CN105445375B - 一种手持式超声导波结构损伤检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手持式超声导波结构损伤检测装置及其检测方法，包括用于夹持被检测工件的上夹持体和与之对应的下夹持体；上夹持体和下夹持体的夹持部分别由两个对呈半圆结构的上夹持部和下夹持部构成，沿上夹持部和下夹持部的内壁面分别对称贴合有柔性压电片；本装置还包括一个将耦合剂充盈至柔性压电片与被检测工件的耦合剂添加装置以及一个用于锁紧上夹持部和下夹持部的锁紧机构。本装置解决现今对大量现役金属绞线等圆柱形物件采用应力波检测方法进行检测时由于需要采用双组分胶粘剂将PZT压电陶瓷粘结而造成的检测效率低下的问题，从而实现快速检测金属绞线、塑料管道、圆棒等圆柱形被检测件，大幅度提高检测效率。

Description

一种手持式超声导波结构损伤检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及金属绞线损伤与塑料管道快速检测装置，尤其涉及一种手持式超声导波结构损伤检测装置及其检测方法。
背景技术
金属绞线作为有效承载部件越来被广泛应用于桥梁、港口、铁路、建筑等大型环境中，绞线结构健康监测已成为国内外研究热点。测量对象复杂化、测量条件极端化容易引发许多新型测量问题。一方面由于金属绞线结构制造水平提高、新型材料引入、结构出现新变化，大大地拓宽了它的使用范围，同时使得损伤形状也表现出多样性和复杂性，这对金属绞线结构损伤检测技术提出了更高的要求。目前金属绞线损伤检测方法可分为非应力波检测和应力波检测。应力波传播探测方式克服了非应力波方法面临的复杂媒质穿透等问题，适合长距离在役探测，逐渐成为近年来绞线结构损伤检测领域主要研究方向之一。应力波检测方法主要包括声发射法、超声波反射法和主动声发射法。
在对现役金属绞线采用应力波检测方法进行在役检测时，现今常用的方式需要将换能器固定于被测件上，以实现电信号-应力应变信号间的转化。而一般的固定方法是采用双组分胶粘剂将PZT压电陶瓷粘结，由于胶粘剂硬化需要一定的时间，因此该方法用于有大量检测目标的金属绞线在役检测时就显得非常低效了。
塑料管道在应用中体现的优越性,可以归纳总结为.耐腐蚀、接触无冷感、管材及配件的重量轻、安装容易、抗破碎能力强、绝缘性好、导热系数低、低熔点、分子量可调等。除了以上的这些特点外,塑料管道还具有一条非常重要的特点一低杨氏模量,正是因为这一点使得塑料管道在柔韧性方面表现突出,使其铺装方法比其它传统的金属管道可供选择的方法更多,而且在许多金属管道无法完成的工程上游刃有余。因此，塑料管道在国民生产生活中用途越来越广，用量越来越大。
在现有的对塑料管道进行缺陷检测方法中，采用应力波检测是一种重要的方法。但是当前采用应力波检测时所用到的压电陶瓷换能器的能量传递效率普遍不高，因此有必要采用更高效的换能器进行相关的检测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、检测精准、效率高的手持式超声导波结构损伤检测装置及其检测方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种手持式超声导波结构损伤检测装置，包括用于夹持被检测工件的上夹持体和与之对应的下夹持体；所述上夹持体和下夹持体的夹持部，分别由两个对称半圆结构的上夹持部1和下夹持部2构成，沿上夹持部1和下夹持部2的内壁面分别对称贴合有柔性压电片3；
所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个将耦合剂充盈至柔性压电片与被检测工件之间的耦合剂添加装置。
所述耦合剂添加装置包括设置在下夹持体上的耦合剂容器4、分布在上夹持部1和下夹持部2两侧的耦合剂喷嘴5、连接耦合剂喷嘴5与耦合剂容器4的管路6，所述耦合剂容器4上设置有耦合剂添加开关7，所述耦合剂喷嘴5上设有耦合剂的挤出导管8，挤出导管8的管口位于上夹持部1和下夹持部2的边缘，当推动耦合剂添加开关7时，挤出导管8将耦合剂充盈至柔性压电片3与被检测工件之间。
所述上夹持部1和下夹持部2与柔性压电片3之间分别增设有弹性缓冲层9。
所述耦合剂喷嘴5分为两组，每组四个，并均等分布在上夹持部1和下夹持部2的两侧。
所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个用于锁紧上夹持部和下夹持部的锁紧机构，该锁紧机构用于增强上夹持部1和下夹持部2相对于被检测工件的夹持力矩以及稳固性。
所述锁紧机构包括挂钩10、用于止挡挂钩10的活动挡块11、挂钩锁紧螺栓12、挂钩锁紧扳手13、连接活动挡块11的拉线14、设置在上夹持体上的拉线手柄15；
所述上夹持部1的端部设有供挂钩10穿过的开口，活动挡块11的止挡端设置在该开口的边缘，活动挡块11的定位端通过销轴活动安装在上夹持体的一侧，并与拉线14的一端连接，拉线14的另一端与拉线手柄15连接；
所述挂钩10通过挂钩锁紧螺栓12连接设在下夹持部2端部的挂钩锁紧扳手13，扳动该挂钩锁紧扳手13，可使挂钩10在所述开口内上下运动；
下压该拉线手柄15时，通过拉线14牵动活动挡块11与挂钩10之间的离/合；向上或者向下扳动挂钩锁紧扳手13时，通过挂钩锁紧螺栓12牵动挂钩10向上或者向下运动，实现与活动挡块11止挡端的锁紧/松开；当挂钩10与活动挡块11锁紧时，使上夹持部1和下夹持部2给被检测工件增加一个稳固的径向夹持力矩。
所述挂钩锁紧螺栓12的端部设有调节螺母16，用于固定挂钩10在挂钩锁紧螺栓12上的相对位置。
所述柔性压电片3通过信号传输线17连接外部的控制设备。
所述上夹持体和下夹持体之间设有扭转弹簧18，用于给上夹持体和下夹持体提供夹持力矩；所述拉线手柄15与上夹持体之间设有用于给拉线手柄15提供张力的弹簧19；所述被检测工件为金属绞线或塑料管道。
金属绞线或塑料管道损伤的快速检测方法如下：
在对金属绞线或塑料管道损伤的检测过程中，需要两个手持式超声导波结构损伤检测装置，其中一个用于发射应力波信号，另一个用于接收应力波信号；
在夹持待检测的金属绞线或塑料管道之前，先将储存在耦合剂容器4内的耦合剂，通过耦合剂添加开关7添加到柔性压电片3的表面；
将两个手持式超声导波结构损伤检测装置，通过上夹持部1和下夹持部2夹持在待检测的金属绞线或塑料管道上，并通过锁紧机构将上夹持部1和下夹持部2相对锁紧；待检测的金属绞线或塑料管道被包围在上夹持部1和下夹持部2内表面的柔性压电片3之间，由于夹持力的作用，使柔性压电片3沿金属绞线或塑料管道径向往外压缩，并且在弹性缓冲层9的张力作用下，三者受力平衡之后，增强被夹持的金属绞线或塑料管道与柔性压电片3之间的耦合与夹紧；
开始检测；检测源信号由控制设备通过信号传输线17导入其中一个作为发射应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置中，此时，柔性压电片3作为声电换能器，将应力波信号传给待检测的金属绞线或塑料管道检测工件，带有损伤信息的检测结果信号；此时，另外一个作为接收应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置，将该带有损伤信息的检测结果信号重新转换成电信号，并通过信号传输线17传回控制设备；完成一次检测流程。
本发明相对于现有技术，至少具有如下优点及效果：
本发明上夹持体和下夹持体的夹持部，分别由两个对称半圆结构的上夹持部1和下夹持部2构成，沿上夹持部1和下夹持部2的内壁面分别对称贴合有柔性压电片3；本发明还包括一个将耦合剂充盈至柔性压电片与被检测工件之间的耦合剂添加装置；这种结构技术手段简便易行，解决了现今对大量现役金属绞线等圆柱形物件采用应力波检测方法进行检测时，由于需要采用双组分胶粘剂将PZT压电陶瓷粘结而造成的检测效率低下的问题，从而实现快速检测金属绞线、塑料管道、圆棒等圆柱形被检测件，大幅度提高检测效率。
本发明上夹持部1、下夹持部2、柔性压电片3、弹性缓冲层及耦合剂等部件的有机结合，不仅提供了一种稳定可靠地手持式超声导波结构损伤检测装置，而且具有检测精准、快捷、便携等优点，克服了现有检测技术存在检测不方便、效率低、繁琐等缺陷，为金属绞线、塑料管道、圆棒等圆柱形等被检测工件提供了有效实用的检测工具。
本发明还具有一个用于锁紧上夹持部和下夹持部的锁紧机构，该锁紧机构用于增强上夹持部1和下夹持部2相对于被检测工件的夹持力矩以及稳固性。在实际由应用中，例如扭转弹簧5的弹力不足的时，使上夹持部1和下夹持部2自身夹持力不够，而影响检测效果时，可通过该锁紧机构增加上夹持部1和下夹持部2相对于被检测工件的夹持力，以提高检测的稳定性和准确性。具有结构简单、操作方便等优点。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明上夹持部和下夹持部局部结构放大示意图。
图3为本发明上夹持部和下夹持部局张开结构示意图。
图4为本发明上夹持部、下夹持部以及锁紧机构的结构示意图。
图5为本发明检测金属绞线时的状态示意图。
图6为本发明检测塑料管道的状态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至6所示。本发明公开了一种手持式超声导波结构损伤检测装置，包括用于夹持被检测工件的上夹持体和与之对应的下夹持体；所述上夹持体和下夹持体的夹持部，分别由两个对称半圆结构的上夹持部1和下夹持部2构成，沿上夹持部1和下夹持部2的内壁面分别对称贴合有柔性压电片3；
所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个将耦合剂充盈至柔性压电片3与被检测工件之间的耦合剂添加装置。耦合剂的作用是充盈柔性压电片3与被检测工件之间的空间，以提高柔性压电片3与被检测工件间的机电耦合系数，提高声电换能效率。耦合剂的种类根据被检测工件与柔性压电片3的种类选择。
所述耦合剂添加装置包括设置在下夹持体上的耦合剂容器4、分布在上夹持部1和下夹持部2两侧的耦合剂喷嘴5、连接耦合剂喷嘴5与耦合剂容器4的管路6，所述耦合剂容器4上设置有耦合剂添加开关7，所述耦合剂喷嘴5上设有耦合剂的挤出导管8，挤出导管8的管口位于上夹持部1和下夹持部2的边缘，当推动耦合剂添加开关7时，挤出导管8将耦合剂充盈至柔性压电片3与被检测工件之间。
所述上夹持部1和下夹持部2与柔性压电片3之间分别增设有弹性缓冲层9。弹性缓冲层9可采用硅胶或橡胶等具有一定弹性的材料制成，其作为柔性压电片3与被检测工件之间的缓冲，并对柔性压电片3施以压力，使装置工作时柔性压电片3能紧贴被检测工件。
所述耦合剂喷嘴5分为两组，每组四个，并均等分布在上夹持部1和下夹持部2的两侧。
所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个用于锁紧上夹持部和下夹持部的锁紧机构，锁紧机构的设置是为了防止在实际应用中，若上夹持部1和下夹持部2自身出现夹持力不够等现象，避免影响检测效果时，而增加的附属部件，用于增强上夹持部1和下夹持部2相对于被检测工件的夹持力矩以及稳固性。
所述锁紧机构包括挂钩10、用于止挡挂钩10的活动挡块11、挂钩锁紧螺栓12、挂钩锁紧扳手13、连接活动挡块11的拉线14、设置在上夹持体上的拉线手柄15；
所述上夹持部1的端部设有供挂钩10穿过的开口，活动挡块11的止挡端设置在该开口的边缘，活动挡块11的定位端通过销轴活动安装在上夹持体的一侧，并与拉线14的一端连接，拉线14的另一端与拉线手柄15连接；
所述挂钩10通过挂钩锁紧螺栓12连接设在下夹持部2端部的挂钩锁紧扳手13，扳动该挂钩锁紧扳手13，可使挂钩10在所述开口内上下运动；
下压该拉线手柄15时，通过拉线14牵动活动挡块11与挂钩10之间的离/合；向上或者向下扳动挂钩锁紧扳手13时，通过挂钩锁紧螺栓12牵动挂钩10向上或者向下运动，实现与活动挡块11止挡端的锁紧/松开；当挂钩10与活动挡块11锁紧时，使上夹持部1和下夹持部2给被检测工件增加一个稳固的径向夹持力矩。
所述挂钩锁紧螺栓12的端部设有调节螺母16，用于固定挂钩10在挂钩锁紧螺栓12上的相对位置。
所述柔性压电片3通过信号传输线17连接外部的控制设备。
所述上夹持体和下夹持体之间设有扭转弹簧18，用于给上夹持体和下夹持体提供夹持力矩；所述拉线手柄15与上夹持体之间设有用于给拉线手柄15提供张力的弹簧19；所述被检测工件为金属绞线或塑料管道。
本发明所述的柔性压电片3由柔性智能压电材料(如压电纤维复合材料MFC、聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜等)构成。推荐采用压电纤维复合材料MFC(macro fiber composite)，它是由美国航空航天局(NASA)Langley研究中心在1996年研制出的一种新型压电复合材料。它由叉指电极、环氧树脂结构体和压电陶瓷复合材料按照不同的连通方式、体积比和空间分布复合而成。这种复合材料兼具正逆压电效应,不但能够成倍地提高材料的某些压电性能,而且能够产生单一成分里没有的性能。MFC受电压激励后可以像肌肉一样自由收缩和扭曲，反之，受外力作用后可以产生相应电压，既可用作驱动器，也可用作力传感器。
金属绞线或塑料管道损伤的快速检测方法，可通过如下步骤实现：
在对金属绞线或塑料管道损伤的检测过程中，需要两个手持式超声导波结构损伤检测装置，其中一个用于发射应力波信号，另一个用于接收应力波信号；
在夹持待检测的金属绞线或塑料管道之前，先将储存在耦合剂容器4内的耦合剂，通过耦合剂添加开关7添加到柔性压电片3的表面；
将两个手持式超声导波结构损伤检测装置，通过上夹持部1和下夹持部2夹持在待检测的金属绞线或塑料管道上，并通过锁紧机构将上夹持部1和下夹持部2相对锁紧；待检测的金属绞线或塑料管道被包围在上夹持部1和下夹持部2内表面的柔性压电片3之间，由于夹持力的作用，使柔性压电片3沿金属绞线或塑料管道径向往外压缩，并且在弹性缓冲层9的张力作用下，三者受力平衡之后，增强被夹持的金属绞线或塑料管道与柔性压电片3之间的耦合与夹紧；
开始检测；检测源信号由控制设备通过信号传输线17导入其中一个作为发射应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置中，此时，柔性压电片3作为声电换能器，将应力波信号传给待检测的金属绞线或塑料管道检测工件，带有损伤信息的检测结果信号；此时，另外一个作为接收应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置，将该带有损伤信息的检测结果信号重新转换成电信号，并通过信号传输线17传回控制设备；完成一次检测流程。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，包括用于夹持被检测工件的上夹持体和与之对应的下夹持体；所述上夹持体和下夹持体的夹持部，分别由两个对称半圆结构的上夹持部（1）和下夹持部（2）构成，沿上夹持部（1）和下夹持部（2）的内壁面分别对称贴合有柔性压电片（3）；
所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个将耦合剂充盈至柔性压电片（3）与被检测工件之间的耦合剂添加装置；
所述耦合剂添加装置包括设置在下夹持体上的耦合剂容器（4）、分布在上夹持部（1）和下夹持部（2）两侧的耦合剂喷嘴（5）、连接耦合剂喷嘴（5）与耦合剂容器（4）的管路（6），所述耦合剂容器（4）上设置有耦合剂添加开关（7），所述耦合剂喷嘴（5）上设有耦合剂的挤出导管（8），挤出导管（8）的管口位于上夹持部（1）和下夹持部（2）的边缘，当推动耦合剂添加开关（7）时，挤出导管（8）将耦合剂充盈至柔性压电片（3）与被检测工件之间。
2.根据权利要求1所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述上夹持部（1）和下夹持部（2）与柔性压电片（3）之间分别增设有弹性缓冲层（9）。
3.根据权利要求2所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述耦合剂喷嘴（5）分为两组，每组四个，并均等分布在上夹持部（1）和下夹持部（2）的两侧。
4.根据权利要求3所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述手持式超声导波结构损伤检测装置，还包括一个用于锁紧上夹持部和下夹持部的锁紧机构，该锁紧机构用于增强上夹持部（1）和下夹持部（2）相对于被检测工件的夹持力矩以及稳固性。
5.根据权利要求4所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述锁紧机构包括挂钩（10）、用于止挡挂钩（10）的活动挡块（11）、挂钩锁紧螺栓（12）、挂钩锁紧扳手（13）、连接活动挡块（11）的拉线（14）、设置在上夹持体上的拉线手柄（15）；
所述上夹持部（1）的端部设有供挂钩（10）穿过的开口，活动挡块（11）的止挡端设置在该开口的边缘，活动挡块（11）的定位端通过销轴活动安装在上夹持体的一侧，并与拉线（14）的一端连接，拉线（14）的另一端与拉线手柄（15）连接；
所述挂钩（10）通过挂钩锁紧螺栓（12）连接设在下夹持部（2）端部的挂钩锁紧扳手（13），扳动该挂钩锁紧扳手（13），可使挂钩（10）在所述开口内上下运动；
下压该拉线手柄（15）时，通过拉线（14）牵动活动挡块（11）与挂钩（10）之间的离/合；向上或者向下扳动挂钩锁紧扳手（13）时，通过挂钩锁紧螺栓（12）牵动挂钩（10）向上或者向下运动，实现与活动挡块（11）止挡端的锁紧/松开；当挂钩（10）与活动挡块（11）锁紧时，使上夹持部（1）和下夹持部（2）给被检测工件增加一个稳固的径向夹持力矩。
6.根据权利要求5所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述挂钩锁紧螺栓（12）的端部设有调节螺母（16），用于固定挂钩（10）在挂钩锁紧螺栓（12）上的相对位置。
7.根据权利要求4所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，所述柔性压电片（3）通过信号传输线（17）连接外部的控制设备。
8.根据权利要求5所述手持式超声导波结构损伤检测装置，其特征在于，
所述上夹持体和下夹持体之间设有扭转弹簧（18），用于给上夹持体和下夹持体提供夹持力矩；所述拉线手柄（15）与上夹持体之间设有用于给拉线手柄（15）提供张力的弹簧（19）；所述被检测工件为金属绞线或塑料管道。
9.一种金属绞线或塑料管道损伤的快速检测方法，其特征在于采用权利要求2所述手持式超声导波结构损伤检测装置实现，其检测步骤如下：
在对金属绞线或塑料管道损伤的检测过程中，需要两个手持式超声导波结构损伤检测装置，其中一个用于发射应力波信号，另一个用于接收应力波信号；
在夹持待检测的金属绞线或塑料管道之前，先将储存在耦合剂容器（4）内的耦合剂，通过耦合剂添加开关（7）添加到柔性压电片（3）的表面；
将两个手持式超声导波结构损伤检测装置，通过上夹持部（1）和下夹持部（2）夹持在待检测的金属绞线或塑料管道上，并通过锁紧机构将上夹持部（1）和下夹持部（2）相对锁紧；待检测的金属绞线或塑料管道被包围在上夹持部（1）和下夹持部（2）内表面的柔性压电片（3）之间，由于夹持力的作用，使柔性压电片（3）沿金属绞线或塑料管道径向往外压缩，并且在弹性缓冲层（9）的张力作用下，三者受力平衡之后，增强被夹持的金属绞线或塑料管道与柔性压电片（3）之间的耦合与夹紧；
开始检测；检测源信号由控制设备通过信号传输线（17）导入其中一个作为发射应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置中，此时，柔性压电片（3）作为声电换能器，将应力波信号传给待检测的金属绞线或塑料管道检测工件，带有损伤信息的检测结果信号；此时，另外一个作为接收应力波信号的手持式超声导波结构损伤检测装置，将该带有损伤信息的检测结果信号重新转换成电信号，并通过信号传输线（17）传回控制设备；完成一次检测流程。
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