[发明专利]一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法

权利要求书

1.一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：包括激励信号发收装置(1)、压电陶瓷组(2)、电阻应变片组(3)、紫铜杜邦线(4)、塑料防水盒(5)、软磁条(6)、无线传输模块(8)、OLED显示屏(9)，塑料防水盒(5)底部固定有软磁条(6)，塑料防水盒(5)通过软磁条(6)吸附连接到钢材上，塑料防水盒(5)内部设有激励信号发收装置(1)、无线传输模块(8)；钢材的焊缝两侧安装布置有两组压电陶瓷组(2)，每组压电陶瓷组(2)是由两个压电陶瓷构成，两个压电陶瓷对称布置在钢材焊缝的两侧，电阻应变片组(3)粘贴固定在焊缝上，电阻应变片组(3)是由四个电阻应变片连接成惠斯顿电桥构成；压电陶瓷组(2)的两端和惠斯顿电桥的两端经紫铜杜邦线(4)和激励信号发收装置(1)电连接，激励信号发收装置(1)经无线传输模块(8)和外部的计算机连接；

所述的激励信号发收装置(1)包括正弦波信号发生电路、正弦波信号发生电路的输入端和单片机MCU连接，正弦波信号发生电路的输出端依次经第一差分放大电路放大、第一有源二阶带通滤波电路后分别连接到焊缝一侧的压电陶瓷和第一过零比较电路，布置在焊缝另一侧的压电陶瓷的输出端依次经第二差分放大电路、第二有源二阶带通滤波电路后分别连接到第二过零比较电路和有效值转换电路，第一过零比较电路和第二过零比较电路的输出端经异或门电路连接到单片机MCU，有效值转换电路直接连接到单片机MCU；基准电压连接到电阻应变片组(3)的惠斯顿电桥，惠斯顿电桥输出端经差分放大后连接到单片机MCU；将激励信号输入并激励布置在焊缝一侧的压电陶瓷；然后在布置在焊缝另一侧的压电陶瓷接收响应信号，响应信号再经第二差分放大电路放大，再由第二有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波，经过有效值转换电路转化为直流信号获得幅值，然后输入到单片机MCU的ADC通道；同时，激励信号和响应信号输入到相位差检测电路得到两者的相位差，即激励信号和响应信号依次经各自的过零比较电路后再经异或门电路处理获得相位差，输入到单片机MCU的输入捕获端口；同时基准电压施加输入到电阻应变片组(3)的惠斯顿电桥中，惠斯顿电桥输出信号经差分放大后输入到单片机MCU的输入捕获端口。

2.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的电阻应变片组(3)不粘贴固定在焊缝上，替换为：钢材的焊缝两侧的钢材表面设有可变形铝筋片(10)，铝筋片(10)上固定安装上电阻应变片组(3)。

3.根据权利要求2所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：钢材的焊缝两侧的钢材表面形成直角，所述的可变形铝筋片(10)为连接架设在焊缝两侧之间的条状或者拱桥状。

4.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的压电陶瓷组(2)粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧附近的表面上，并用灌封胶灌封。

5.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的压电陶瓷组(2)采用圆柱形压电陶瓷，极化方向沿厚度方向，在钢材焊缝表面布置后利用灌封胶和钢材表面之间包裹完全。

6.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的紫铜杜邦线(4)的外绝缘阻燃层采用特氟龙材料，每根紫铜杜邦线(4)穿过一支带弹性卡扣的抗干扰铁氧体扼流圈。

7.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的塑料防水盒背部留有凹槽，并在凹槽处粘贴有长方形的软磁条。

8.应用于权利要求1-7任一所述金属结构焊缝开裂在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：工作时，激励信号发收装置(1)将激励信号施加压电陶瓷组中位于在焊缝其中一侧的压电陶瓷上，将基准电压施加在惠斯顿电桥的输入端，同时接收焊缝压电陶瓷组中位于在焊缝另一侧的压电陶瓷的两极信号和惠斯顿电桥的输出端信号，并对两种信号进行分析融合，从而实现对钢材焊缝的无损检测。

9.根据权利要求8所述的金属结构焊缝开裂在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：以正弦信号激励压电陶瓷组(2)，压电陶瓷组(2)会沿自身极化方向产生持续振动，振动辐射出超声波沿着钢材扩散传播，当超声波遇到焊缝处产生反射/折射，能量不断衰减，途经的焊缝在出现损伤时超声波能量进一步衰减，发射信号和接收信号之间增加相位差，实时检测接收信号的突变/变化情况获得相位差变化和幅值变化；同时在电阻应变片组(3)的输入端施加恒定的基准电压，当钢材的焊缝处出现损伤时应力集中发生变形或者位移，焊缝上面的电阻应变片组(3)阻值发生变化，从而导致由电阻应变片组(3)构成的惠斯顿电桥失去平衡，实时检测惠斯顿电桥输出端的电压变化；最后融合相位差变化、幅值变化和电压变化的数据获得钢材金属结构的焊缝开裂检测结果。