CN113203800A - 一种用于叉指式换能器的性能标定装置及标定方法 - Google Patents

一种用于叉指式换能器的性能标定装置及标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于叉指式换能器的标定装置及标定方法，包括标定平台和标定信号产生装置；标定平台为圆柱状；标定信号产生装置，包括支撑支架、压杆、横梁和真空毛细玻璃管，横梁的两端支撑在支撑支架上，横梁位于标定平台的上方，真空毛细玻璃管安装于压杆的末端，压杆安装于横梁上，转动压杆能使得真空毛细玻璃管断裂，且在真空毛细玻璃管断裂时，真空毛细玻璃管的轴线与标定平台的上表面之间的夹角为30°。本发明能够实现叉指式换能器的动静态性能的标定具有全面性、稳定性、重复性与可对比性。

Description

一种用于叉指式换能器的性能标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，其涉及一种用于叉指式换能器的性能标定装置及标定方法。
背景技术
叉指式换能器(Interdigital Transducer,IDT)是构成声表面波器件的基本元件，近年来逐步应用于结构健康监测的导波检测中。常见的叉指式换能器的标定方法是从传感器大类出发，通过测试线性度、灵敏度、迟滞性等传感器的静态性能，忽视了叉指式换能器方位性、频率选择性、有效距离特性等动态的标定，这种普适于传感器的标定方法，不能满足叉指换能器标定的特色需求，且对于叉指式换能器缺少一种特有的装置，标定其各项基本应用。
铝板等薄板中传播的超声波形式为兰姆波，水平传播且易发生频散，易降低叉指换能器的标定结果准确性。半无限大介质中传播的瑞利波沿介质表面传播，在传播时不产生波形畸变，直径800mm，高度400mm的圆柱标定平台主要材质为低碳钢Q235，可实现在标定平台表面传播的主要为瑞利波，标定平台的材料和尺寸大于在标定台内传播的瑞利波的三倍波长，避免了边界反射波的干扰，提高叉指式换能器的标定精度。
目前对叉指式换能器的性能标定没有统一的标定装置，多将叉指式换能器置于板状结构或通过铅笔芯断铅的声发射方法，通过测试其性能达到性能标定的目的，但此种标定可针对各类传感器，对叉指式换能器的性能标定针对性并不强。铅笔芯断产生的声发射信号不稳定，且信号强度易受铅笔芯硬度、断裂长度以及笔芯直径等多个因素的影响，而真空毛细玻璃管折断时频率段集中，且强度只受内径的影响，产生的标定信号更为稳定，集中。
若真空毛细玻璃管折断通过徒手折断，手动折断时，真空毛细玻璃管与标定装置的角度、折断时的用力以及位置的准确性都难以控制，随机性很大，信号的重复性与可对比性较差，因此需要一种可灵活操控的、比较稳定的用于叉指式换能器的性能标定装置。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于叉指式换能器的性能标定装置，实现叉指式换能器的动静态性能的标定具有全面性、稳定性、重复性与可对比性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于叉指式换能器的标定装置，包括标定平台和标定信号产生装置；
所述标定平台为圆柱状；
所述标定信号产生装置，包括支撑支架、压杆、横梁和真空毛细玻璃管，所述横梁的两端支撑在所述支撑支架上，所述横梁位于所述标定平台的上方，所述真空毛细玻璃管安装于所述压杆的末端，所述压杆安装于所述横梁上，转动所述压杆能使得所述真空毛细玻璃管断裂，且在所述真空毛细玻璃管断裂时，所述真空毛细玻璃管的轴线与所述标定平台的上表面之间的夹角为30°。
进一步的，所述标定平台的直径800mm，高度为400mm，表面粗糙度小于0.3，材料含碳量为0.1％至0.6％的低碳钢Q235。
进一步的，所述真空毛细玻璃管地内径为0.5mm。
进一步的，所述压杆能够安装在所述横梁的不同位置上。
进一步的，所述横梁上设有若干个螺纹通孔，所述压杆上设有通孔，所述压杆与所述横梁通过半螺纹螺栓以及螺母连接。
进一步的，相邻两个螺纹通孔之间的中心间隔为50mm。
本发明还提出了一种用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，包括：
步骤A1：将叉指换能器和压电片粘接与所述标定平台的上表面上，叉指换能器和压电片关于所述横梁对称设置，且叉指换能器和压电片分别到折断所述真空毛细玻璃管位置的直线距离相等；
步骤A2：进行正行程测量，将所压杆依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤A3：进行逆行程测量，将所压杆依次从右至左安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤A4：导出数据，数据处理，压电片接收到的信号信息为原始的输入信号，进行输入/输出信号分析、正/逆行程分析；
步骤A5：根据输入/输出特性曲线，正/逆行程特性曲线，数据分析，得出叉指式换能器的线性度、灵敏度、滞后性、重复性。
本发明还提出了一种用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，包括：
步骤S1：将叉指换能器和压电片粘接于所述标定平台的上表面上，叉指换能器和压电片关于所述横梁对称设置，且叉指换能器和压电片分别到折断所述真空毛细玻璃管位置的直线距离相等；
步骤S2：将所压杆依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤S3：移动所述横梁，使得所述横梁绕所述标定平台的轴线旋转15°，返回步骤S2，所述横梁绕所述标定平台的轴线旋转360°；
步骤S4：数据处理，对叉指式换能器不同方位距离处的动态性能实现标定。
本发明的有益效果：
本发明的标定装置的标定平台采用直径800mm，高度400mm的圆柱低碳钢标定平台，可实现降低超声波传播的频散以及边界反射波的干扰，增强标定信号的强度和准确性。
本发明的标定信号产生装置包括支撑支架，压杆固定于支架横梁上，横梁侧面有中心间隔50mm的螺纹通孔，可实现直接验证叉指式换能器的距离特性，降低随机性，减少误差，真空毛细玻璃管粘于压杆末端，真空毛细玻璃管断裂时于标定台表面所呈角度为30°，增强信号的稳定性与集中性，实现标定信号的可重复性。
本发明可通过移动标定信号产生装置，绕圆柱标定平台的中心所在直线进行旋转，实现叉指式换能器方向性的标定。
运用叉指式换能器的标定装置对叉指式换能器的动静态性能标定，形成对叉指式换能器的基本性能进行全面的标定，增强了标定的准确性与标定数据的可对比性，有利于叉指式换能器的优化研究。
附图说明
图1为本发明所述一种用于叉指式换能器的性能标定装置的结构示意图。
图2为图1中真空毛细玻璃管的结构放大示意图。
图3是本发明的压杆装置的结构示意图。
图4是本发明的叉指式换能器的静态性能的标定示意图。
图5为本发明的叉指式换能器的动态性能的标定示意图一。
图6为本发明的叉指式换能器的动态性能的标定示意图二。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种用于叉指式换能器的性能标定装置。
请参阅图1至图3，根据本发明实施例的一种用于叉指式换能器的性能标定装置，包括标定平台、标定信号产生装置、压电片和示波器；
所述标定平台1为圆柱状，直径800mm，高度为400mm，表面粗糙度小于0.3，材料含碳量为0.1％至0.6％的低碳钢Q235。具有可实现在标定平台1表面传播的主要为瑞利波，较其他超声波，频散更少，增强信号强度，标定平台1的材料和尺寸大于在标定台内传播的瑞利波的三倍波长，避免了边界反射波的干扰，提高叉指式换能器的标定精度。
所述标定信号产生装置，包括支撑支架2、压杆3、横梁4和真空毛细玻璃管5，所述横梁4的两端支撑在所述支撑支架2上，所述横梁4位于所述标定平台1的上方，所述真空毛细玻璃管5安装于所述压杆3的末端，所述压杆3安装于所述横梁4上，转动所述压杆3能使得所述真空毛细玻璃管5断裂，且在所述真空毛细玻璃管5断裂时，所述真空毛细玻璃管5的轴线与所述标定平台1的上表面之间的夹角为30°，增强信号的稳定性与集中性，实现标定信号的可重复性。
进一步地，所述横梁4上设有若干个螺纹通孔，所述压杆3上设有通孔，所述压杆3与所述横梁4通过半螺纹螺栓以及螺母连接，使得压杆3能够安装在所述横梁4的不同位置上。本实施例中，横梁4上设有11个螺纹通孔，且相邻两个螺纹通孔之间的中心间隔为50mm。压杆3上设有通孔，压杆3与所述横梁4通过半螺纹螺栓7以及螺母8连接，具体连接方法为：半螺纹螺栓7的螺杆穿过压杆3的通孔中，螺母8从螺杆的末端旋在螺杆上，且将压杆3与螺栓头部9压紧，然后将半螺纹螺栓7的螺杆与横梁4上的螺纹通孔连接，且半螺纹螺栓7的螺杆末端与螺帽6连接。通过将压杆3安装于横梁4上不同的螺纹通孔处，可实现直接验证叉指式换能器的距离特性，降低随机性，减少误差，
本发明实施例提供了一种用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，请参阅图4，具体包括如下步骤：
步骤A1：将叉指换能器A和压电片C粘接于所述标定平台1的上表面上，叉指换能器A和压电片C关于所述横梁4对称设置，且叉指换能器A和压电片C分别到折断所述真空毛细玻璃管5位置的直线距离相等；
步骤A2：进行正行程测量，将所压杆3依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管5，示波器B记录波形数据；
步骤A3：进行逆行程测量，将所压杆3依次从右至左安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管5，示波器B记录波形数据；
步骤A4：导出数据，数据处理，压电片C接收到的信号信息为原始的输入信号，进行输入/输出信号分析、正/逆行程分析；
步骤A5：根据输入/输出特性曲线，正/逆行程特性曲线，数据分析，得出叉指式换能器A的线性度、灵敏度、滞后性、重复性。
上述方法能够用于对叉指式换能器的静态性能进行标定，标定结果较在铝板等薄板状结构更为准确，标定信号产生位置固定，减少实验的不确定性，增加可重复性，方便后续实验以及器件对比。
本发明实施例还提供了一种用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，请参阅图5与图6，具体包括：
步骤S1：将叉指换能器A和压电片C粘接与所述标定平台1的上表面上，叉指换能器A和压电片C关于所述横梁4对称设置，且叉指换能器A和压电片C分别到折断所述真空毛细玻璃管5位置的直线距离相等；
步骤S2：将所压杆3依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管5，示波器B记录波形数据；
步骤S3：移动所述横梁4，使得所述横梁4绕所述标定平台1的轴线旋转15°，返回步骤S2，所述横梁4绕所述标定平台1的轴线旋转360°；
步骤S4：数据处理，对叉指式换能器不同方位距离处的动态性能实现标定。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，包括标定平台和标定信号产生装置；
所述标定平台为圆柱状；
所述标定信号产生装置，包括支撑支架、压杆、横梁和真空毛细玻璃管，所述横梁的两端支撑在所述支撑支架上，所述横梁位于所述标定平台的上方，所述真空毛细玻璃管安装于所述压杆的末端，所述压杆安装于所述横梁上，转动所述压杆能使得所述真空毛细玻璃管断裂，且在所述真空毛细玻璃管断裂时，所述真空毛细玻璃管的轴线与所述标定平台的上表面之间的夹角为30°。
2.根据权利要求1所述的用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，所述标定平台的直径800mm，高度为400mm，表面粗糙度小于0.3，材料含碳量为0.1％至0.6％的低碳钢Q235。
3.根据权利要求1所述的用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，所述真空毛细玻璃管地内径为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，所述压杆能够安装在所述横梁的不同位置上。
5.根据权利要求4所述的用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，所述横梁上设有若干个螺纹通孔，所述压杆上设有通孔，所述压杆与所述横梁通过半螺纹螺栓以及螺母连接。
6.根据权利要求5所述的用于叉指式换能器的标定装置，其特征在于，相邻两个螺纹通孔之间的中心间隔为50mm。
7.一种根据权利要求1所述的用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，其特征在于，包括：
步骤A1：将叉指换能器和压电片粘接与所述标定平台的上表面上，叉指换能器和压电片关于所述横梁对称设置，且叉指换能器和压电片分别到折断所述真空毛细玻璃管位置的直线距离相等；
步骤A2：进行正行程测量，将所压杆依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤A3：进行逆行程测量，将所压杆依次从右至左安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤A4：导出数据，数据处理，压电片接收到的信号信息为原始的输入信号，进行输入/输出信号分析、正/逆行程分析；
步骤A5：根据输入/输出特性曲线，正/逆行程特性曲线，数据分析，得出叉指式换能器的线性度、灵敏度、滞后性、重复性。
8.一种根据权利要求1所述的用于叉指式换能器的标定装置的标定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将叉指换能器和压电片粘接于所述标定平台的上表面上，叉指换能器和压电片关于所述横梁对称设置，且叉指换能器和压电片分别到折断所述真空毛细玻璃管位置的直线距离相等；
步骤S2：将所压杆依次从左至右安装在所述螺纹通孔中，依次所述折断真空毛细玻璃管，示波器记录波形数据；
步骤S3：移动所述横梁，使得所述横梁绕所述标定平台的轴线旋转15°，返回步骤S2，所述横梁绕所述标定平台的轴线旋转360°；
步骤S4：数据处理，对叉指式换能器不同方位距离处的动态性能实现标定。
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