CN110998253B

CN110998253B - 用于进行冲击激发技术的设备和方法

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Publication number: CN110998253B
Application number: CN201880049256.8A
Authority: CN
Inventors: A·范登波什
Original assignee: Greendonic Co ltd
Current assignee: Greendonic Co ltd
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: US11137329B2; JP2020537155A; CN110998253A; EP3435044A1; EP3658868B1; US20210088432A1; ES2889124T3; WO2019020825A1; JP7407108B2; EP3658868A1

Abstract

本发明涉及一种用于分析固体材料样品的机械振动响应的设备，该设备包括：冲击件的阵列，该冲击件的阵列布置成对所述固体材料样品的表面上的各个明确限定的点施加冲击；传感器，该传感器构造成在所述至少一个冲击件的冲击之后，将所述机械振动响应作为时变信号捕获；以及处理装置，所述处理装置构造成分析所述时变信号以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数。本发明还涉及表征固体材料样品的对应方法。

Description

用于进行冲击激发技术的设备和方法

发明领域

本发明涉及冲击激发技术领域，特别是确定目标材料的特性的弹性特性和内部摩擦。

背景技术

脉冲激发技术用于通过如下方法来确定目标材料样品的某些物理性质，即，用专用工具或弹丸冲击样品，并且分析由传感器(诸如压电传感器、麦克风、激光振动计或加速度计)获取的振动。通过傅立叶变换将振动信号变换到频域，以识别共振频率，该共振频率与样品的几何形状一起允许计算材料的弹性特性。该技术总体上是非破坏性的，可以在室温下或在其它选定的(通常是升高的)测试温度下施加该技术。

已知有多种方法和设备是根据脉冲激发技术来进行材料分析的。例如，以“的里雅斯特大学(Universitádegli Studi di Trieste)”的名义的欧洲专利申请公开第EP 3 141305 A号，标题为“检测各种材料的物体、样品或半成品的弹性模量的实验方法(Experimental method to detect the elastic modulus of objects,samples orsemi-worked products of various materials)”，公开了一种检测物体、样品或半成品的弹性模量(E)的实验方法，该方法包括以下步骤：借助于打击元件产生的相对于惯性体的冲击，将机械应力施加到样品物体上；将预定质量(m)的激发体引入到打击元件与样品物体之间，从而使激发体被设置成与对应于具有预定延伸值的接触面的样品物体接触；通过使打击元件冲击到激发体上，将机械应力施加到样品物体上；获取对应于样品物体的伸长量变化(X)的响应信号；将样品物体的弹性模量(E)的值作为至少是接触表面的延伸值(S)和样品物体的伸长量变化(X)的函数进行处理。

已知方法和设备的缺点在于，所检测到的共振频率本身不适合表示并表征可能在各种材料的工业生产的物体、样品或半加工产品中发生的各种类型的缺陷(例如裂缝或裂隙)。

本发明的实施例的目的是至少部分地克服现有技术的缺点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于分析固体材料样品的机械振动响应的设备，该设备包括：冲击件的阵列，所述冲击件的阵列布置成线，以在所述固体材料样品的表面上的各个明确限定的点上施加冲击，以及使所述固体材料样品和所述冲击件阵列在基本垂直于所述线的方向上相对运动的装置，或者所述冲击件的阵列布置成网格；传感器，所述传感器构造成在所述冲击件的阵列的每次冲击之后，将所述机械振动响应作为时变信号捕获；以及处理装置，所述处理装置构造成分析所述时变信号以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数。

本发明尤其是基于发明人的发明见解，即，被测固体样品对冲击激发的响应在物理上接近指数衰减正弦曲线之和(的叠加)比起通过简单地提取(快速)傅立叶变换中的峰值而言，通过基于现象的基本物理原理而假设这种特殊的数学形式的激发响应可以获得更佳的精度。本发明还基于如下的见解，即，与仅识别被测样品的共振频率相比，在存在缺陷的情况下，衰减常数提供了更多的见解(信息)。本发明还基于如下的见解，即，衰减常数的识别构成了谐波反转问题，这可以通过已知的数学方法来解决。

本发明例的优点在于，该设备可以以扫描模式使用，以测试较大样品中的局部材料特性，由此，在相对于样品移动所述线之前沿所述线连续激活冲击件(所有的或选定的冲击件)并且重复此过程，因此有效地分析了点网格上的样品。对于每个单独的冲击，可以捕获并分析响应，以获得紧邻冲击点的附近位置的材料特性有关的信息。

该设备可以在如下的壳体中实现，并且设置有如下的装置，即，壳体在其中固定位置处具有该设备，装置使样品在固定布置的冲击件下方线性移动以允许冲击件到达样品表面上的所有目标点。

替代地，该设备可以在如下的壳体中实现，并且设置有如下的装置，壳体在其中固定位置处接纳样品，装置使冲击件在固定布置的样品上方线性移动以允许冲击件到达样品表面上的所有目标点。

如果将冲击件阵列布置成网格，则该设备可用于测试较大样品中的局部材料特性，而无需样品和设备的相对运动，由此沿着网格连续激活冲击件(所有的或选定的冲击件)。对于每个单独的冲击，可以捕获并分析响应，以获得与冲击点紧邻处的材料特性有关的信息。

必须注意的是，在基于网格的布置的情况下，还可以在样品和冲击件阵列之间施加相对运动，从而比起当从单个样品位置进行操作时而言，在更大和/或更密集的点网格上分析样品。

在根据本发明的设备的实施例中，处理装置还构造成基于所述确定的频率和衰减常数来检测固体材料样品中的材料缺陷。

由于本发明的设备在沿着样品表面的各个点处提供了样品的激发响应信息，因此有可能检测材料缺陷的存在，因为这些会引起异常响应。

在一个实施例中，根据本发明的设备还构造成引起沿两个轴线的所述固体材料样品和所述冲击件阵列的相对运动。

该实施例的优点在于，可以在由主扫描方向限定的线之间的点处进行测量，使对缺陷的空间定位有更高水平的精确度。

在一个实施例中，根据本发明的设备还包括支承件，该支承件构造成在待激发的振动模式的节点处支承所述固体材料样品。

发明人的发明见解是，通过将待测样品放置在与待被激发的振动模式的节点(零点位)一致的支承件上，可以获得更精确的响应信号。用于相对于冲击件阵列移动样品的装置被布置成确保该样品即使移动也保持支承在选定的节点上。

在一个实施例中，根据本发明的设备还包括一个或多个温度传感器、用于确定固体材料样品的几何特性的装置、以及测定仪。

包括温度传感器的一个优点是，可以在不同的热环境下更轻松地分析目标的物理特性，由此与时变信号同时测量温度；这可能包括对热诱导的材料转变的识别。温度传感器和机械振动传感器可以集成在同一探针中。包括确定几何性质的装置和/或可以精确地检测出样品的尺寸和密度的测定仪，所述变量对于将所获得的共振特性转换为物理材料特性(例如杨氏模量(E)或剪切模量(G))是必要的。

在根据本发明的设备的实施例中，传感器配备有用于照亮点的装置，在该点处捕获机械振动响应。

该实施例的优点在于，可以助于使用者精确定位所需的位置以用于捕获响应，这提高执行测量的可重复性。

在根据本发明的设备的实施例中，传感器是基于接触的传感器，其配备有用于测量由该传感器施加在所述固体材料样品上的力的装置。

该实施例的优点在于，当使用基于接触的传感器(诸如压电传感器)时，可以助于使用者在捕获响应期间精确地施加所需大小的力，这改善了被执行的测量的可重复性。

在根据本发明的设备的实施例中，处理装置构造成通过应用一般滤波器对角化方法来解决谐波反转问题。

根据本发明的一个方面，提供了表征固体材料样品的方法，该方法包括：通过使用布置成线(布置在一条线上)的冲击件的阵列来对所述固体材料样品表面上的多个明确限定的点施加冲击并且在基本上垂直于所述线的方向上相对于所述冲击件的阵列移动所述固体材料样品，或者通过使用布置成网格(布置在网格上)的冲击件的阵列，来对所述固体材料样品表面上的多个明确限定的点施加冲击；在每一个这样施加的冲击的所述施加之后，将机械振动响应作为时变信号捕获；以及分析所述时变信号，以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数。

本发明例的优点在于，该设备可以以扫描模式使用，通过沿一条线连续激活冲击件(所有的器或选定的冲击件)然后相对于样品移动该线并重复该过程，或者通过沿网格连续激活冲击件(所有的或选定的冲击件)，来测试较大样品中的局部材料特性，因此有效地分析点网格上的样品。对于每个单独的冲击，可以捕获并分析响应，以获得与冲击点紧邻处的材料特性有关的信息。

该方法可以使用被设置在如下的壳体中并且设置有如下的装置的设备来实现，即，壳体在其中固定位置处具有该设备，装置使样品在固定布置的冲击件下方线性移动以允许冲击件到达样品表面上的所有目标点。

替代地，该方法可以使用被设置在如下的壳体中并且设置有如下的装置的设备来实现，壳体在其中固定位置处接纳样品，装置使冲击件在固定布置的样品上方线性移动以允许冲击件到达样品表面上的所有目标点。

替代地，可以通过使用具有布置成网格的冲击件的阵列的设备来实现该方法，相对于固体材料样品，冲击件的阵列可以移动或者可以不移动。

在一个实施例中，该方法还包括：基于所述确定的频率和衰减常数来检测所述固体材料样品(99)中的材料缺陷。

在一个实施例中，根据本发明的方法还包括：将固体材料样品放置在与待激发的振动模式的节点重合的支承件上。

在一个实施例中，根据本发明的方法还包括：基于针对不同冲击位置获得的所述频率和衰减常数来估计缺陷的位置。

本发明例的优点在于，可以提供与大量密集间隔的网格点处的材料特性有关的信息。因此，在那些网格点中的一些处而没在其它网格点处检测到的异常提供了有关诸如裂缝或裂隙的材料缺陷的估计位置的见解。

在根据本发明的方法的实施例中，所述分析还包括从所述频率确定动态杨氏模量(E)。

在根据本发明的方法的实施例中，所述分析还包括从所述频率确定剪切模量(G)。

在根据本发明的方法的实施例中，所述分析还包括将所述衰减常数与参考值进行比较。

在根据本发明的设备的实施例中，所述分析包括通过应用一般滤波器对角化方法来解决谐波反转问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制制造制品的质量的方法，该方法包括：使用上述方法将所述制造制品的至少一部分表征为所述固体材料样品；如果所述衰减常数在所述参考值的所述预定裕度内，则发出“通过”状态(条件)信号；并且如果所述衰减常数在所述参考值的所述预定裕度外，则声明“失败”状态(条件)。

本发明还涉及一种包括编码装置的计算机程序产品，该编码装置构造成使处理器执行上述方法的计算步骤。

在根据本发明的计算机程序产品的实施例中，代码装置包括哈尔敏夫(Harminv)程序。

根据本发明的方法和计算机程序产品的实施例的技术效果和优点在细节上作必要修改后对应于根据本发明的设备的对应实施例的技术效果和优点。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例的这些和其它特征和优点，在附图中：

-图1示意性地示出了在挠曲模式下在激发时梁状样品中引起的振动；

-图2示意性地示出了在扭转模式下在激发时梁状样品中引起的振动；

-图3示意性地示出了根据本发明的设备的实施例；以及

-图4提供了根据本发明的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

在已知的冲击激发技术(IET)过程中，被测样品的定位成使得其在受到冲击时基本上不受阻碍地振动。这是通过如下方式实现的，即，将样品放置在一块轻质泡沫上或将其搁置在线性支承件(例如金属丝或窄条)上，这些支承件明智地放置在待激发的振动模式的零点(节点)下方。通过如下方式执行激发，即，在波腹处冲击样品，波腹即为在目标(interest)模式下感应运动的局部振幅最大的点位。

图1示意性地示出了在弯曲模式下激发时在测试中的梁状样品中引起的振动。这种振动模式的本征频率f_f指示样品的动态杨氏模量E。对于所示的质量m、长度L、宽度b和厚度t的梁，可以使用以下关系式：

其中，校正因子T定义为：

如果L/t≥20。

图2示意性地示出了在扭转模式下在激发时测试中的梁状样品中引起的振动。这种振动模式的本征频率f_t指示样品的剪切模量。对于所示的质量m、长度L、宽度b和厚度t的梁，可以使用以下关系式：

其中，校正因子R定义为：

这些确定E和G的已知方法仅取决于样品响应频谱中的峰值频率。尽管E和/或G相对于期望值的变化(偏移)可能指示在样品中的缺陷，但发明人发现某些频率分量的异常快速衰减是此类缺陷的更可靠预测指标。

本发明提供了一种用于分析固体材料样品的机械振动响应的设备，其实施例在图3中示意性地示出。设备100包括冲击件110的阵列，该阵列布置成线或网格(布置在一条线或网格上)，以对固体材料样品99的表面上的各个明确限定的点位施加冲击。

不失一般性地，示出了具有布置成线形的三个冲击件110的设备100。设备100还包括传感器120，该传感器120构造成在冲击件110冲击之后，将样品99的机械振动响应作为时变信号捕获。提供合适的样品保持件199以允许样品99在冲击时自由振动，样品保持件199例如包括线性支承件。设备100还包括处理装置130，处理装置130构造成分析时变信号以确定构成时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数。

冲击件110可包括一个或多个锤子或其它弹丸(projectiles)，这些锤子优选地附接到设备的其余部分并且自动地操作(即，重物安装在被致动的、可选地弹簧加载的臂上)。传感器120可包括基于接触的传感器(诸如压电传感器)、基于非接触的传感器(诸如麦克风或激光振动计)或加速度计。

发明人已经发现，使用基于接触的传感器(诸如压电传感器)可以获得良好的结果，与麦克风相比，基于接触的传感器(特别是在工业环境中)对环境干扰的敏感度更低。压电传感器可以布置在探针中，该探针还可包括信号放大器、照亮机械振动响应被捕获所在的点的装置(例如，小型激光源，被布置用于在使探头移向样品表面时用光点照亮预期接触点)和/或温度传感器。探针优选地配备有用于测量由传感器施加在样品上的力的装置。

该设备可以包括使探针自动与样品接触的装置，诸如致动臂或更复杂的机器人支承件。在这种情况下，力测量装置提供必要的反馈，以确保传感器和样品之间的良好接触。如果探头由使用者手动操作，则该设备可以构造成提供视觉和/或听觉反馈，以帮助使用者将接触力保持在预定的目标范围内(例如，当施加的力过高时，LED可能会以一种颜色点亮，而当施加的力过低时，LED会以另一种颜色点亮；具体取决于所施加的力是否太高或太低，间歇的蜂鸣声可具有不同的音高或周期；等等)。

冲击件可以布置成线性阵列或矩形网格。在线性情况下，该设备可作为扫描仪，将样品移动到冲击件的线下面以在样品的不同部分上进行连续测试，或者将冲击件的线在整个样品上移动，以用于样品的不同部分的连续测试。该设备优选地配备有可精确控制的马达，以提供样品和冲击件的所需的相对运动。如果将冲击件布置成网格，则只有在网格的范围不覆盖样品的整个目标区域或需要更高的点密度的情况下，才必需要这种相对移动。

根据本发明的设备可以构造成能够引起所述固体材料样品和所述冲击件阵列沿着两个轴线的相对运动。这允许该设备除了主扫描运动之外还提供横向运动，该横向运动接近(触及)表面上的点。这将使对缺陷的空间定位有更高水平的精确性。

该设备优选地包括用于确定固体材料样品的几何特性的装置(未示出)，诸如3D扫描仪、摄像机(可选地，立体摄像机)等类似物。从上面提供的公式可以明显看出，精确了解样品的几何形状对于从检测到的频率峰值中得出(导出)杨氏模量和剪切模量的正确值很重要。可以将秤(未示出)集成到该设备中，以确定样品的重量，并且因此确定样品的质量。从上面提供的公式可以明显看出，精确了解样品的质量对于从检测到的频率峰值中得出(导出)杨氏模量和剪切模量的正确值也很重要。

设备100可包括常规的使用者界面，该使用者界面可以包括屏幕140(优选地为触摸屏)、按钮或转盘150、键盘(未示出)等类似物。

处理装置构造成分析时变信号以确定构成时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数，即，其解决了谐波反转问题。谐波反转的问题在文献中是众所周知的，但迄今为止尚未与IET关联，谐波反转的问题通常包括确定正弦曲线的频率、衰减常数、幅度和相位，这些正弦曲线组成一个离散时间、有限长度的信号，该信号包括给定带宽中的有限数量的此类正弦波之和。弗拉基米尔·A·曼德什坦(Vladimir A.Mandelshtam)和霍华德·S·泰勒(Howard S.Taylor)在他们的开创性的论文“时间信号的谐波反转及其应用(Harmonicinversion of time signals and its applications)”《化学物理学杂志》(The Journalof Chemical Physics)107,6756(1997)描述了使用沃尔和纽豪斯(Wall and Neuhauser)的一般滤波器对角化方法，通过是将谐波反转问题重铸为小矩阵对角化之一来解决此问题。该技术的基于计算机的实现是本领域已知的，包括麻省理工学院(MassachusettsInstitute of Technology)的史蒂文·G·约翰逊(Steven G.Johnson)的“哈尔敏夫(Harminv)”程序。分析的结果可以输出到屏幕140或任何其它合适的界面，以供其它设备存储或进一步处理。

处理装置可包括一个或多个专用硬件部件(例如，ASIC)、适当构造成的可配置的硬件部件(例如，FPGA)、设置有合适软件的微处理器或以上各项的组合。相同的组件还可以执行其它功能。

本发明还提供了表征固体材料样品的方法，该方法包括：

–对所述固体材料的样品表面上的多个明确限定的点施加冲击力1010；

–在每一个这样施加的冲击的所述施加之后，将机械振动响应作为时变信号捕获1020；和

–分析所述时变信号1030，以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数。

使用布置成线的冲击件(110)的阵列施加冲击1010。当一条线的已经完成时(即，当阵列中的所有的或选定的冲击件已被激活时)，样品就沿着基本垂直于该线的方向相对于冲击件阵列移动，然后再次激活该阵列。反复重复此过程，直到已经扫描了整个目标的表面为止。通过以这种方式进行处理，可以非常精确地定位任何异常(诸如样品中的裂缝、裂隙或其它材料缺陷)。

冲击1010和捕获1020可以在分析信号1030之前重复执行(如图所示，例如当设备具有多个连续操作的冲击件时)，或者替代地，可以分别分析每个捕获的信号。

取决于选择的激发模式，分析1030还可包括从响应频谱中的频率来确定动态杨氏模量(E)或剪切模量(G)，特别是通过识别峰值频率并应用诸如上面提供的公式来确定。

上面关于根据本发明的设备提供的进一步的细节和选项也适用于根据本发明的方法。

优选地，分析还包括将衰减常数与参考值进行比较1040。该步骤允许将根据本发明的方法用于质量控制目的。实际上，一种控制制品质量的方法，包括:使用上述方法将制造制品的至少一部分表征为所述固体材料样品，如果衰减常数在所述参考值的预定裕度内，则发出”通过”状态(条件)的信号：“1040/是”；以及如果衰减常数在所述参考值的所述预定裕度外，则声明“失败”状态(条件)：“1040/否”。

尽管以上已经参考特定实施例描述了本发明，但这样做是为了说明而不是限制本发明，本发明的范围将通过参考所附权利要求来确定。

Claims

1.一种用于分析固体材料样品(99)的机械振动响应的设备(100)，所述设备(100)包括：

–支承件(199)，所述支承件(199)构造成将所述固体材料样品支承在待被激发的振动模式的节点处；

–冲击件(110)的阵列，所述冲击件(110)的阵列布置成线，以在所述固体材料样品(99)的表面上的各个明确限定的点上施加冲击，以及使所述固体材料样品和所述冲击件阵列在基本垂直于所述线的方向上相对运动的装置，或者所述冲击件的阵列布置成网格；

–传感器(120)，所述传感器(120)构造成在所述冲击件(110)的阵列的每次冲击之后，将所述机械振动响应作为时变信号捕获；以及

–处理装置(130)，所述处理装置(130)构造成分析所述时变信号以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数，

其中所述设备(100)构造成沿一条线连续地激活所述冲击件中所有的或选定的冲击件，然后相对于所述样品移动所述线，或者沿所述网格连续地激活所述冲击件中所有的或选定的冲击件。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述处理装置(130)还构造成基于所述确定的频率和所述衰减常数来检测所述固体材料样品(99)中的材料缺陷。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，还构造成引起所述固体材料样品和所述冲击件的阵列沿两个轴线的相对运动。

4.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，还包括一个或多个温度传感器、确定所述固体材料样品的几何特性的装置以及测定仪。

5.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述传感器(120)配备有用于照亮点的装置，在所述点处捕获所述机械振动响应。

6.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述传感器(120)是基于接触的传感器，配备有用于测量由所述传感器施加在所述固体材料样品上的力的装置。

7.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述处理装置(130)构造成通过应用一般滤波器对角化方法来解决谐波反转问题。

8.一种表征固体材料样品的方法，所述方法包括：

–将所述固体材料样品放置在与待激发的振动模式的节点重合的支承件上；

–通过使用布置成线的冲击件(110)的阵列来对所述固体材料样品表面上的多个明确限定的点施加冲击(1010)，并且在基本上垂直于所述线的方向上相对于所述冲击件的阵列移动所述固体材料样品，或者通过使用布置成网格的冲击件(110)的阵列，来对所述固体材料样品表面上的多个明确限定的点施加冲击(1010)；

–在每一个这样施加的冲击的所述施加之后，将机械振动响应作为时变信号捕获(1020)；和

–分析所述时变信号(1030)，以确定构成所述时变信号的正弦曲线的频率和衰减常数，

其中所述冲击件中所有的或选定的冲击件沿一条线连续地激活，然后相对于所述样品移动所述线，或者沿所述网格连续地激活。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括基于所述确定的频率和衰减常数来检测所述固体材料样品(99)中的材料缺陷。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括使所述固体材料样品相对于所述冲击件阵列沿两个轴线移动。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括基于针对不同冲击位置获得的所述频率和衰减常数来估计缺陷的位置。

12.一种控制制造制品的质量的方法，所述方法包括：

–使用根据权利要求8的方法将所述制造制品的至少一部分表征为所述固体材料样品，其中所述分析还包括将所述衰减常数与参考值进行比较；

–如果所述衰减常数在所述参考值的预定裕度内，则发出“通过”状态(1040/YES)信号；以及

–如果所述衰减常数在所述参考值的预定裕度外，则声明“失败”状态(1040/NO)。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述分析包括通过应用一般滤波器对角化方法来解决谐波反转问题。

14.一种包括代码装置的计算机程序产品，所述代码装置构造成使处理器执行根据权利要求8至13中任一项所述的方法的计算步骤。

15.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其特征在于，所述代码装置包括哈尔敏夫程序。