CN111257421A - 一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，包括手持式敲击锤和显示装置，加速度传感器检测敲击信号；锤头固定在所述加速度传感器下方；光电定位传感器，设置在所述加速度传感器下方，用于检测锤头的敲击位置，并输出定位信号；处理器接收加速度传感器输出的敲击信号和光电定位传感器输出的定位信号，并将敲击信号转换为定量数据；显示装置接收处理器发送的定量数据和对应的定位信号，在显示屏上，在定位信号对应的屏幕上的位置上进行定量数据的显示；锤头安装一个安装面上；光电定位传感器固定于所述安装面上，位于锤头附近，以解决现有技术中复合材料损伤检测结果不直观、可靠性低的问题。

Description

一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统
技术领域
本发明涉及一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，属于无损检测技术领域。
背景技术
无损检测方法使检测人员能够在不破坏检测对象结构的情况下获取结构内部缺陷的相关信息，其中敲击检测方法适用于检测复合材料和金属蜂窝结构。敲击检测法利用内置加速度传感器的锤子对检测对象进行轻击，锤头中的加速度传感器将每次敲击的作用时间脉冲转换为电压，该脉冲的宽度越宽，表明敲击部位的局部刚度越低。
目前，通常将测量得到的脉冲宽度在液晶显示屏上直接以数值形式进行显示，或者将测量得到的脉冲宽度与参考值进行比较，并通过点亮不同颜色的发光二极管来指示检查结果。例如，申请公布号为CN109580780A的中国发明专利手持式敲击检测仪及其检测方法，公开了一种手持式敲击检测仪，通过固定在锤头上的压电传感器获取电压波形信息，通过对电压波形提取波宽，并与参考值进行比较，获取该检测点的脱粘情况。然后将脱粘程度按照绿色、黄色、浅红色、深红色分别表示脱沾程度正常、警告、缺陷、严重缺陷。
但是，上述检测方式的主要不足是：
每次检测只能对当前位置的检测结果进行显示，而无法对复合材料整体的损伤情况进行分析，导致复合材料损伤情况检测不够直观、明确。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，以解决现有技术中存在的复合材料损伤检测结果不直观、可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，包括手持式敲击锤和显示装置，所述手持式敲击锤包括：
加速度传感器，用于检测敲击信号；
锤头，用于敲击被检测材料表面，固定在所述加速度传感器下方；
光电定位传感器，设置在所述加速度传感器下方，用于检测锤头的敲击位置，并输出定位信号；
以及，处理器，连接所述加速度传感器和光电定位传感器的输出端，用于接收加速度传感器输出的敲击信号和光电定位传感器输出的定位信号，并将所述敲击信号转换为定量数据；
所述显示装置，与处理器通信连接，用于接收处理器发送的定量数据和对应的定位信号，在显示屏上，在所述定位信号对应的屏幕上的位置上进行定量数据的显示；
所述锤头安装一个安装面上；所述光电定位传感器固定于所述安装面上，位于锤头附近。
本发明通过在手持式敲击锤上增加光电定位传感器，获取每次敲击的位置信息，同时将敲击位置的加速度信息转换为对应的定量数据表示，通过显示装置将所有敲击检测点对应的定量数据进行全局显示，从而实现了对复合材料的整体损伤情况的直观展示，有效提高了复合材料敲击检测过程的可靠性。
进一步的，所述光电定位传感器包括发光二极管、斜向透镜、成像透镜和光电定位芯片，
所述发光二级管发出的光线，通过斜向透镜后，照向被检测材料表面；
所述成像透镜根据被检测材料表面反射的光线进行成像；
当所述手持式敲击锤在被测材料表面移动时，所述光电定位芯片根据所述成像的图像中特征点位置的变化进行分析移动的方向和距离，实现定位。
进一步的，所述手持式敲击锤还包括：
脉冲宽度测量电路，所述脉冲宽度测量电路分别连接所述加速度传感器和处理器，用于提取所述加速度传感器输出的敲击信号的脉冲宽度，并将所述脉冲宽度发送至处理器；所述处理器将敲击信号的脉冲宽度转换为定量数据。
进一步的，所述脉宽测量电路包括依次连接的可调增益放大器、比较器和微控制器；
可调增益放大电路用于对加速度传感器输出的电压信息进行放大；
所述比较器用于将放大后的电压信息与参考电压值进行比较，生成标准的脉冲信号；
所述微控制器用于对脉冲信号的宽度进行计算，并将脉冲宽度值送入处理器。
进一步的，所述定量数据为灰度值。
进一步的，所述处理器将脉冲宽度值转换为灰度值的计算公式为：
Figure BDA0002389313110000021
其中，Gi为当前测量点的灰度值，KG为灰度系数，Ti为当前测量点的脉冲宽度测量值，Tc为预置的脉冲宽度标准值，i表示当前测量点。
进一步的，所述加速度传感器包括压电式加速度传感器。
进一步的，所述处理器通过无线通信模块与所述显示装置交互。
附图说明
图1是本发明可视化成像系统实施例1中系统结构原理图；
图2是本发明可视化成像系统实施例1中系统电路原理图；
图3是本发明可视化成像系统实施例1中增加脉冲宽度测量电路的系统原理图；
图4是本发明可视化成像系统实施例1中脉冲宽度测量电路组成原理图；
图5是本发明可视化成像系统实施例1中利用频域信号进行缺陷辨识的原理图；
图6是本发明可视化成像系统实施例2中灰度显示成像示意图；
图中，1-锤头，2-加速度传感器，3-光电定位传感器，4-脉冲宽度测量电路，5-处理器，6-显示装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的可视化成像系统实施例1：
本实施例中，提供了一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，如图1所示为该可视化成像系统的结构原理图，主要包括手持式敲击锤和显示装置，通过手持式敲击锤对被测材料进行敲击检测，利用该显示装置对检测结果进行全局显示。
本实施例中，该手持式敲击锤包括加速度传感器、锤头、光电定位传感器和处理器。加速度传感器用于检测敲击信号；锤头，用于敲击被检测材料表面，固定在所述加速度传感器下方；光电定位传感器，设置在所述加速度传感器下方，用于检测锤头的敲击位置，并输出定位信号。
如图2所示，为该系统的电路原理图，该手持式敲击锤还包括加速度传感器，该加速度传感器固定在锤头上部，以感受加速度冲击，并输出敲击信号；
处理器连接所述加速度传感器和光电定位传感器的输出端，以接收加速度传感器输出的敲击信号和光电定位传感器输出的位置信号，并对所述敲击信号转换为定量数据，以及将所述定量数据与所述位置信号关联后输出给显示装置。
该可视化成像系统中的显示装置，与处理器通信连接，接收处理器发送的定量数据和对应的位置信号，并根据预先建立的显示模型进行定量数据的全局显示。
本实施例中，通过从上述敲击信号中提取出对应的脉冲宽度信息，以该脉冲宽度的大小来衡量损伤强度。上述加速度传感器输出的电压脉冲表示冲击的作用时间历史，脉冲宽度T表示冲击持续时间。脉冲的幅度则表示敲击的作用力。
当用敲击锤敲击无损区域时，脉冲持续时间较短。相反，当在缺陷区域上方进行敲击时，脉冲宽度较大。
这是因为受检结构的刚度与冲击持续时间T有关，有以下方程式：
Figure BDA0002389313110000041
其中，m是锤头的质量，k为缺陷部分的刚度。
本实施例中，如图3所示，在加速度传感器和处理器之间增加一个脉冲宽度测量电路，从而提取敲击信号的脉冲宽度信息。具体的，本实施例中，该脉冲宽度测量电路的具体结构如图4所示，包括依次连接的可调增益放大器、比较器和微控制器；可调增益放大电路对加速度传感器输出的电压信息进行放大；比较器将放大后的电压信息与参考电压值进行比较，生成标准的脉冲信号；微控制器对脉冲信号的宽度进行计算，并将脉冲宽度值送入处理器。
锤头敲击被测材料后通过传感器将电压信号传输到测量电路，该电压表示锤头作用力的时间历程。电路测量脉冲的冲击持续时间T，并将数据提供给处理器进行处理。
脉冲宽度测量电路中，可调增益放大器对输入电压V0进行放大，比较器接收放大的电压Vi并将电压Vi与可调阈值电压(标准参考值)Vc进行比较。
如果电压Vi小于Vc，则比较器的输出为“关”，如果电压Vi大于Vc，则比较器的输出为“开”。当脉冲信号输入到微控制器中时，芯片内部时钟开始运行，当脉冲结束后，时钟停止运行。微控制器通过引脚“TX”将脉冲持续时间以数字形式传输到处理器中。其中，调整可调增益放大器可使Vi处的脉冲开始时，电压信号接近垂直而非缓慢的逐渐升高，同时，当脉冲结束时，电压会立即降至零点。这样，就能够保证脉冲持续时间在最大程度上准确反映撞击持续时间，以确保脉冲宽度测量电路将提供冲击持续时间的准确测量值。
但是，本实施例中并不局限于通过脉冲宽度信号对敲击信号大小进行定量说明，还可以采用其他方式，例如，冲击响应信号可以从时域信号转换为频域信号，如图5所示。其中，A区与B区的分界点fb＝fmax×40％
由于缺陷处的高频信号含量更低，因此，可以通过
Figure BDA0002389313110000051
来对缺陷进行辨识。其中，A、B分别代表图5所示A区与B区的面积，R为B区面积与总面积之和的比值，即高频信号占比率，高频信号占比越低，则表示缺陷程度越高。因而，R值越小，表示高频信号含量越低，则该点缺陷程度越高。
并且，本实施例中，该显示装置进行全局显示时，可在显示屏的坐标处直接显示上述脉冲宽度的数值大小。在显示装置中显示位置的坐标(Xi，Yi)由光电定位传感器返回的数据决定：
Yi＝α(β+yi)
Xi＝α(λ+xi)
其中，α是坐标转换系数，β是光电定位传感器纵向偏移量，λ是光电定位传感器横向偏移量，xi是光电定位传感器横向位移量，yi是光电定位传感器纵向位移量。
本实施例中，利用上述可视化成像系统对被测材料的整体检测结果进行展示的操作过程为：首先在被检材料表面标记工作起始点，随后由工作者利用手持式敲击锤在工作起始点进行敲击，并沿被检材料表面进行移动敲击检测，并将检测数据及位置信息输出值显示装置。本实施例中，单点可进行多次反复敲击检测，新的检测数据将覆盖旧的检测数据，而不会在显示屏中进行灰度累加。
本发明的可视化成像系统实施例2：
本实施例与上述实施例的区别仅在于，本实施例中采用灰度值显示的方式，对被测材料表面的整体损伤情况进行展示。
处理器根据光电定位传感器输出的信号进行当前检测点位置定位，并以对应的灰度在显示屏上进行显示。成像示意图如图6所示。
本实施例中，处理器将脉冲宽度值转换为相应的灰度的计算公式为：
Figure BDA0002389313110000061
其中，Gi表示当前检测位置点的灰度，KG为灰度系数，Ti为当前检测位置点的脉冲宽度测量值，Tc为预置的脉冲宽度标准值(参考值)，i表示当前检测位置点。
其中，白色区域为损伤区域。损伤程度越高，该点越白，一个像素用一个字节表示该点的灰度值,值在0～255之间,数值越大,该点越白,即越亮,数值越小，则越黑。
作为其他实施方式，本实施例中并不局限于采用上述灰度值进行显示的方式，也可以通过采用不同的颜色对损伤等级进行表示，例如脱粘程度按照白色、黄色、浅红色、深红色分别表示脱沾程度正常、警告、缺陷、严重缺陷，如果复合材料中出现脱粘情况时，将损伤区域从内到外分别表示表示缺陷、警告正常，不仅表示了其损伤程度，同时能够确定范围大小。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合材料敲击检测结果可视化成像系统，包括手持式敲击锤和显示装置，其特征在于，所述手持式敲击锤包括：
加速度传感器，用于检测敲击信号；
锤头，用于敲击被检测材料表面，固定在所述加速度传感器下方；
光电定位传感器，设置在所述加速度传感器下方，用于检测锤头的敲击位置，并输出定位信号；
以及，处理器，连接所述加速度传感器和光电定位传感器的输出端，用于接收加速度传感器输出的敲击信号和光电定位传感器输出的定位信号，并将所述敲击信号转换为定量数据；
所述显示装置，与处理器通信连接，用于接收处理器发送的定量数据和对应的定位信号，在显示屏上，在所述定位信号对应的屏幕上的位置上进行定量数据的显示；
所述锤头安装一个安装面上；所述光电定位传感器固定于所述安装面上，位于锤头附近。
2.根据权利要求1所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述光电定位传感器包括发光二极管、斜向透镜、成像透镜和光电定位芯片，
所述发光二级管发出的光线，通过斜向透镜后，照向被检测材料表面；
所述成像透镜根据被检测材料表面反射的光线进行成像；
当所述手持式敲击锤在被测材料表面移动时，所述光电定位芯片根据所述成像的图像中特征点位置的变化进行分析移动的方向和距离，实现定位。
3.根据权利要求1所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述手持式敲击锤还包括：
脉冲宽度测量电路，所述脉冲宽度测量电路分别连接所述加速度传感器和处理器，用于提取所述加速度传感器输出的敲击信号的脉冲宽度，并将所述脉冲宽度发送至处理器；所述处理器将敲击信号的脉冲宽度转换为定量数据。
4.根据权利要求3所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述脉宽测量电路包括依次连接的可调增益放大器、比较器和微控制器；
可调增益放大电路用于对加速度传感器输出的电压信息进行放大；
所述比较器用于将放大后的电压信息与参考电压值进行比较，生成标准的脉冲信号；
所述微控制器用于对脉冲信号的宽度进行计算，并将脉冲宽度值送入处理器。
5.根据权利要求3所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述定量数据为灰度值。
6.根据权利要求5所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述处理器将脉冲宽度值转换为灰度值的计算公式为：
Figure FDA0002389313100000021
其中，Gi为当前测量点的灰度值，KG为灰度系数，Ti为当前测量点的脉冲宽度测量值，Tc为预置的脉冲宽度标准值，i表示当前测量点。
7.根据权利要求1所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述加速度传感器包括压电式加速度传感器。
8.根据权利要求1所述的复合材料敲击检测结果可视化成像系统，其特征在于，所述处理器通过无线通信模块与所述显示装置交互。
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