[发明专利]一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统及其检测方法

说明书

技术领域

本发明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及其检测方法。

背景技术

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。

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方法。

发明内容

为了解决现有技术中无损检测方法难以完成对复合材料薄板结构检测的问题，本发明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和方法。

本发明的一个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。

本发明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。

圆盘基板为薄板，厚度h与半径R之间的关系满足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H_Tan与圆盘基板的半径R之间的关系满足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≤R₁＜R₂≤0.9R；压电片的厚度t与圆盘基板h接近，满足0.5h≤t≤1.5h。

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。

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。