2上；接通信号连线；接通电源。

(2)在振级转换模块中设置电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数F(Unit/V)，加速度传感器3的灵敏度值s(pC/ms^-2)。

(3)电压波形读取模块获取示波器显示的电压波形；电压识别模块从电压波形中获取电压峰值U(V)；振级转换模块中输出振级与电压峰值的转换关系为：

(4)应变波形读取模块获取动态应变仪采集到的应变波形；应变识别模块从应变波形中获取模态应变峰值ε(με)。

(5)上位机系统自动通过扫频法确定小尺寸构件2的弯曲振动的共振频率f_i(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)。

(6)缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I(A)，驱动振动台对小尺寸构件2在其弯曲振动的共振频率下进行激振，上位机系统获取小尺寸构件2输出的模态应变峰值。

具体来说，首先将未加工处理过的小尺寸构件2装夹于振动台运动部件4的激振台面5上，然后按照步骤(1)-(6)所述的过程对未加工处理过的小尺寸构件2进行激振，采集未加工处理过的小尺寸构件2的模态应变峰值；在此之后，将加工处理过后的小尺寸构件2装夹于振动台运动部件4的激振台面5上，然后按照步骤(1)-(6)所述的过程对加工处理过后的小尺寸构件2进行激振，采集加工处理过后的小尺寸构件2的模态应变峰值；若未加工处理过的小尺寸构件2的模态应变峰值不等于加工处理过后的小尺寸构件2的模态应变峰值，即表明小尺寸构件2的表层产生了微观裂纹。

所述小尺寸构件2表层产生微观裂纹的确定依据为未加工处理过的小尺寸构件2的模态应变峰值不等于加工处理过后的小尺寸构件2的模态应变峰值。

所述信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与功率放大器之间的信号连线；功率放大器与振动台之间的信号连线；应变片1与动态应变仪之间的信号连线；动态应变仪与上位机系统之间的信号连线；加速度传感器3与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与上位机系统之间的信号连线；所述电源包括上位机系统、任意波形发生卡、功率放大器、振动台、电荷放大器、示波器和动态应变仪。

步骤(5)中，上位机系统自动通过扫频法确定小尺寸构件2的弯曲振动的共振频率f_i(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)包括以下步骤：

(5.1)通过ANSYS有限元软件对小尺寸构件2进行数值模态分析，获取小尺寸构件2的弯曲振动的共振频率f_si(Hz)(i＝1,2,…,N,N为正整数)。

(5.2)上位机系统控制任意波形发生卡的初始激振频率f_0i设置为(f_si-100)Hz，以10Hz为步长逐步增加任意波形发生卡的输出频率；上位机系统分别记录下每一激振频率时作用在小尺寸构件2上的振级a；上位机系统得到振级a最大时的频率；上位机系统记录下该频率，并记为f_1i(Hz)。

(5.3)上位机系统控制任意波形发生卡的初始激振频率设置为(f_1i-10)Hz，以1Hz为步长逐步增加任意波形发生卡的输出频率；上位机系统分别记录下每一激振频率时作用在小尺寸构件2上的振级a；上位机系统得到振级a最大时的频率；上位机系统记录下该频率，并记为f_i(Hz)。

对图3无微观裂纹的小尺寸构件2(用于表示未加工处理过的小尺寸构件2)和图4具有微观裂纹的小尺寸构件2(用于表示加工处理过后的小尺寸构件2)进行表层微观裂纹的无损检测的研究。图3和图4所示的小尺寸构件2的长度均为230mm，宽度均为210mm，厚度均为6mm，为了便于将图3和图4所示的小尺寸构件2装夹于振动台运动部件4的激振台面5上，在图3和图4所示的小尺寸构件2上留有半径为4mm的安装孔，安装孔之间的距离为80mm，图4中的微观裂纹的长度为2mm，宽度为0.2mm，厚度为0.2mm。首先采用数值分析的方法研究微观裂纹的存在对模态位移和模态应变的影响，研究了沿着特定方向(即小尺寸构件2的长度方向)的模态位移和模态应变的分布规律，其中无微观裂纹的小尺寸构件2和具有微观裂纹的小尺寸构件2的模态位移的分布规律如图5a所示；无微观裂纹的小尺寸构件2和具有微观裂纹的小尺寸构件2的模态应变的分布规律如图5b所示。从图5a可见，无微观裂纹的小尺寸构件2和具有微观裂纹的小尺寸构件2的一阶弯曲位移振型和五阶弯曲位移振型的模态位移值是重叠在一起的，即使在微观裂纹处一阶弯曲位移振型和五阶弯曲位移振型的模态位移值也没有明显的变化，表明模态位移对微观裂纹并不敏感。从图5b可见，无微观裂纹的小尺寸构件2和具有微观裂纹的小尺寸构件2的一阶弯曲应变振型和五阶弯曲应变振型的模态应变值在微观裂纹以外的地方基本是重叠在一起的，但是在微观裂纹处一阶弯曲应变振型和五阶弯曲应变振型的模态应变值却发生了明显的突变，表明模态应变对微观裂纹是敏感的，并且五阶弯曲应变振型的模态应变值在微观裂纹处的突变更加明显，这表明通过检测未加工处理过的小尺寸构件2和加工处理过后的小尺寸构件2的模态应变值能够检测出小尺寸构件2的表层是否产生了微观裂纹，并且检测高阶应变振型的模态应变值能够提高检测微观裂纹的精度。

图2为所述的三向顺时针应变花的示意图，该应变花具有3组应变珊，能够感知小尺寸构件2无损检测过程中3个方向上的模态应变；应变珊1与x轴重合，应变珊2与x轴呈45°夹角，应变珊3与y轴重合；D为三向顺时针应变花的中心圆直径。

在图3无微观裂纹的小尺寸构件2(用于表示未加工处理过的小尺寸构件2)和图4具有微观裂纹的小尺寸构件2(用于表示加工处理过后的小尺寸构件2)的表面(微观裂纹处)分别粘贴图2所示的三向顺时针应变花，然后按照小尺寸构件2表层微观裂纹的无损检测方法所包含的步骤进行实验研究，分别采集无微观裂纹的小尺寸构件2的模态应变值和具有微观裂纹的小尺寸构件2的模态应变值，并对采集到的三个方向上的模态应变值进行如下的处理：其中ε₁、ε₂和ε₃为图2所示的三向顺时针应变花采集到的三个方向上的模态应变值，结果见图6。图6中相对偏差的定义为从图6可以发现，通过检测模态应变值能够检测出小尺寸构件2的表层是否产生了微观裂纹，并且通过检测高阶应变振型的模态应变值能够提高微观裂纹的检测精度。除此以外，通过检测多个应变振型的模态应变值也能够提高微观裂纹的检测精度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。