CN104407049B - 一种微裂纹无损检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微裂纹无损检测系统及其检测方法。本发明的微裂纹无损检测系统包括信号发生器、低频激振器、高频激励器、被测构件、压电传感器、前置放大器、信号采集分析系统；所述信号发生器通过低频激振器和高频激励器与被测构件电连接，所述压电传感器通过粘接剂固定在被测构件上，所述信号采集分析系统通过前置放大器与压电传感器电连接；所述信号发生器能同时输出两路不同频率的简谐激励信号。本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，根据得到的响应谱中边频数量和幅值，直接判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度，不需要经过复杂的信号处理，使用方便，检测灵敏，检测效率高。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于多频简谐激励下非线性调制响应效应的微裂纹无损检测系统及其检测方法。
背景技术
疲劳裂纹是结构损伤的主要方式之一，发展实时可靠的结构疲劳裂纹早期无损检测方法，以避免由于疲劳裂纹而引发的事故，具有重要意义。目前国内外学者已提出了很多结构裂纹无损检测方法，如声发射法，电涡流法，基于振动法和超声检测技术。
超声波作为一种重要的无损检测方法，当其在结构中传播时，引起材料本身的振动，被测材料的不连续性或不均匀性会改变超声波传播的属性，因此通过检测超声波在传播过程中的变化可以检测其传播路径上的结构损伤。工程上应用的超声检测技术大多是基于线性原理的，即当超声波遇到损伤时，发生反射、折射或者散射，通过检测这些信号幅值或相位的线性变化来检测损伤。当损伤尺寸较小或为闭合裂纹时，这些线性参数的变化不明显，因此常规线性超声方法无法可靠地检测这些缺陷。大量的理论分析和试验研究表明，即使是非常小的损伤也会导致结构出现强烈的非线性，因此对微小损伤，非线性超声方法比线性方法具有更高的检测灵敏度。而对闭合裂纹，通过外加激励改变裂纹交界面的接触状态，可以显著提高超声检测的灵敏度。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于多频简谐激励下非线性调制响应效应的微裂纹无损检测系统。
本发明的微裂纹无损检测系统，它包括信号发生器、低频激振器、高频激励器、被测构件、压电传感器、前置放大器、信号采集分析系统；所述信号发生器通过低频激振器和高频激励器与被测构件电连接，所述压电传感器通过粘接剂固定在被测构件上，所述信号采集分析系统通过前置放大器与压电传感器电连接；所述信号发生器能同时输出两路不同频率的简谐激励信号。
具体的，所述信号采集分析系统包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。
具体的，所述信号采集分析系统的通道数目为一个及以上。
本发明的目的之二在于提供基于上述微裂纹无损检测系统的检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)被测构件重点待检测部位的确定：根据被测构件的结构及生产实践中的经验累积、生产技术人员的观察以及理论分析，确定被测构件的重点待检测部位；
(2)信号发生器输出激励信号频率的确定：根据被测构件的材料、体积大小、形状特性估算被测构件的固有频率范围，根据这个频率范围选择合适的输出激励信号频率；高频输出激励信号选择超过20kHz的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近固有频率，并且使两个激励信号频率的差或和值等于被测构件固有频率的倍数；
(3)压电传感器类型和布置方式的确定：根据信号发生器输出激励信号频率确定压电传感器需要监测的频率范围，根据这个范围选择合适的压电传感器；根据被测构件重点待检测部位和激励点的位置估计被测构件激励响应最大的部位，选为压电传感器的布置位置；
(4)利用信号发生器产生两组根据步骤(2)方法确定的低频和高频激励信号，经功率放大后分别输入到低频激振器和高频激励器上，并将低频激振器和高频激励器布置在被测构件重点待检测部位附近，对被测构件施加低频和高频激励；
(5)压电传感器采集被测构件中的振动信号，经前置放大器放大后传送至信号分析处理系统；
(6)信号分析处理系统接收信号，并对信号进行分析处理，根据得到的响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，直接判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。
本发明的基本原理为：向被测构件同时输入高频(fh)超声波和低频(fl)振动信号，如果被测构件中无损伤存在，则输出响应信号为两个激励信号的线性叠加；反之，如果存在结构损伤，则两个激励信号产生非线性调制响应效应，即高频超声波被低频振动信号调制。在响应频域中，这种调制表现为在超声频率的两侧出现包含振动频率分量的边频带(fh±nfl，n＝1，2，…)，且边频的幅值和数量与裂纹大小直接相关，故可以通过测量响应谱中的边频数量和幅值来直接判断结构中是否存在裂纹以及裂纹的大小。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，通过外加激励改变裂纹交界面的接触状态，可以显著提高超声检测的灵敏度，克服了常规线性超声方法对微小裂纹及闭合裂纹不敏感的不足。
(2)本发明方法根据得到的响应谱中边频数量和幅值，直接判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度，不需要经过复杂的信号处理，使用方便，检测效率高。
附图说明
图1为本发明微裂纹无损检测系统的连接框图。
图2为本发明微裂纹无损检测系统的原理结构示意图。
图3为本发明微裂纹无损检测方法的流程框图。
图4为本发明实施例梁类结构裂纹缺陷的微裂纹无损检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。参见图1，本发明微裂纹无损检测系统包括信号发生器1、低频激振器2、高频激励器3、被测构件4、压电传感器5、前置放大器6、信号采集分析系统7；信号发生器1通过低频激振器2和高频激励器3与被测构件4电连接，压电传感器5通过粘接剂固定在被测构件4上，信号采集分析系统7通过前置放大器6与压电传感器5电连接；信号发生器1能同时输出两路不同频率的简谐激励信号。信号采集分析系统7包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。上述元器件均为现有技术，在此不再详述。根据实际需要，信号采集分析系统7的通道数目为一个及以上。图2所示是本发明微裂纹无损检测系统的原理结构示意图，图2中，8表示被测构件的微裂纹。
信号发生器1同时能输出两路不同频率的简谐激励信号，高频输出激励信号选择超过20kHz的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近固有频率，并且使两个激励信号频率的差或和值等于构件固有频率的倍数。压电传感器5根据被测构件4待检测部位的几何形状、体积大小等确定传感器的布置方式。压电传感器5采集被测构件4中的振动信号，经前置放大器6放大后传送至信号分析处理系统7；信号分析处理系统7接收信号，并对信号进行分析处理，根据得到的响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，判断被测构件4是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。
参见图2，本发明基于上述微裂纹无损检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)被测构件重点待检测部位的确定：如图2中所示的被测构件，根据理论和实际经验可知，裂纹一般出现在应力较大区域，故选择构件受应力最大的区域为重点检测区域；
(2)信号发生器输出激励信号频率的确定：高频输出激励信号选择超过20KHz的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近该该被测构件的固有频率，并且使两个激励信号频率的差或和值等于该裂纹梁固有频率的倍数；
(3)传感器类型和布置方式的确定：根据信号发生器输出激励信号频率确定传感器需要检测的频率范围，选择合适的传感器；如图2所示，高频和低频激励器布置在可能裂纹区域的左边，因此传感器应布置在可能裂纹区域的右边，以便采集经由裂纹的调制信号；
(4)利用信号发生器输出高频和低频激励信号，分别驱动低频激振器和高频超声激励器对被测构件施加低频和高频激振力；
(5)压电传感器采集被测构件中的振动信号，经前置放大器放大后传送至信号采集分析系统；
(6)信号采集分析系统对采集到的信号进行分析处理(FFT变换)，得到被测构件在多频简谐激励下的响应谱，根据响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。图4所示为微裂纹无损检测结果图。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种闭合微裂纹无损检测系统，其特征在于：所述检测系统由信号发生器、低频激振器、高频激励器、被测构件、压电传感器、前置放大器和信号采集分析系统组成；
所述信号发生器通过低频激振器和高频激励器与被测构件电连接，所述信号采集分析系统通过前置放大器与压电传感器电连接，其中：
所述信号发生器同时输出两路不同频率的简谐激励信号以实现向被测构件同时施加低频和高频激振力，高频输出激励信号为大于20kHz的超声波信号，低频输出激励信号频率为接近被测构件的固有频率信号，且高、低激励信号频率的差或和值等于被测构件固有频率的倍数；
所述压电传感器通过粘结剂固定在被测构件上且位于被测构件激励响应最大的部位，以采集被测构件中的振动信号，经前置放大器放大所得信号后传送至信号分析处理系统；
所述信号分析处理系统经前置放大器接收压电传感器获得的振动信号；并将采集的信号进行FFT变换分析处理，根据所得响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，判断被测构件是否存在裂纹及微裂纹损伤的程度。
2.根据权利要求1所述的微裂纹无损检测系统，其特征在于：所述信号采集分析系统包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。
3.根据权利要求2所述的微裂纹无损检测系统，其特征在于：所述信号采集分析系统的通道数量为一个及以上。
4.一种微裂纹检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的系统并经如下步骤进行检测：
(1)被测构件重点待检测部位的确定：根据被测构件的结构及生产实践中的经验累积、生产技术人员的观察以及理论分析，确定被测构件的重点待检测部位；
(2)信号发生器输出激励信号频率的确定：根据被测构件的材料、提及大小、形状特性估算被测构件的固有频率范围，根据这个频率范围选择合适的输出激励信号频率；高频输出激励信号选择超过20kHz的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近固有频率，并且使两个激励信号频率的差或和值等于被测构件固有频率的倍数；
(3)压电传感器类型和布置方式的确认：根据信号发生器输出激励信号频率确定压电传感器需要检测的频率范围，根据这个范围选择合适的压电传感器；根据被测构件重点待检测部位和激励点的位置估计被测构件激励响应最大的部位，选为压电传感器的布置位置；
(4)利用信号发生器产生两组根据步骤(2)方法确定的低频和高频激励信号，经功率放大后分别输入到低频激振器和高频激励器上，并将低频激振器和高频激励器布置在被测构件重点待检测部位附近，对被测构件施加低频和高频激励；
(5)压电传感器采集被测构件中的振动信号，经前置放大器方法后传送至信号分析处理系统；
(6)信号分析处理系统结构信号，并对信号进行分析处理，根据得到的响应谱中高频超声频率联测的边频数量和幅值，直接判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。
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