CN107505355A - 一维球形颗粒链非线性孤波传感器 - Google Patents

一维球形颗粒链非线性孤波传感器 Download PDF

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吴斌
李明智
王鹤萤
肖婷
刘秀成
何存富
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Abstract

本发明公开了一维球形颗粒链式非线性孤波检测传感器，可实现非线性孤波的稳定激发和检测，用于材料或结构的无损检测。冲击颗粒由电磁阀控制从固定高度以自由落体方式冲击一维球形颗粒链，以形成沿一维球形颗粒链传播的非线性孤波，传播至观察颗粒时，孤波产生的位移将被内嵌于观察颗粒的压电材料感知并以电压形式输出，称作入射孤波；当非线性孤波传播至一维球形颗粒链末端颗粒与待测材料或结构的界面时将产生反射，再次进入一维球形颗粒链，传播过程中再次被观察颗粒中的压电材料检测到，输出的电压信号称作反射孤波。利用反射孤波和入射孤波的飞行时间差或幅值比，可以对待测材料或结构的刚度或损伤进行无损评价。

Description

一维球形颗粒链非线性孤波传感器
技术领域
本发明涉及一种一维球形颗粒链式非线性孤波检测传感器，属于无损检测技术领域，其作用是通过冲击颗粒的撞击，在一维球形颗粒链中产生非线性孤波，利用观察颗粒中的压电材料记录的入射和反射孤波信号，对待测材料或结构进行无损评价。
背景技术
多层板粘接结构在航空航天高端装备中广泛使用，当结构内部存在损伤或层间出现脱粘时，材料的局部属性(如密度、刚度等)将发生变化。目前能够针对多层板粘接结构中损伤或层间脱粘的通用无损检测方法主要是超声法。一般采用压电超声换能器激发超声，并需使用耦合剂。压电超声换能器的激励源一般包括精密、复杂的信号发生器和放大电路等，接收的超声波反射信号一般幅值低，易受噪声干扰而影响局部损伤或脱粘检测效果。
为实现一种激励方式简单、接收信号幅值高的局部损伤和脱粘检测方法，本发明提供了一种一维球形颗粒链式非线性孤波检测传感器，只需采用冲击颗粒冲击一维球形颗粒链，即可在颗粒链中形成高能量的非线性孤波，与被测试件表面作用后，反射回颗粒链中的非线性孤波信号可以用于表征局部损伤和脱粘程度。该方法操作简单，无需激励电路，观察颗粒中压电材料接收的信号幅值高，便于实际现场检测。
发明内容
本发明的目的是研制一款适用于板结构的一维球形颗粒链式非线性孤波检测传感器，有效激励和接收非线性孤波检测信号。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为包含了如下部件：冲击颗粒1、球形颗粒链2、观察颗粒3、底座5、支架6、卡具7、不锈钢角码8、电磁阀9、导杆10。一维球形颗粒链非线性孤波传感器，该传感器包括冲击颗粒1、球形颗粒链2、观察颗粒3、底座5、支架6、卡具7、不锈钢角码8、电磁阀9和导杆10。一维球形颗粒链为核心部件，该核心部件由冲击颗粒1、球形颗粒链2与观察颗粒3组成。观察颗粒3作为检测与记录孤波信号的结构，由两个半球16与一个压电片18组成。如图3所示，导线15通过焊点19焊接到压电片18上，压电片18通过环氧树脂粘接到两个半球16中间。利用螺栓紧固支架6与底座5；同时利用不锈钢角码8将两对卡具7连接在支架6上；电磁阀9通过末端螺纹与支架6连接。四根导杆10插入卡具7的方形槽14与底座5的沉孔12中；沉孔12支撑导杆10、方形槽14限制导杆的位移与旋转；当四根导杆10中心放入球形颗粒链2时，通过螺纹孔13，利用螺栓调节4根导杆10的位置，能够保证球形颗粒链2中颗粒自由移动。
传感器的整体装配图如图1所示，观察颗粒的结构示意图如图3所示。
一维球形颗粒链非线性孤波无损评价方法，冲击颗粒1由电磁阀9控制从固定高度处以自由落体方式冲击冲击颗粒1下方的一维球形颗粒链2，以此冲击过程形成沿一维球形颗粒链2中传播的非线性孤波，传播至观察颗粒3时，非线性孤波产生的位移将被内嵌于观察颗粒3中的压电材料18感知并以电压形式输出，称作入射孤波；当非线性孤波传播至一维球形颗粒链2的末端颗粒与待测材料或结构4的界面时将产生反射，再次进入一维球形颗粒链2，传播过程中再次被观察颗粒3中的压电材料18检测到，输出的电压信号称作反射孤波；利用反射孤波和入射孤波的飞行时间差或幅值比，对待测材料或结构4的刚度或损伤进行无损评价。
四根导杆10贯穿卡具7的方形槽14并固定于底座5的沉孔12中；四根导杆10围束的通道内放置由多颗等直径实心球构成的一维球形颗粒链2，一维球形颗粒链2与导杆间的接触力可通过调节螺栓在螺纹孔13的位置进行细微调整；底座5中的通孔11直径小于一维球形颗粒链中颗粒球直径，以使末端颗粒不从通道滑出而与待测材料或结构4表面接触。
压电材料18通过环氧树脂夹装于两个半球颗粒16之间，两个半球颗粒16球心处加工凹槽，以便于压电材料18正反面的电极引线15焊接，电极引线外延至观察颗粒3外，与电压采集装置相连接。
支架6与底座5通过螺栓紧固，卡具7通过不锈钢角码8与支架6相连接，电磁阀9通过末端螺纹与支架6连接；电磁阀9由供电直流电源的通断控制，断电时冲击颗粒1释放。
本发明以一维球形颗粒链为核心，制作出非线性孤波传感器，该传感器具有信号能量高、衰减小且信号不頻散等优点，完全可以满足实验要求。
附图说明
图1一维球形颗粒链非线性孤波传感器示意图
图2卡具、底座示意图
图3观察颗粒示意图
图4典型非线性孤波信号示意图
具体实施方式
如图1所示，一维球形颗粒链非线性孤波传感器，该传感器包括冲击颗粒1、球形颗粒链2、观察颗粒3、底座5、支架6、卡具7、不锈钢角码8、电磁阀9、和导杆10等。其中的核心部件——一维球形颗粒链为核心部件，该核心部件由冲击颗粒1、球形颗粒链2与观察颗粒3组成。观察颗粒3作为检测与记录孤波信号的结构，由两个半球16与一个压电片 18组成。如图3所示，导线15通过焊点19焊接到压电片18上，压电片18通过环氧树脂粘接到两个半球16中间。利用螺栓紧固支架6与底座5；同时利用不锈钢角码8将两对卡具7 连接与在支架6上连接；电磁阀9通过末端螺纹与支架6连接。四根导杆10插入卡具(7) 的方形槽14与底座5的沉孔12中；沉孔12支撑导杆10、方形槽14限制导杆的位移与旋转；当四根导杆10中心放入球形颗粒链2时，通过螺纹孔13，利用螺栓调节4根导杆10的位置，能够保证球形颗粒链2中颗粒可以自由移动；。
实验中，底座5中设有通孔11，通孔11可以使球形颗粒链2底端颗粒部分通过，保证球形颗粒链2与待测材料4接触；实验后，通孔11可以保证传感器离开待测材料4后，球形颗粒链2不发生掉落。将电磁阀9与电源接通，通过控制电流通断，控制冲击颗粒1的释放，保证每次实验中冲击颗粒1的提离距离一致。
使用传感器时，将传感器放于待测板试样上，保证一维球形颗粒链底端颗粒与待测试样接触。实验前，将电磁阀与供电电源相连，将观察颗粒中压电材料的正、负极输出与示波器采集端口相连，以记录非线性孤波检测信号。对电磁阀供电，以释放冲击颗粒，撞击一维球形颗粒链，以形成非线性孤波并沿颗粒链传播。非线性孤波传播至颗粒链末端颗粒与待测试样的接触界面时将发生反射，再次进入颗粒链形成反射孤波。观察颗粒记录的典型的入射和反射非线性孤波信号如图4所示。利用入射孤波与反射孤波的飞行时间差与幅值比，可以对待测板试样中是否存在损伤或脱粘等进行评估。

Claims (6)

1.一维球形颗粒链非线性孤波传感器，其特征在于：该传感器包括冲击颗粒(1)、球形颗粒链(2)、观察颗粒(3)、底座(5)、支架(6)、卡具(7)、不锈钢角码(8)、电磁阀(9)和导杆(10)；一维球形颗粒链为核心部件，该核心部件由冲击颗粒(1)、球形颗粒链(2)与观察颗粒(3)组成；观察颗粒(3)作为检测与记录孤波信号的结构，由两个半球(16)与一个压电片(18)组成；导线(15)通过焊点(19)焊接到压电片(18)上，压电片(18)通过环氧树脂粘接到两个半球(16)中间；利用螺栓紧固支架(6)与底座(5)；同时利用不锈钢角码(8)将两对卡具(7)连接在支架(6)上；电磁阀(9)通过末端螺纹与支架(6)连接；四根导杆(10)插入卡具(7)的方形槽(14)与底座(5)的沉孔(12)中；沉孔(12)支撑导杆(10)、方形槽(14)限制导杆的位移与旋转；当四根导杆(10)中心放入球形颗粒链(2)时，通过螺纹孔(13)，利用螺栓调节4根导杆(10)的位置，能够保证球形颗粒链(2)中颗粒自由移动。
2.根据权利要求1所述的一维球形颗粒链非线性孤波传感器，其特征在于：四根导杆(10)贯穿卡具(7)的方形槽(14)并固定于底座(5)的沉孔(12)中；四根导杆(10)围束的通道内放置由多颗等直径实心球构成的一维球形颗粒链(2)，一维球形颗粒链(2)与导杆间的接触力通过调节螺栓在螺纹孔(13)的位置进行细微调整；底座(5)中的通孔(11)直径小于一维球形颗粒链中颗粒球直径，以使末端颗粒不从通道滑出而与待测材料(4)表面接触。
3.根据权利要求1所述的一维球形颗粒链非线性孤波传感器，其特征在于：压电材料(18)通过环氧树脂夹装于两个半球(16)之间，两个半球(16)球心处加工凹槽，以便于压电材料(18)正反面的电极引线(15)焊接，电极引线外延至观察颗粒(3)外，与电压采集装置相连接。
4.根据权利要求1所述的一维球形颗粒链非线性孤波传感器，其特征在于：支架(6)与底座(5)通过螺栓紧固，卡具(7)通过不锈钢角码(8)与支架(6)相连接，电磁阀(9)通过末端螺纹与支架(6)连接；电磁阀(9)由供电直流电源的通断控制，断电时冲击颗粒(1)释放。
5.根据权利要求1所述的一维球形颗粒链非线性孤波传感器，其特征在于：实验中，底座(5)中设有通孔(11)，通孔(11)使球形颗粒链(2)底端颗粒部分通过，保证球形颗粒链(2)与待测材料(4)接触；实验后，通孔(11)保证传感器离开待测材料(4)后，球形颗粒链(2)不发生掉落；将电磁阀(9)与电源接通，通过控制电流通断，控制冲击颗粒(1)的释放，保证每次实验中冲击颗粒(1)的提离距离一致。
6.一维球形颗粒链非线性孤波无损评价方法，冲击颗粒(1)由电磁阀(9)控制从固定高度处以自由落体方式冲击冲击颗粒(1)下方的一维球形颗粒链(2)，此冲击过程形成沿一维球形颗粒链(2)中传播的非线性孤波，传播至观察颗粒(3)时，非线性孤波产生的位移将被内嵌于观察颗粒(3)中的压电材料(18)感知并以电压形式输出，称作入射孤波；当非线性孤波传播至一维球形颗粒链(2)的末端颗粒与待测材料(4)的界面时将产生反射，再次进入一维球形颗粒链(2)，传播过程中再次被观察颗粒(3)中的压电材料(18)检测到，输出的电压信号称作反射孤波；利用反射孤波和入射孤波的飞行时间差或幅值比，对待测材料(4)的刚度或损伤进行无损评价。
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