CN112285202A - 一种面向变曲率pbx表面裂纹的无损检测方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电材料的柔性梳状瑞利波传感器，包括多个PZT压电陶瓷条形压电振子，沿宽度方向排列成梳状结构，相邻条形压电振子之间填充有柔性材质的吸声材料，在条形压电振子的上、下表面分别连接有电路板，利用信号线分别将上、下表面的电路板并联汇集作为传感器的正、负电极；在压电振子正极的外表面设置有柔性材质的背衬层，在压电振子负极的外表面设置有柔性材质的声学连接层。本发明同时提供传感器实现的面向变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法。
Description
技术领域
本发明属于无损检测和瑞利波技术领域，涉及一种柔性梳状瑞利波传感器，特别涉及一种适用于变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法。
背景技术
高聚物粘结炸药(polymer bonded explosives,PBX)是一类高分子复合炸药，具有较高的能量密度和良好的机械强度，综合性能优异，应用广泛。由于PBX是一种低强度、易碎的非均质材料，在其合成、加工、运输过程中受到外界振动、压力、温度等因素的作用时，其表面可能会产生裂纹缺陷。表面裂纹不仅会降低PBX的力学性能，还会影响炸药的灵敏度和爆炸性，带来严重的安全隐患。因此，研究PBX表面裂纹的产生机理、实现PBX表面裂纹的无损检测具有重要意义。
现阶段的主要观测手段是依靠光学显微镜、扫描电镜实现微观缺陷的原位检测。此外，工业计算机断层扫描成像技术(CT)、超声等方法也常用于复杂表面裂纹的无损检测。但其检测成本高、检测效率低，且无法实现表面裂纹的在线监测，对裂纹缺陷信息的获取仍然十分有限。同时由于PBX尺寸结构、材料性质等方面的限制，目前尚没有一种有效可靠的检测技术能够实现PBX表面裂纹的无损评价及在线监测。
建立一种准确、可靠、高效的传感方法是获取PBX表面裂纹信息、实现裂纹缺陷检测的关键。相比于其他无损检测方法，瑞利波传感方法有着独特的优势，其检测范围大、传播距离远、分辨率高、衰减小、检测效率高等特点，使其在表面裂纹的定量分析和无损检测等方面应用广泛。近年来，一种基于压电材料的瑞利波传感器引起了国内外的广泛关注。
发明内容
为了满足复杂表面裂纹缺陷无损检测的需求，本发明的目的在于：提供一种适用于变曲率PBX表面裂纹的传感器，并提供采用此种传感器得到无损检测方法。此种传感器为一种基于压电材料的柔性梳状瑞利波传感器。传感器具有体积小、可贴合在PBX曲表面等特性，并可通过调节梳状传感器的阵列间距、宽度、长度等尺寸参数来激励特定频率的瑞利波，以准确地获取PBX表面裂纹缺陷的特征，实现变曲率PBX表面裂纹的无损检测。技术方案如下：
一种基于压电材料的柔性梳状瑞利波传感器，包括多个PZT压电陶瓷条形压电振子，沿宽度方向排列成梳状结构，相邻条形压电振子之间填充有柔性材质的吸声材料，在条形压电振子的上、下表面分别连接有电路板，利用信号线分别将上、下表面的电路板并联汇集作为传感器的正、负电极；在压电振子正极的外表面设置有柔性材质的背衬层，在压电振子负极的外表面设置有柔性材质的声学连接层。
优选地，吸声材料为柔性环氧树脂，背衬层为环氧树脂与钨粉按16：1比例混合而成，声学连接层为环氧树脂与固化剂按4：1比例混合而成。背衬层厚度为2λ，声学连接层厚度为λ/4。在传感器主体结构的外围紧密贴合有保护框架，保护框架的材质为柔性环氧树脂。在传感器的下表面紧密贴合一层保护膜，材质为硅橡胶。通过外接信号发生器向梳状阵列施加电信号，引起压电振子振动，便产生沿阵列排列方向的瑞利波。条形压电振子的宽度a等于激励瑞利波波长的二分之一，即a＝λ/2；相邻压电振子间的中心间距p应等于激励瑞利波的波长，即p＝λ，条形压电振子的长度l等于激励瑞利波波长的五倍，即l＝5λ；条形压电振子的厚度d等于激励瑞利波波长的四分之一，即d＝λ/4，其谐振频率等于激励瑞利波的共振频率。
本发明同时给出采用此种传感器实现的面向变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法，其特征在于，将传感器的保护膜一面贴合PBX表面固定，采用自激励、自接收模式以探测PBX表面是否存在裂纹缺陷，根据有无反射回波信号判定PBX表面在该传播路径上是否存在裂纹，设瑞利波的传播速度为cR，通过对比激励信号与回波信号的时间差Δt，计算出裂纹缺陷与梳状传感器的距离，获得表面裂纹的位置信息。
当检测到瑞利波的传播路径上存在裂纹时，再采用一激励、一接收模式以探测裂纹的深度，透射信号的幅值随着裂纹深度的增大而逐渐递减，通过对比接收到的透射信号的幅值，获取表面裂纹的深度信息。
附图说明
图1为瑞利波传感器的结构示意图。
图2为瑞利波传感器的内部主视图。
图3为瑞利波传感器的内部俯视图。
图4为瑞利波传感器的内部侧视图。
图5为压电振子阵列采用的厚度振动型原理图。
图6为梳状传感器检测系统框图。
图7为自激励、自接收工作模式示意图。
图8为激励信号与反射回波信号图。
图9为一激励、一接收工作模式示意图。
图10为透射信号的幅值与裂纹深度的关系图。
图中编号说明：1条形压电振子；2吸声材料；3电路板；4信号线；5背衬层；6声学连接层；7保护框架；8保护膜。
具体实施方式
本发明在现有传感器结构的基础上，提供了一种新型的可适用于变曲率PBX表面裂纹无损检测的柔性梳状瑞利波传感器。柔性工艺技术具有小型化、兼容性好等特点，能有效地适应变曲率形面。这种传感器具有柔性、体积小、可植入等特性，能紧密贴合在PBX曲表面，满足复杂表面裂纹的高精度无损检测需求。
如图1所示，系统的主体是柔性梳状瑞利波传感器，其内部结构主视图、俯视图、侧视图分别如图2、3、4所示。在其内部有8个条形压电振子1，沿宽度方向排列成梳状结构，材料为柔性PZT压电陶瓷。相邻压电振子之间填充了吸声材料2，材料为柔性环氧树脂。在条形压电振子1的上、下表面分别吸附有电路板3，利用信号线4分别将上、下表面的电路板并联汇集作为传感器的正、负电极。在压电振子正极的上方紧密贴合背衬层5，材料为环氧树脂与钨粉按16：1比例混合而成。在压电振子负极的下方紧密贴合声学连接层6，材料为环氧树脂与固化剂按4：1比例混合而成。在主体结构的外围紧密贴合保护框架7，材料为柔性环氧树脂。传感器的下表面紧密贴合一层保护膜8，材料为硅橡胶。通过外接信号发生器向梳状阵列施加电信号，引起压电振子振动，便可产生沿阵列排列方向的瑞利波。整体尺寸长度为10mm，宽度为8mm，厚度为3mm，满足器件小型化、阵列化、柔性化需求。
下面对本发明各部分结构做进一步的说明：
(1)本发明中，条形压电振子1采用具有高压电性、低阻抗、高机电耦合系数的PZT压电陶瓷材料，并沿宽度方向排列成阵列结构。其功能是激发和接收瑞利波，以实现电声转换。为克服传统传感器尺寸过大的问题，满足传感器厚度小、效率高的设计要求，本发明中压电振子采用厚度振动型的振动模式，其原理如图5所示，通过向压电振子垂直施加激励信号，压电振子产生机械振动，仅极薄的厚度便可激励出沿介质表面传播的高频瑞利波。
为使激励的瑞利波幅值最大，同时尽可能减少相邻压电振子间的串扰，条形压电振子的宽度a应等于激励瑞利波波长的二分之一，即a＝λ/2；相邻压电振子间的中心间距p应等于激励瑞利波的波长，即p＝λ，阵元数目N设置为8个。条形压电振子的长度l＝5λ。
为克服目前压电传感器普遍存在的信号干扰较强的问题，本发明中应确保压电振子的谐振频率与激励瑞利波的共振频率相同，从而消除杂波，提高瑞利波的分辨率。在压电振子的宽度a、中心间距p、长度l保持不变的情况下，当其厚度d等于激励瑞利波波长的四分之一，即d＝λ/4，其谐振频率等于激励瑞利波的共振频率，此时压电振子的阻抗最小，信号干扰最弱，机械振动的振幅最大，满足设计要求。
(2)在传统的梳状传感器中，相邻压电振子间的串扰现象普遍存在，导致信号极不稳定。本发明中，在相邻压电振子之间紧密填充吸声材料2，以排除空气干扰，避免串扰，同时吸收压电振子的背向散射信号。吸声材料为柔性环氧树脂，其吸声性能较好，且不影响压电振子的振动效果。
(3)背衬层5紧附在条形压电振子正极的背面，吸收压电振子向其后方向发射的散射信号，消除背面回波，减少激励信号结束之后压电振子产生的余振影响，抑制杂波的干扰。背衬材料厚度越大，其消除回波的效果越好，但随着背衬材料厚度增加，传感器激发的瑞利波振幅将逐渐减小。本发明中，背衬层的厚度设置为2λ，能最大程度避免余振的影响。材料选用柔性环氧树脂，并参杂少量钨粉，按质量比16：1比例混合而成，钨粉能提高材料的阻抗。此时材料具有高阻抗、高衰减的特性，对背向散射信号的吸收能力较强。
(4)声学连接层6紧附在条形压电振子负极的下表面。当信号从一个介质传播至另一个介质时，介质之间的声学阻抗差异将影响信号的传导性能。故在压电振子与PBX之间添加声学连接层，以减少瑞利波的反射，增强能量传导。其厚度设置为λ/4。材料选用柔性环氧树脂，并加入固化剂进行固化，按质量比4：1混合而成。此时其声阻抗介于压电振子与PBX之间，满足设计要求。
(5)为保护柔性梳状瑞利波传感器主体结构不受外界环境因素影响，需要在传感器的外围紧密贴合保护框架7，材料为柔性环氧树脂。本发明中，条形压电振子1、吸声材料2、背衬层5、声学连接层6和保护框架7均采用柔性材料，以保证传感器能在厚度方向实现一定程度的弯折。保护框架的总体尺寸控制在10mm×8mm×3mm，使系统整体尺寸趋于小型化，可以深入微小尺寸PBX表面，实现微小缺陷的无损检测。
(6)由于PBX是低声速介质，其声速比一般金属低得多，因此传统的PZT压电传感器在PBX表面频散现象严重，信号不能良好传导。本发明中，在梳状传感器的工作区域紧密贴合一层保护膜8，材料选用硅橡胶。硅橡胶是一种柔性、具有低声速特性的透声材料，衰减小，能使传感器主体能完全紧贴在变曲率PBX表面，同时有效地减少声波能量的损失。
本发明主要面向变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法，具体实施方案如下：
如图6所示，检测系统主要包括信号发生器、功率放大器、梳状传感器、数字示波器、信号处理器等。激励信号选用脉冲正弦信号，由信号发生器产生，并通过功率放大器放大之后向梳状传感器施加。传感器的下表面硅橡胶通过耦合剂与PBX表面直接接触。由压电效应可得，传感器将产生沿阵列排列方向传播的瑞利波。当向外传播的瑞利波与表面裂纹相遇时，将会发生反射、透射。此时，分别在裂纹的两侧设置梳状传感器接收经裂纹反射、透射后的信号，并通过数字示波器进行显示、分析。利用裂纹两侧接收到的反射回波、透射波的幅值可获得表面微小裂纹的位置与深度信息。
因此，实验步骤主要包括两个部分：
(1)首先，采用自激励、自接收模式以探测PBX表面是否存在裂纹缺陷，如图7所示。若在瑞利波的传播方向上有微小裂纹，则瑞利波与裂纹发生相互作用后，部分瑞利波将沿着原传播路径反向传播，此时梳状传感器将接收到反射回波信号，并由数字示波器显示成像。激励信号以及经PBX表面裂纹反射后的信号如图8所示。可根据有无反射回波信号判定PBX表面在该传播路径上是否存在裂纹。已知瑞利波的传播速度为cR，通过对比激励信号与回波信号的时间差Δt，由公式
可计算出裂纹缺陷与梳状传感器的距离，便可获得表面裂纹的位置信息。
(2)当检测到瑞利波的传播路径上存在裂纹时，再采用一激励、一接收模式以探测裂纹的深度，如图9所示。当向外传播的瑞利波与裂纹相遇时，部分瑞利波将绕过裂纹直接透射。此时在裂纹另一侧设置接收传感器以接收经裂纹透射后的信号，并由数字示波器显示成像。经实验可得，透射信号的幅值与裂纹深度的关系如图10所示，透射信号的幅值随着裂纹深度的增大而逐渐递减。由此规律可得，通过对比接收到的透射信号的幅值，可直接获取表面裂纹的深度信息。
本发明为面向变曲率PBX表面微小裂纹的无损检测提供了研究思路，主要优点在于：瑞利波传感器整体采用柔性结构，具有一定的灵活性，适用于变曲率PBX表面裂纹缺陷的快速扫描检测；传感器具有的小型化、柔性工艺兼容性好等特点，为PBX表面裂纹的扩展规律研究提供了全新的研究思路与技术支撑。
Claims (9)
1.一种基于压电材料的柔性梳状瑞利波传感器，包括多个PZT压电陶瓷条形压电振子，沿宽度方向排列成梳状结构，相邻条形压电振子之间填充有柔性材质的吸声材料，在条形压电振子的上、下表面分别连接有电路板，利用信号线分别将上、下表面的电路板并联汇集作为传感器的正、负电极；在压电振子正极的外表面设置有柔性材质的背衬层，在压电振子负极的外表面设置有柔性材质的声学连接层。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，吸声材料为柔性环氧树脂，背衬层为环氧树脂与钨粉按16：1比例混合而成，声学连接层为环氧树脂与固化剂按4：1比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，背衬层厚度为2λ，声学连接层厚度为λ/4。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在传感器主体结构的外围紧密贴合有保护框架，保护框架的材质为柔性环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在传感器的下表面紧密贴合一层保护膜，材质为硅橡胶。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，通过外接信号发生器向梳状阵列施加电信号，引起压电振子振动，便产生沿阵列排列方向的瑞利波。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，条形压电振子的宽度a等于激励瑞利波波长的二分之一，即a＝λ/2；相邻压电振子间的中心间距p应等于激励瑞利波的波长，即p＝λ，条形压电振子的长度l等于激励瑞利波波长的五倍，即l＝5λ；条形压电振子的厚度d等于激励瑞利波波长的四分之一，即d＝λ/4，其谐振频率等于激励瑞利波的共振频率。
8.权利要求1-7任意一项传感器实现的面向变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法，其特征在于，将传感器的保护膜一面贴合PBX表面固定，采用自激励、自接收模式以探测PBX表面是否存在裂纹缺陷，根据有无反射回波信号判定PBX表面在该传播路径上是否存在裂纹，设瑞利波的传播速度为cR，通过对比激励信号与回波信号的时间差Δt，计算出裂纹缺陷与梳状传感器的距离，获得表面裂纹的位置信息。
9.权利要求1-8任意一项传感器实现的面向变曲率PBX表面裂纹的无损检测方法，将传感器的保护膜一面贴合PBX表面固定，当检测到瑞利波的传播路径上存在裂纹时，再采用一激励、一接收模式以探测裂纹的深度，透射信号的幅值随着裂纹深度的增大而逐渐递减，通过对比接收到的透射信号的幅值，获取表面裂纹的深度信息。
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