CN105911140A - 一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置，由金属支座、限位卡座、橡胶垫、弹力弹簧、传感器专用螺丝组成，所述的限位卡座周围涂抹专用耦合剂并嵌入金属支座内，传感器嵌入限位卡座内，在传感器与金属支座的盖身之间放入橡胶垫和弹力弹簧；所述的金属支座、限位卡座、弹力弹簧、橡胶垫依次按顺序安装，并保持同心及平行；限位卡座与金属支座接触部分填充耦合剂，传感器与限位卡座接触部分填充耦合剂；所述的传感器专用螺丝与传感器固定一体，且传感器专用螺丝端头打磨成圆弧形；本发明的有益效果为：通过减少传感器与测试面的接触面积，从而降低传感器拾取弹性波时传感器产生的相位差干扰，提高对冲击回波的拾取精度。

Description

一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置

技术领域

本发明属于机械、土木、冶金等检测和测试技术领域，尤其涉及一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置。

背景技术

在对振动、波动的测试中，由传感器拾取被测结构振动信号是目前最为主流的方式。其中，传感系统(包括传感器、耦合方式)对测试信号有着直接的影响。

1)传感器的主要特性

传感器的主要指标有质量、灵敏度、频响范围、固有频率、横向灵敏度、温度范围以及抗冲击性等指标。其中，比较重要的有：

(1)传感器的质量：如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减和频率的下降。但是，传感器的质量与灵敏度往往成正比，因此，在满足灵敏度的条件下，应尽量选用质量小的传感器；

(2)灵敏度：对于测试信号而言，当然是灵敏度越高越好。但灵敏度高的传感器一般质量大、频响范围窄；

(3)频响范围：一般指频响特性曲线中平坦的部分(如图2所示)，对于频率在该范围中的振动信号，传感器的输入值与振动幅值的比例一定。一般来说，共振频率越高的传感器，频响范围越宽，但灵敏度也越低。

2)传感器的主要耦合方式

传感器的固定大致可分为：

(1)压着式：采用人工或机械的方式将传感器压在测试对象的表面上(磁性卡座、探针也属于该类)，该方法的测试效率最高；

(2)紧固式：采用螺栓或者热熔胶将传感器与测试对象联成一体，该方法结合最紧密，但作业性、测试效率最差；

(3)粘结式：采用双面胶纸或者耦合剂(硅油、凡士林等)将传感器粘接在测试对象上，其作业性、测试效率介于压着式和紧固式之间。

下表为几种固定方法(螺栓、磁性卡座、双面胶和探针)对频响曲线的影响：

表-1不同固定方法对测试的影响

综上所述，各类固定方式均有明显的缺点，特别是对于交通、铁道、水利等大体积混凝土结构进行动力检测和测试时，有以下特点：

(1)测试对象面积大，对测试效率有较高要求；

(2)被测体一般无磁性；

(3)被测体表面一般比较粗糙、不少场合中还有水分等；

(4)在弹性波测试时，测试信号的频率较高，一般在数KHz以上。

因此，对于这类被测体，上述螺栓、磁性卡座、弱力粘结以及探针式均不适用，而强力粘结式在被测体表面有水分时也难以适用。因此，按压式成为最理想的固定方式。

按压式又可以分为以下两类：

(1)测试人员直接用手将传感器按压在被测体的表面上；

(2)测试人员通过传感器支座等装置将传感器按压在被测体的表面上；

其中，直接按压的方式最为简单，但存在按压力度影响、以及传感器接触状态不易保障等缺点。另一方面，采用传感器支座的方法，支座的设计对测试系统的频响特性有较大的影响。

3)传感器固定方式的其他要求

为了得到理想的测试信号，传感器的固定方式还要注意以下几点：

(1)传感器与被测对象之间要密切接触；

(2)传感器在拾振过程中，要保证其轴线与粒子的振动方向一致(如图3)，而不能有晃动(图4)；

4)传感器接触面积与拾取弹性波信号的关系

激振装置在激振时，会产生各种成分的波，其中表面波是其中非常重要的成分。当采用冲击回波法测试时(如图1)，希望测试的对象是结构底部反射信号。但实际上，测试得到的信号中，还包含激发的表面波的成分(如图5)。

当表面波的波长较长，而传感器的接触直径较小时，传感器的各个部分接收到的表面波的相位几乎一致，因此传感器的振动模式为图3。而当表面波的波长较短时，传感器不同部位拾取的信号则会存在一个相位差，传感器的振动模态容易变成不稳定的模态(图4)。此时，该相位差使得测试信号失真，从而造成误差。

表面波的波长可表示为：

其中，λ为表面波波长；

V为表面波波速；

f为表面波频率；

若表面波在混凝土中传播速度2Km/s，若表面波的频率为20KHz，那么可算出

λ＝100mm (数-2)

而当传感器拾振面的直径D＝10.0mm时，在拾取该表面波时，传感器不同位置的最大相位差可按下式计算：

由此可见，36°的相位差会对传感器信号的拾取造成不可忽视的干扰。

要减小传感器在拾取信号时相位差对测试信号的影响，则需要更换更小的传感器或者减小传感器与测试面的接触面积，但会导致以下两种情况：

(1)因传感器的灵敏度与传感器质量成正比，当更换更小的传感器时，传感器灵敏度也会随之降低；

(2)减小传感器与测试面的接触面积，则会使得耦合性以及传感器的稳定性降低，不利于接收有效的测试信号。

(3)减小传感器与测试面的接触面积，还有可能造成接触压力过大，进而影响测试体系的固有频率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置，保证传感器灵敏度、与测试面接触的稳固性以及不增加接触压力的前提下，通过减小传感器与测试面的接触面积，隔离外界振动对传感器的干扰，以及克服压着式手按力度不均对测试信号的影响。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，由金属支座、限位卡座、橡胶垫、弹力弹簧、传感器专用螺丝组成，所述的限位卡座周围涂抹专用耦合剂并嵌入金属支座内，传感器嵌入限位卡座内，在传感器与金属支座的盖身之间放入橡胶垫和弹力弹簧；所述的金属支座柱身和盖身利用螺纹衔接；所述的金属支座、限位卡座、弹力弹簧、橡胶垫依次按顺序安装，并保持同心及平行；限位卡座与金属支座接触部分填充耦合剂，传感器与限位卡座接触部分填充耦合剂；所述的传感器专用螺丝与传感器固定一体，且传感器专用螺丝端头打磨成圆弧形。

作为优选，所述的金属支座由不锈钢制成，其中支座头套为空心圆柱结构，底部设有支座盖身，支座头套的柱身底部设有螺纹接口，并衔接支座盖身；支座盖身底部设有作为传感器与电荷电缆连接线通道的第一小孔，支座头套顶部设有作为传感器专用螺丝露出的第二小孔。

作为优选，所述的弹力弹簧和橡胶垫置于限位卡座内，弹力弹簧两端分别顶住金属支座的支座盖身和橡胶垫，橡胶垫与传感器相接触，传感器与金属支座的支座头套柱身接触并将传感器专用螺丝由第二小孔露出金属支座外面。

作为优选，所述的限位卡座的结构为环形构件状。

本发明的有益效果为：

1)、在不减小传感器与被测物接触刚性的前提下能够增加传感器与传感器耦合装置的接触粘性，减小动态误差，提高抗振动和抗冲击力的能力；

2)、金属支座顶部圆形面积大于传感器本身，通过手按装置可以较稳固的将装置紧贴于测试面，且当装置按压于测试面时，在横向上传感器与金属支座隔离，只与限位卡座接触，避免了金属支座横向振动的干扰；

3)、传感器专用螺丝的长度限制了其露出金属支座的距离，加上固定弹力的弹力弹簧和橡胶垫提供稳定的传感器按压力度，避免了手按过程中因力度变换、抖动等引起的传感器自身输出信号；

4)、传感器专用螺丝顶部打磨成圆弧形，使传感器与测试面成为点接触，减小了传感器拾取弹性波时产生的相位差干扰。

附图说明

图1是冲击弹性波检测基本测试原理图；

图2是传感器频响特性曲线图；

图3是无相位差时传感器的振动模态图；

图4是有相位差时传感器的振动模态图；

图5是测试表面波的示意图；

图6是表面波通过本发明相位差减小示意图；

图7是本发明的弹性波拾取装置和传感器结构图；

图8是通常的手按方式，针对混凝土标准试块的测试结果图；

图9是采用本发明针对混凝土标准试块的测试结果图。

附图中的标号分别为：1、金属支座；2、限位卡座；3、橡胶垫；4、弹力弹簧；5、传感器专用螺丝；6、传感器；11、支座头套；12、支座盖身；13、螺纹接口；14、第一小孔；15、第二小孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图7所示，本发明由金属支座1、限位卡座2、橡胶垫3、弹力弹簧4、传感器专用螺丝5组成，所述的限位卡座2周围涂抹专用耦合剂并嵌入金属支座1内，传感器6嵌入限位卡座2内，在传感器6与金属支座1的盖身之间放入橡胶垫3和弹力弹簧4；所述的金属支座1柱身和盖身利用螺纹衔接；所述的金属支座1、限位卡座2、弹力弹簧4、橡胶垫3依次按顺序安装，并保持同心及平行；限位卡座2与金属支座1接触部分填充耦合剂，传感器6与限位卡座2接触部分填充耦合剂，增加传感器6与传感器耦合装置的接触粘性；所述的传感器专用螺丝5由不锈钢材质构成并与传感器6固定一体，且传感器专用螺丝5端头打磨成圆弧形，其作用为使传感器6与测试面成为点接触，减小传感器拾取弹性波时产生的相位差干扰(如附图6所示)；例如，若将接触直径缩减为1mm，对于波长为100mm的表面波，其最大相位差即可缩减为3.6°，从而大大减少相位差对测试结果的影响。

所述的金属支座1由不锈钢制成，其中支座头套11为空心圆柱结构，底部设有支座盖身12，支座头套11的柱身底部设有螺纹接口13，并衔接支座盖身12以及起到限制弹力弹簧4的压缩长度的作用；支座盖身12底部设有作为传感器与电荷电缆连接线通道的第一小孔14，支座头套11顶部设有作为传感器专用螺丝露出的第二小孔15。

所述的弹力弹簧4和橡胶垫3置于限位卡座2内，弹力弹簧4两端分别顶住金属支座1的支座盖身12和橡胶垫3，橡胶垫3与传感器6相接触，传感器6与金属支座1的支座头套11柱身接触并将传感器专用螺丝5由第二小孔15露出金属支座1外面；其作用为可以较稳固的将传感器6紧贴于测试面，同时，在横向上与传感器6隔离，从而避免了金属支座1横向振动的干扰；使用弹力弹簧4和橡胶垫3提供稳定的传感器按压力度，避免了手按过程中因力度变换、抖动等引起的传感器自身输出信号。

所述的限位卡座2由聚四氟乙烯等同时具备刚性和润滑性的材料制成的环形构件，并在周围涂抹专用耦合剂。限位卡座2起到如下作用：

(1)对传感器提供侧向阻尼；

(2)对传感器的侧向位移加以限制；

(3)承担部分压力，减少螺丝面的压强；

(4)隔离传感器与金属支座，消除手按金属支座时的外界振动干扰。

利用本发明进行振动/波动测试的步骤如下：

一、限位卡座2周围涂抹专用耦合剂并嵌入金属支座1，将传感器6嵌入限位卡座2内，在传感器6与金属支座1盖身之间放入橡胶垫3和弹力弹簧4，传感器专用螺丝5端头打磨成圆弧形，金属支座1柱身和盖身利用螺纹衔接；金属支座1上下面各开一个小孔，用于传感器专用螺丝5的露出和传感器连接线的伸出通道；

二、用手将装置按压于测试面，保持传感器支座底座与被测体接触即可，无需施加大的外力；

三、利用激振锤在传感器6旁边敲击，产生振动，收取弹性波信号。

我们利用一标准混凝土试块(正方体，150×150×150mm)，采用冲击回波法的频谱分析对本发明的效果进行了展示。图8、图9分别为普通手按和本发明的频谱分析结果。

1、手按无支座无专用螺丝时，频谱反射时刻能量不够集中，测试效果一般(如附图8)；

2、本发明的专用支座加专用螺丝，能提供稳定可靠地耦合力度和阻尼，传感器与测试面接触面积小，拾取信号的相位差干扰小，频谱反射时刻能量集中，测试效果好(如附图9)。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种减小相位差干扰的弹性波拾取装置，由金属支座(1)、限位卡座(2)、橡胶垫(3)、弹力弹簧(4)、传感器专用螺丝(5)组成，其特征在于：所述的限位卡座(2)周围涂抹专用耦合剂并嵌入金属支座(1)内，传感器(6)嵌入限位卡座(2)内，在传感器(6)与金属支座(1)的盖身之间放入橡胶垫(3)和弹力弹簧(4)；所述的金属支座(1)柱身和盖身利用螺纹衔接；所述的金属支座(1)、限位卡座(2)、弹力弹簧(4)、橡胶垫(3)依次按顺序安装，并保持同心及平行；限位卡座(2)与金属支座(1)接触部分填充耦合剂，传感器(6)与限位卡座(2)接触部分填充耦合剂；所述的传感器专用螺丝(5)与传感器(6)固定一体，且传感器专用螺丝(5)端头打磨成圆弧形。

2.根据权利要求1所述的减小相位差干扰的弹性波拾取装置，其特征在于：所述的金属支座(1)由不锈钢制成，其中支座头套(11)为空心圆柱结构，底部设有支座盖身(12)，支座头套(11)的柱身底部设有螺纹接口(13)，并衔接支座盖身(12)；支座盖身(12)底部设有作为传感器与电荷电缆连接线通道的第一小孔(14)，支座头套(11)顶部设有作为传感器专用螺丝露出的第二小孔(15)。

3.根据权利要求1所述的减小相位差干扰的弹性波拾取装置，其特征在于：所述的弹力弹簧(4)和橡胶垫(3)置于限位卡座(2)内，弹力弹簧(4)两端分别顶住金属支座(1)的支座盖身(12)和橡胶垫(3)，橡胶垫(3)与传感器(6)相接触，传感器(6)与金属支座(1)的支座头套(11)柱身接触并将传感器专用螺丝(5)由第二小孔(15)露出金属支座(1)外面。

4.根据权利要求1所述的减小相位差干扰的弹性波拾取装置，其特征在于：所述的限位卡座(2)的结构为环形构件状。