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技术方案

本发明专利技术公开了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。本发明专利技术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。本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。本专利技术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。本专利技术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；本专利技术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】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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 专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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 【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（7);其中，所述压电圆盘⑵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（1)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⑵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&和外径 R2满足〇· 2R彡札< 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，所述计算机包括：控制信号发生器 产生激励压电片的激振信号的信号发生模块；控制数据采集卡采集应变信号的信号采集模 块，用于；以及计算样品的弹性性质以及评估结构的健康状况的计算模块。7. 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。8. 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。9. 一种基于压电圆盘接触振动的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 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4或者振动系统的振动振幅，与样品的局部接触刚度1^之间的关 系； 2) 将安装有压电圆盘的移动支架放置在待测的样品表面； 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； 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； 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； 6) 计算机处理由数据采集卡采集来的应变信号，进而得到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。10.如权利要求9所述的无损检测方法，其特征在于，所述检测方法采用扫频测试模 式，信号发生器发出扫频信号，应变仪采集扫频响应信号，计算机提取共振频率并计算局部 接触刚度；或者采用定频测试模式，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。【文档编号】G01N29/48GK104122331SQ201410354510【公开日】2014年10月29日 申请日本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(7)；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(1)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(6)；所述数据采集卡(6)通过数据线连接至计算机(7)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李法新，付际，谭池，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11