CN104034810A - 一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法。由高压电源、脉冲触发单元、激励单元、压电单元和直流电源构成。高压电源产生直流高压，作用在激励单元充电端，激励单元由高压晶体管、电阻、电容、电感、电阻组成，脉冲触发单元产生触发脉冲施加在激励单元中高压晶体管的基极控制端，高压晶体管与电容构成充放电回路，在触发脉冲控制下，在电容端一端产生高品质冲击脉冲激励信号，用于在复合材料中激励高质量的声发射信号，可大幅度地提高声发射检测信号的时域脉冲特性和检测分辨率，显著提高了复合材料超声-声发射缺陷检出能力和检测可靠性及缺陷定性定量检测的准确性。冲击脉冲激励信号的幅值在200-450V内可调、下降沿4-30ns可调。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、交通、冶金、钢铁、建筑等领域复合材料及金属材料结构的无损检测，尤其涉及一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法。
背景技术
利用被检测材料或零件在受到应力作用下产生的声发射现象，可以实现复合材料的无损检测，而要实现复合材料声发射检测，首先必须在被检测复合材料中形成声发射源，产生声发射信号。传统声发射激励或者产生方法是通过对被检测零件加载，使被检测复合材料零件在受到外部载荷作用或者力的作用下，在其内部激励声发射信号。由于复合材料中缺陷的存在，在外部加载作用下，缺陷周围会产生应力显著集中，从而出现明显的声发射行为。基于此声发射行为，通过提取来自缺陷的声发射信号，分析其信号规律，进行缺陷识别，实现复合材料的声发射检测。因此，传统声发射检测都必须对被检测零件进行加载。目前，主要是机械加载方法，其主要不足是：1)在复合材料零件制造阶段和服役阶段，通常难以实现对被检测复合材料零件的加载，而且大厚度复合材料结构往往难以采用机械加载方法产生声发射行为；2)加载响应时间长，在缺陷周围产生声发射信号的时域特性差，难以对缺陷进行准确定位和定量；3)复合材料中的分层、疏松、气孔、贫胶等诸多缺陷对这种加载产生的声发射现象不明显；4)不能实现局部加载，进而难以实现复合材料100％逐点扫描检测和可视化成像检测，检测结果不直观。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测复合材料超声-声发射激励方法，克服传统超声-声发射需要机械加载、加载响应特性差、难以实现超声-声发射扫描成像检测、缺陷检出能力差与定位定性定量困难等不足，提高复合材料超声-声发射缺陷检出能力和检测可靠性。
本发明的技术解决方案是，
在高压电源的初级电路产生电压为10-20V、频率为100kHz-300kHz的交流脉冲信号，在高压电源的输出级产生200-450V、频率为100kHz-300kHz的高频交流脉冲电压，经整流滤波转换为200-450V的直流高压VHDC；激励单元由高压晶体管V1、电阻R1、电容C1、电感L1、电阻R2组成，高压晶体管V1的基极与脉冲触发单元的输出级相连，高压晶体管V1的发射极接地，高压晶体管V1的集电极同时与电阻R1的一端和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端与高压单元的输出级相连，电容C1的另一端同时与电感L1和电阻R2的一端连接，电感L1和电阻R2的另一端接地；高压电源的输出级与电阻R1的一端相连，直流高压VHDC施加在电阻R1的一端；脉冲触发单元输出级产生的触发脉冲VTTL(t)施加在激励单元中高压晶体管V1的基极端，t表示触发脉冲VTTL(t)的周期，高压晶体管V1与电容C1构成充放电回路，在电容C1的另一端产生冲击脉冲激励信号VC(t)，VC(t)的下降沿调节范围为4-50ns，通过电感L1和电阻R2构成的输出阻抗匹配器，激励不同阻抗的压电单元，脉冲触发单元为IC震荡电路；直流电源给高压电源和脉冲触发单元提供工作电压。
压电单元为用于复合材料检测的超声-声发射换能器。
高压电源输出级输出的直流高压VHDC的电压调节范围为200-400V，用于产生不同大小的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)。
激励单元产生的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)的幅值调节范围为200-400V，冲击脉冲激励信号VC(t)的下降沿范围为4-30ns，用于激励不同特性的超声-声发射换能器检测复合材料。
通过改变激励单元中的电感L1和电阻R2的大小，调节激励单元输出阻抗，激励不同阻抗特性的压电单元，用于检测不同的复合材料。
脉冲触发单元的触发脉冲VTTL(t)的频率调节范围为500Hz—10kHz，与不同特性的压电单元匹配，用于不同复合材料零件的超声-声发射检测。
本发明具有的优点和有益效果，本发明利用高压电路产生冲击脉冲，将冲击脉冲施力在压电晶片两端，压电晶片在冲击脉冲作用下激发冲击波，利用此冲击波与被检测复合材料相互作用，进而在复合材料中激励声发射行为，其主要优点是：1)冲击波的频响非常好，可以在复合材料中激励高质量的声发射信号，从而可以大幅度地提高声发射检测信号的时域脉冲特性和检测分辨率，显著提高了复合材料超声-声发射缺陷定性定量检测的准确性；2)可以十分方便地实现制造和服役场合下各种复合材料结构和大厚度复合材料零件的100％声发射激励和扫查检测，进而为实现声发射检测结果的可视化成像检测提供了十分有效的一种超声-声发射激励方法，检测结果非常直观，易解释，大大地提高了复合材料超声-声发射检测可靠性；3)采用本发明脉冲超声激励方法，复合材料中的常见缺陷，如分层、疏松、气孔、贫胶裂纹等，均会产生显著的超声-声发射行为，从而大大地提高了复合材料超声-声发射缺陷检出能力和检测可靠性。
附图说明
图1是本发明用于检测复合材料的超声-声发射激励方法原理示意图。
图2是本发明用于检测复合材料的超声-声发射激励方法中的激励单元3的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法，其硬件单元由高压电源1、脉冲触发单元2、激励单元3、压电单元4和直流电源5组成，参见图1所示。
高压电源1的初级电路采用LC工作方式，在高压电源1的初级电路产生电压为10-20V、频率为100kHz-300kHz的高频交流脉冲电压信号，然后通过高压电源1的变压器次级电路进行声压后，在高压电源1的输出级产生200-450V、频率为100kHz-300kHz的高频交流脉冲电压VAC，经整流滤波后，将VAC转换为200-450V的直流高压VHDC，产生VHDC；激励单元3由高压晶体管V1、电阻R1、电容C1、电感L1、电阻R2组成，高压晶体管V1的基极与脉冲触发单元2的输出级相连，高压晶体管V1的发射极接地，高压晶体管V1的集电极同时与电阻R1的一端和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端与高压单元的输出级相连，电容C1的另一端同时与电感L1和电阻R2的一端连接，电感L1和电阻R2的另一端接地，参见图2所示；高压电源1的输出级与电阻R1的一端相连，直流高压VHDC施加在电阻R1的一端，参见图2所示；脉冲触发单元2输出级产生的触发脉冲VTTL(t)施加在激励单元3中高压晶体管V1的基极端，t表示触发脉冲VTTL(t)的周期，通过VTTL(t)控制V1的选通和断开，实现对电容C1的充放电，高压晶体管V1与电容C1构成充放电回路，参见图2所示，在电容C1的另一端产生冲击脉冲激励信号VC(t)，VC(t)的下降沿调节范围为4-50ns，通过电感L1和电阻R2构成的输出阻抗匹配器，激励不同阻抗的压电单元4，脉冲触发单元2为IC555芯片震荡电路；直流电源5给高压电源1和脉冲触发单元2提供工作电压，直流电源5也可选择市售AC-DC转换电源，将交流AC220V/50Hz电源转换为直流DC电压VDC。
压电单元4为用于复合材料检测的超声-声发射换能器，通过高频线与R2端的输出连接座连接，压电单元4可以自由地在被检测复合材料零件表面上任意移动，通过压电单元4中的压电晶体的自身压电效应，将作用在压电单元4中的瞬时冲击脉冲信号VC(t)转换为脉冲超声-声发射激励信号VUE(t)，通过声波耦合介质，VUE(t)传播到被检测复合材料中，并与被检测复合材料相互作用，产生声发射信号，用于复合材料的超声-声发射检测。
高压电源1输出级输出的直流高压VHDC的电压可在200-400V范围内调节，用于产生不同大小的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)。
激励单元3产生的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)的幅值调节范围为200-400V，冲击脉冲激励信号VC(t)的下降沿范围为4-30ns，用于激励不同特性的超声-声发射换能器检测复合材料。
如图2所示，通过改变激励单元3中的电感L1和电阻R2的大小，调节激励单元3输出阻抗，激励不同阻抗特性的压电单元4，用于检测不同的复合材料。
脉冲触发单元2的触发脉冲VTTL(t)的频率调节范围为500Hz-10kHz，与不同特性的压电单元4匹配，用于不同复合材料零件的超声-声发射检测。
用于检测复合材料的超声-声发射激励方法的工作过程是：①通过直流电源5给高压电源1和脉冲触发单元2提供直流DC电压VDC；②高压电源1在VDC作用下，通过其自身高压发生电路，产生高压直流电压VHDC，输出加到激励单元3的R1端；③脉冲触发单元2在VDC作用下，通过其自身IC555芯片震荡电路作用下，产生触发脉冲VTTL(t)，此触发脉冲施加到激励单元3中V1的基极端，控制V1的选通和断开；④激励单元3在VTTL(t)控制下，通过VHDC对C1进行充放电控制，在V1的集电极产生瞬时冲击脉冲信号VC(t)：当VTTL(t)为低电平有效时，V1的集电极在VHDC作用下，对C1进行充电；当VTTL(t)为高电平有效时，C1通过V1的集电极-发射级瞬时导通构成快速放电回路，C1快速放电，从而在V1的集电极产生瞬时冲击脉冲信号VC(t)；⑤压电单元4在VC(t)的作用下，将VC(t)转换为脉冲超声-声发射激励信号VUE(t)，VUE(t)通过声学耦合介质传播到被检测复合材料零件中，进而在被检测复合材料零件中激励产生声发射信号，用于复合材料的超声-声发射检测；⑥通过在复合材料零件表面移动压电单元4，可以十分方便地对被检测复合材料零件每一个位置进行声发射激励，进而对被检测复合材料零件进行100％扫描检测。
实施例1
选择中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1检测仪器、频率为5MHz的AU-1A超声-声发射换能器作为压电单元4，触发脉冲VTTL(t)的频率选择为2kHz，高压直流电压VHDC选择200伏，调节电感L1和电阻R2的大小，使激励单元3输出的脉冲超声-声发射激励信号VUE(t)达到最大，此时，表明激励单元3的输出阻抗特性与AU-1A相匹配，采用手工扫查方式对20mm碳纤维复合材料零件进行了系列的超声-声发射激励和实际检测应用，实际检测效果表明，采用本发明，冲击波的频响非常好，可以在复合材料中激励十分清晰和高质量的超声-声发射检测信号，基于此声发射信号，可以十分方便的进行超声-声发射检测，可检出20mm厚复合材料零件中0.13mm深Ф3mm和20mm深Ф3mm的分层缺陷，大大地提高了复合材料超声-声发射缺陷检出能力和检测可靠性，取到了很好的实际检测效果，检测分辨率和表面检测盲区达单个复合材料铺层厚度。
实施例2
选择中航复合材料有限责任公司生产的CUS-21J自动扫描检测设备、频率为2MHz的AU-1B超声-声发射换能器作为压电单元4，触发脉冲VTTL(t)的频率选择为3kHz，高压直流电压VHDC选择300伏，调节电感L1和电阻R2的大小，使激励单元3输出的脉冲超声-声发射激励信号VUE(t)达到最大，此时，表明激励单元3的输出阻抗特性与AU-1B相匹配，采用自动扫描方式对50mm厚碳纤维复合材料零件进行了系列的超声-声发射激励和实际检测应用，实际检测效果表明，采用本发明，冲击波的频响非常好，可以在复合材料中激励十分清晰和高质量的超声-声发射检测信号，基于此声发射信号，可以十分方便的进行超声-声发射检测，可检出50mm厚复合材料零件中0.13mm深Ф3mm和45mm深Ф3mm的分层缺陷，大大地提高了大厚度复合材料超声-声发射缺陷检出能力和检测可靠性，取到了很好的实际检测效果，检测分辨率和表面检测盲区达单个复合材料铺层厚度。
Claims (6)
1.一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法，其特征是，
在高压电源(1)的初级电路产生电压为10-20V、频率为100kHz-300kHz的交流脉冲信号，在高压电源(1)的输出级产生200-450V、频率为100kHz-300kHz的高频交流脉冲电压，经整流滤波转换为200-450V的直流高压VHDC；激励单元(3)由高压晶体管V1、电阻R1、电容C1、电感L1、电阻R2组成，高压晶体管V1的基极与脉冲触发单元(2)的输出级相连，高压晶体管V1的发射极接地，高压晶体管V1的集电极同时与电阻R1的一端和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端与高压单元的输出级相连，电容C1的另一端同时与电感L1和电阻R2的一端连接，电感L1和电阻R2的另一端接地；高压电源(1)的输出级与电阻R1的一端相连，直流高压VHDC施加在电阻R1的一端；脉冲触发单元(2)输出级产生的触发脉冲VTTL(t)施加在激励单元(3)中高压晶体管V1的基极端，t表示触发脉冲VTTL(t)的周期，高压晶体管V1与电容C1构成充放电回路，在电容C1的另一端产生冲击脉冲激励信号VC(t)，VC(t)的下降沿调节范围为4-50ns，通过电感L1和电阻R2构成的输出阻抗匹配器，激励不同阻抗特性的压电单元(4)，脉冲触发单元(2)为IC震荡电路；直流电源(5)给高压电源(1)和脉冲触发单元(2)提供工作电压。
2.权利要求1所述的一种用于检测复合材料的超声-声发射激励方法，其特征是，压电单元(4)为用于复合材料检测的超声-声发射换能器。
3.权利要求1所述的一种用于检测复合材料的脉冲超声-声发射信号激励方法，其特征是，高压电源(1)输出级输出的直流高压VHDC的电压调节范围为200-400V，用于产生不同大小的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)。
4.权利要求1所述的一种用于检测复合材料的脉冲超声-声发射信号激励方法，其特征是，激励单元(3)产生的超声-声发射冲击脉冲激励信号VC(t)的幅值调节范围为200-400V，冲击脉冲激励信号VC(t)的下降沿范围为4-30ns，用于激励不同特性的超声-声发射换能器检测复合材料。
5.权利要求1所述的一种用于检测复合材料的脉冲超声-声发射激励方法，其特征是，通过改变激励单元(3)中的电感L1和电阻R2的大小，调节激励单元(3)输出阻抗，激励不同阻抗特性的压电单元(4)，用于检测不同的复合材料。
6.权利要求1所述的一种用于检测复合材料的脉冲超声-声发射激励方法，其特征是，脉冲触发单元(2)的触发脉冲VTTL(t)的频率调节范围为500Hz-10kHz，与不同特性的压电单元(4)匹配，用于不同复合材料零件的超声-声发射检测。
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