CN102621185A - 一种参数可控的超声脉冲激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种参数可控的超声脉冲激励装置，可为超声红外热波技术提供所需的激励源。该装置通过超声电源来控制激励参数，包括激励频率、激励时间和激励强度等；通过超声枪底座可以自动调节超声枪变幅杆和被激试件之间的预紧力；通过多自由度夹具可以控制变幅杆作用于被激试件的位置；超声电源可以通过USB接口连接到计算机，将激励参数显示在计算机终端软件上，并通过计算机终端控制红外热像仪的同步采集，实现激励与热图像采集的同步。该装置既可在实验室使用，也可手持超声枪使超声变幅杆的振动输出端压紧被激试件的合适区域实施激励。本发明实现了激励参数可调、预紧力可控、激励位置调节以及采集同步等诸多功能，具有结构简单，操作方便的特点，可用于在实验室或野外为超声红外热波技术提供理想的激励源。

Description

一种参数可控的超声脉冲激励装置

技术领域

本发明涉及超声红外热波技术领域的一种超声脉冲激励装置，并特别涉及一种参数可控的超声脉冲激励装置。

背景技术

超声红外热波技术是一种综合超声和红外热像检测两种手段优势的无损检测技术，其基本原理是通过主动式受控超声脉冲振动来激发被测对象的温度场分布，然后利用热成像技术检测被测对象表面或内部缺陷的无损检测技术，该技术对疲劳裂纹、复合材料脱粘等接触界面类型缺陷效果显著。超声红外热波检测系统主要由红外热像仪、控制采集终端、超声脉冲激励装置和其他辅助设备构成。超声脉冲激励装置通常包含超声电源和超声枪两部分，超声电源将AC 220V 50Hz的低频交流电调制为16KHz～22KHz的高频交流电，超声枪将高频交流电转换为高频机械振动。

在对被测对象施加超声脉冲振动过程中，激励频率、激励时间、激励强度、激励位置、变幅杆与被测对象之间的预紧力都会对超声红外热波检测效果有很大影响。另外，为确保检测精度，必须解决热像仪和超声脉冲激励装置之间的通信，以实现热图像采集与外部激励的同步。目前，国内外还没有集合上述功能于一体的超声脉冲激励装置。本发明将涉及一种能够调节激励参数和实现系统通信的功能完善、结构紧凑的超声脉冲激励装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种参数可控的超声脉冲激励装置，本发明涉及参数可控，具体包括激励频率、激励时间、激励强度、激励位置、变幅杆与试件之间预紧力、热像图采集时间等参数的控制和调节。

为实现上述目的，考虑采用一个由超声电源、超声枪、超声枪底座和多自由度夹具组成的超声脉冲激励装置，参考图1。超声电源主要部分实际是AC-DC-AC功能变换器，它将AC 220V 50Hz的交流电作为输入，经降压、整流滤波、功率放大转换为特定频率、时间和功率的高频交流电输出。超声枪的核心部件是压电陶瓷换能器，超声电源将高频交流电输出至压电陶瓷换能器，因压电陶瓷逆压电效应产生机械振动，并经两级超声变幅杆放大使末级输出端产生预期的振动幅度，形成高频机械振动源，用于激励固体振动，超声枪后手把前端安装压力传感器，能够将超声变幅杆和被激试件之间的接触预紧力动态传递给超声电源的预紧力控制模块。超声枪底座主要用于支撑并调节超声枪轴向位置，预紧力控制模块根据预设压力值和超声枪压力传感器反馈值驱动超声枪底座的伺服电动机，然后通过丝杠的旋转带动弹簧盒作用于超声枪后手把，调节预紧力至设定值。多自由度夹具主要用于夹持并调节被激试件的位置，被激试件的位置调节由旋转机构、移动机构和俯仰机构共同实现，夹具整体实现简单、结构紧凑、操作方便。

本发明的参数可控的超声脉冲激励装置，主要包括以下部分：

超声电源，主要包括电源开关、频率控制模块、功率控制模块、时间控制模块、预紧力控制模块、电能输出接口、USB接口、电源输入和总开关，其内部主要由电源变压器、整流滤波器和功率放大器组成，主要用于将AC 220V 50Hz的交流电转换为特定频率的交流电输出；

超声枪，包括变幅杆、外壳、压电陶瓷换能器、压力传感器、前手柄、后手把、电能输入接口和触发开关，主要用于将高频交流电转化为特定振幅的机械振动；

超声枪底座，包括导轨、超声枪夹具、弹簧盒、丝杠和伺服电动机，主要用于支撑并调节超声枪轴向位置；

多自由度夹具，包括底盘、旋转机构、移动机构、俯仰机构和夹持机构，主要用于固定被激励试件；

其中，预紧力控制由超声电源的预紧力控制模块、超声枪的压力传感器、超声枪底座的伺服电动机三个部件共同完成。

附图说明

图1超声脉冲激励装置简图；

图2.1超声电源前端示意图；

图2.2超声电源后端示意图；

图3超声电源原理图；

图4超声枪剖视图；

图5超声枪底座三维视图；

图6多自由度夹具三维视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的参数控制和调节过程进行说明。

参考附图2～6，本发明提供一种参数可控的超声脉冲激励装置，所述可控参数包括激励参数(激励频率、激励时间、激励强度)、激励位置、预紧力以及采集同步。该装置包括超声电源，超声枪，超声枪底座以及多自由度夹具。其中，超声电源主要包括频率控制模块2、功率控制模块3、时间控制模块4、预紧力控制模块5、电能输出接口6、USB接口7、电源变压器10、整流滤波器11和功率放大器12等核心部件；超声枪包括变幅杆13、压电陶瓷换能器15、压力传感器16、前手柄18、后手把19和电能输入接口20；超声枪底座包括导轨21、超声枪夹具22、弹簧盒23、丝杠24和伺服电动机25；多自由度夹具包括底盘26、旋转机构27、移动机构28、俯仰机构29和夹持机构30；预紧力控制和调节由预紧力控制模块5、压力传感器16、伺服电动机25三个部分通过反馈电路实现，激励位置控制由超声枪底座和多自由度夹具两个部分通过相对位置调节实现。

超声电源主要部分实际是AC-DC-AC功能变换器，主要由电源变压器10、整流滤波器11、功率放大器12等核心部件组成，其原理如图3所示。其中，电源变压器10是将AC 220V 50Hz电源电压隔离降压后，形成两组AC 65V 50Hz交流电；整流滤波器11是将AC 65V交流电压通过整流及滤波后形成一组+65V直流电压和一组-65V直流电压；功率放大器12为乙类桥式(BTL)，具有功率补偿和频率跟踪功能的正弦波信号，经功率放大器放大后形成AC 45V 20Khz高频交流电输出。超声电源中预紧力显示部分采用带有AD功能的STC单片机完成，工作原理是半导体压力传感器的信号经差动放大器放大后，送至单片机进行模数转换并显示。

超声枪主要由变幅杆13和压电陶瓷换能器15组成，将20KHz高频电能施于压电陶瓷换能器15，因压电陶瓷的逆压电效应产生机械振动，并经两级超声变幅杆放大使末级输出端产生预期的振动幅度，形成高频机械振动源。变幅杆13和后手柄18之间安装有压力传感器16，弹簧盒23通过后手柄推动变幅杆13向前移动顶紧被激试件31时，压力传感器16将预紧力值输出给超声电源的预紧力控制模块5。

超声枪底座由导轨21、超声枪夹具22、弹簧盒23、丝杠24和伺服电动机25组成。超声枪夹具22夹持超声枪外壳14，并可以在导轨21上沿超声枪轴向单自由度往复移动；伺服电机25受到超声电源预紧力控制模块5的指令以一定的角度或角速度旋转丝杠24带动弹簧盒23沿导轨21轴向单自由度往返移动以此调节超声枪变幅杆13和被激试件31之间的预紧力；超声枪底座通过导轨21下方的紧固螺钉固定于实验台。

多自由度夹具包括底盘26、旋转机构27、移动机构28、俯仰机构29和夹持机构30。多自由度夹具可以通过旋转机构27、移动机构28和俯仰机构29实现被激试件31绕Z轴的旋转、沿X轴的移动和绕X轴的旋转3个自由度的运动，同时配合超声枪夹具22的沿Y轴的移动和夹持机构30沿Z轴的移动，共实现5个自由度的控制和调节；夹持机构30采用双边夹持的方式，共有4个紧固螺钉；多自由度夹具通过底盘26下方的紧固螺钉固定于实验台。

下面参考附图1～6分别描述激励参数控制、预紧力控制、采集同步和激励位置控制的具体实现过程。

1)激励参数控制

频率控制模块2具有追踪压电陶瓷换能器15模态频率功能，自动达到最佳共振频率，或人为预置激振频率；功率控制模块3可以预置变幅杆13振动输出功率；时间控制模块4可以在无超声功率输出时预置定时时间，在有超声功率输出时显示当前时间。

2)激励位置控制

多自由度夹具可以通过旋转机构27、移动机构28和俯仰机构29实现被激试件31绕Z轴的旋转、沿X轴的移动和绕X轴的旋转3个自由度的运动，配合超声枪夹具22的沿Y轴的移动和夹持机构30沿Z轴的移动，共可以实现5个自由度的控制和调节，因此被激试件的激励位置可以按照这5个自由度实现调节和控制。

3)预紧力控制

预紧力控制模块5可以预置或实时显示变幅杆13与被激试件31之间的预紧力值。预紧力控制模块5将预设值转化成角度及角速度信号传递给伺服电动机25，通过设定值和压力传感器16反馈值调节预紧力。

4)采集同步

超声电源通过USB接口7与计算机终端连接，将超声脉冲激励装置的启动工作信号与结束工作信号送至计算机控制终端，计算机控制终端根据接收的信号和设定的时间延时控制热像仪采集红外图像的时间。

Claims (8)

1.一种参数可控的超声脉冲激励装置，包括：

超声电源(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12)，主要包括电源开关(1)、频率控制模块(2)、功率控制模块(3)、时间控制模块(4)、预紧力控制模块(5)、电能输出接口(6)、USB接口(7)、电源输入(8)和总开关(9)，其内部主要由电源变压器(10)、整流滤波器(11)和功率放大器(12)组成，主要用于将AC 220V 50Hz的交流电转换为特定频率的交流电输出；

超声枪(13、14、15、16、17、18、19、20)，包括变幅杆(13)、外壳(14)、压电陶瓷换能器(15)、压力传感器(16)、触发开关(17)、前手柄(18)、后手把(19)和电能输入接口(20)，主要用于将高频交流电转化为特定振幅的机械振动；

超声枪底座(21、22、23、24、25)，包括导轨(21)、超声枪夹具(22)、弹簧盒(23)、丝杠(24)和伺服电动机(25)，主要用于支撑并调节超声枪轴向位置；

多自由度夹具(26、27、28、29、30)，包括底盘(26)、旋转机构(27)、移动机构(28)、俯仰机构(29)和夹持机构(30)，主要用于固定被激励试件(31)；

其中，预紧力控制由超声电源的预紧力控制模块(5)、超声枪的压力传感器(16)、超声枪底座的伺服电动机(25)三个部件共同完成。

2.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声电源的电能输出接口(6)与超声枪的电能输入接口(19)连接；通过超声电源的频率控制模块(2)预设或调节超声枪的变幅杆(13)的输出频率；通过超声电源的功率控制模块(3)预设或调节超声枪的变幅杆(13)的输出功率；通过超声电源的时间控制模块(4)预设或调节超声枪的变幅杆(13)的输出时间；通过超声电源的预紧力控制模块(5)预设或调节超声枪的变幅杆(13)和被激试件(31)之间的压力。

3.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声电源的时间控制模块(4)采用STC单片机完成定时功能，通过USB接口(7)与计算机终端连接，将超声电源的启动工作信号和结束工作信号送至计算机终端，作为图像采集的参考信号。

4.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声枪的前手柄(17)和后手把(18)可以方便手持时将超声枪的变幅杆(13)作用于被激励试件(31)。

5.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声枪的压力传感器(16)对超声枪的变幅杆(13)与被激试件(31)之间的预紧力进行实时测量，并将测量值实时传递给超声电源的预紧力控制模块(5)，以满足激励时设定的预紧力要求。

6.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声枪底座的导轨(21)提供超声枪夹具(22)在Y轴方向水平移动自由度，并限制其他方向的自由度，超声枪夹具(22)主要用于夹持超声枪。

7.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的超声枪底座的伺服电机(25)可以接受超声电源的预紧力控制模块(5)的角位移或角速度指令，并根据指令旋转丝杠(24)带动弹簧盒(23)调节超声枪变幅杆(13)和被激试件(31)之间的压力。

8.如权利要求1所述的一种参数可控的超声脉冲激励装置，其中，所述的多自由度夹具的底盘(26)、旋转机构(27)、移动机构(28)、俯仰机构(29)和夹持机构(30)用于调节变幅杆(13)与被激励试件(31)的相对位置，使超声枪可以作用于被激试件的任意位置，并可以调节变幅杆(13)的输出端面和被激试件(31)作用表面之间的夹角。

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