CN114509384A - 用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置及其最优激光冲击距离计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置及其最优激光冲击距离计算方法。该激光冲击波检测装置可在保持激光冲击强度恒定的情况下，通过调节激光发射探头与被检工件之间的距离，实现利用同一个激光发射探头对不同材料的界面结合力检测。并且，该激光冲击波检测装置操作简单，在使用过程中只需要根据计算出的最优激光冲击距离利用距离调节装置调节激光发射装置的激光发射探头与材料的提离距离即可，与现有检测方式相比，可显著提高激光冲击波检测效率。

Description

用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置及其最 优激光冲击距离计算方法

技术领域

本发明涉及一种用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置及其最优激光冲击距离计算方法。

背景技术

在航空领域，我国军机数量数千架，民航客机达4000架以上，且品种和数量在逐年增加；先进复合材料已成为四大航空结构材料之一，用量在逐渐增大、甚至达到50％以上。同时，复合材料在航天、能源、交通等领域装备上也得到大量应用。复合材料主要通过胶粘连接，粘接界面结合力是影响复合材料服役性能的关键性能指标之一。传统拉拔法、剪切法和弯曲法等结合力检测方法既会损伤材料，又无法在线检测。激光冲击波界面结合力检测技术是利用激光冲击波反射拉伸造成粘接界面层裂的原理，实现界面结合力的定量性检测评估。

目前，在复合材料激光冲击波界面结合力检测中实现对不同材料的检测主要通过调节激光强度和冲击方式来实现，不仅费时费力，而且技术难度高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，以解决目前还需要通过调节激光强度和冲击方式来实现不同材料的检测的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，包括激光发射装置以及用于调节激光发射装置的冲击距离的距离调节装置。

进一步地，所述距离调节装置包括沿着激光发射装置的移动路径设置的导轨、与所述导轨滑动配合的滑块以及用于驱动滑块沿着导轨滑动的驱动装置；所述激光发射装置安装在所述滑块上。

进一步地，所述导轨为齿条，所述滑块上安装有与所述齿条相啮合的齿轮；所述距离调节装包括至少两个齿条；当所述齿条数为2时，两个所述齿条呈对称设置在滑块的两侧；当所述齿条数大于2时，若干所述齿条沿着所述滑块的周向均匀布置。

进一步地，所述滑块的中部设有限位孔，所述激光发射装置的激光发射探头固定在所述限位孔内迎向待测材料样体设置。

进一步地，该激光冲击波检测装置还包括箱体，所述激光发射装置和距离调节装置安装在所述箱体内；所述驱动装置包调节杆，调节杆的一端与所述滑块连接，调节杆的另一端向上贯穿箱体的顶壁上的过孔延伸至箱体外；箱体的顶部设有与所述调节杆相配合的锁止机构。

进一步地，所述调节杆为螺纹杆，所述锁止机构包括安装在所述箱体的顶部的螺母。

进一步地，所述箱体的顶壁外侧设有与所述的螺母适形配合的限位台阶，所述限位台阶为箱体的顶壁环绕所述过孔下沉形成，所述螺母固定安装所述限位台阶内。

进一步地，所述箱体的侧部设有沿着激光发射装置的移动路径开设的可视窗，所述可视窗上设有用于测量激光发射装置的移动距离的刻度线。

进一步地，所述限位孔内设有橡胶垫。

此外，本发明还提供了一种最优激光冲击距离计算方法，该方法包括采用如下公式计算上述激光冲击波检测装置的最优激光冲击距离：

log(C)＝log(f₁(h))+log(f₂(d))+log(A) (1)

其中，C为接受信号，A为激励信号，h为激励端提离距离，d为缺陷深度。

本发明的有益效果为：该激光冲击波检测装置可在保持激光冲击强度恒定的情况下，通过调节激光发射探头与被检工件之间的距离，实现利用同一个激光发射探头对不同材料的界面结合力检测；该检测装置检测操作简单，可有效提高激光冲击波检测效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的轴测图；

图2为本发明一个实施例的仰视图；

图3为本发明一个实施例的图2的A-A剖视图；

图4为本发明一个实施例的距离调节装置的轴测图；

图5为本发明一个实施例的距离调节装置的正视图；

图6为本发明一个实施例的距离调节装置俯视图；

图7为本发明一个实施例的检测原理图；

其中：1、箱体；11、可视窗；12、刻度线；2、螺纹杆；21、手柄；3、螺母；4、激光发射装置；41、激光发射探头；5、滑动块；6、齿轮；7、齿条。

具体实施方式

如图1所示的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，包括激光发射装置4以及用于调节激光发射装置4的冲击距离的距离调节装置。该激光冲击波检测装置可在保持激光冲击强度恒定的情况下，通过调节激光发射装置4的激光发射探头41与被检工件之间的距离，实现利用同一个激光发射探头41对不同材料的界面结合力检测。并且，该激光冲击波检测装置操作简单，在使用过程中只需要根据计算出的最优激光冲击距离利用距离调节装置调节激光发射装置4的激光发射探头41与被检工件的提离距离即可，与现有检测方式相比，可显著提高激光冲击波检测效率。

根据本申请的一个实施例，所述距离调节装置包括沿着激光发射装置4的移动路径设置的导轨、与所述导轨滑动配合的滑块以及用于驱动滑块沿着导轨滑动的驱动装置；所述激光发射装置4安装在所述滑块上。在检测过程中只需要利用驱动装置驱动滑块沿着导轨滑动，即可通过滑块载着激光发射装置4沿着导轨移动，从而实现激光发射装置4的激光发射探头41与被检工件之间的距离调节。

根据本申请的一个实施例，所述导轨为齿条7，所述滑块上安装有与所述齿条7相啮合的齿轮6，滑块与齿轮6通过轴承相连确保齿轮6可以自由转动。所述距离调节装包括至少两个齿条7；当所述齿条7数为2时，两个所述齿条7呈对称设置在滑块的两侧；当所述齿条7数大于2时，若干所述齿条7沿着所述滑块的周向均匀布置。通过齿轮6齿与齿条7啮合作用，可便于精确调节距离；通过在滑块的周向布置至少两个齿条7，可提高滑块的稳定性，进而保证激光发射装置4及其激光发射探头41的平稳性。

根据本申请的一个实施例，所述滑块的中部设有限位孔，所述激光发射装置4的激光发射探头41固定在所述限位孔内迎向待测材料样体设置。将激光发射装置4的激光发射探头41固定在所述限位孔内，可保证激光发射探头41的稳定性。

根据本申请的一个实施例，该激光冲击波检测装置还包括箱体1，所述激光发射装置4和距离调节装置安装在所述箱体1内；距离调节装置的导轨(包括齿条7)安装在箱体1的内壁上。所述驱动装置包调节杆，调节杆的一端与所述滑块连接，调节杆的另一端向上贯穿箱体1的顶壁上的过孔延伸至箱体1外；箱体1的顶部设有与所述调节杆相配合的锁止机构。该箱体1可分为左右两部分，左部分为信号接收装置图中未示出，右部分为激光发射装置4，两部分装在同一个箱体1中。

根据本申请的一个实施例，所述调节杆为螺纹杆2，所述锁止机构包括安装在所述箱体1的顶部的螺母3。在检测过程中，可手动旋转螺纹杆2，通过螺纹杆2驱动滑块上下移动，在调整好距离后，通过螺母3实现螺纹杆2锁止。为了便于操作，可在螺纹杆2的顶部设置一个手柄21(形状可为环形、长条形或其他形状)。

根据本申请的一个实施例，所述箱体1的顶壁外侧设有与所述的螺母3适形配合的限位台阶，所述限位台阶为箱体1的顶壁环绕所述过孔下沉形成，所述螺母3固定安装所述限位台阶内。限位台阶的横截面可设为两个正六边形扭转形成的正二十四边形，便于螺母3能直接或者旋转小角度便能放入孔内。

根据本申请的一个实施例，所述箱体1的侧部设有沿着激光发射装置4的移动路径开设的可视窗11，所述可视窗11上设有用于测量激光发射装置4的移动距离的刻度线12。箱体1外部的刻度表12可采用毫米为单位，使得探头与材料的距离变得更直观，

根据本申请的一个实施例，所述限位孔内设有橡胶垫。通过在激光发射探头41与滑动块5之间设置一个橡胶圈，可用于卡死探头和滑块的同时也便维护。

此外，本发明还提供了一种最优激光冲击距离计算方法，该方法包括采用如下公式计算上述激光冲击波检测装置的最优激光冲击距离：

log(C)＝log(f₁(h))+log(f₂(d))+log(A) (1)

其中，C为接受信号，A为激励信号，h为激励端提离距离，d为缺陷深度；由于A为常数，而在实验中d为定量，故上述接受信号C与高度h的正比关系。

设定原始的激励信号A保持不变，上述激光冲击波检测装置在检测时，信号传递如图7所示，可以采用方程表示如下：

B＝f₁(h)A (2)

C＝f₂(d)B (3)

故接收信号C与激励信号A之间可表示为：

C＝f₁(h)f₂(d)A (4)

根据上述公式(4)可知，接收信号C与激励信号A、激励端提离距离h、缺陷深度d有关。当然接收信号还与探头的其他参数、工件的材料有关。

假定探头其他参数、工件材料均不变。当电磁超声探头与工件表面非接触时，其激励端和接收端的提离效应可以通过乘以耦合系数进行表示。如下所示：

其中，V_R代表接收端线圈电压，I_T代表激励端电流，w代表信号的频率，B₀代表静态磁场，N₀代表线圈的匝数，W代表线圈的长度，Y_M代表导纳，C表示耦合系数，下标T和下标R分别表示激励端和接收端、下标1和下标3分别表示X方向和Z方向。

上述方程中C_T和C_R即分别代表激励端和接收端的提离效应，与接触式检测方式相比，非接触检测的接收端信号电压乘以了耦合系数C_T和C_R。通过乘以耦合系数C_T和C_R准确地描述了激励端和接收端提离距离对接收信号的影响。故采用公式(4)进行描述检测信号是合理的。与公式(5)相比，公式(4)中的函数f₁类比于耦合系数C_T。

由于接收线圈贴在材料表面，层裂信号即为线圈接收到的信号。当线圈的厚度很小，相对于线圈间距来说可忽略。线圈的提离距离与信号强度之间的关系为指数关系，如公式(6)所示：

V＝V₀e^-2πh/D (6)

即C_T、f₁的形式应当为指数形式，而且根据公式(6)可知，信号强度只和曲折线圈之间的间距有关，与其它的参数无关。其中V代表存在提离距离时的信号强度，V₀代表没有提离距离时的信号强度，h代表线圈与工件之间的提离距离D代表相邻线圈的间距。

根据上述模型的推导，即公式(4)表示正确，此时对方程(4)两边取对数，可得到方程如(1)所示：

log(C)＝log(f₁(h))+log(f₂(d))+log(A) (1)

由方程(1)可知，A恒定不变，那么log(A)相当于常数；而函数f₁的形式为指数类型，那么两边分别取对数后，log(C)与提离距离h都应当为线性关系，而且斜率只和相邻线圈之间的间距D有关。最终获得最优提离距离。

通过采用上述公式计算激光冲击波检测装置的最优激光冲击距离，可保证激光冲击波检测准确度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，包括激光发射装置以及用于调节激光发射装置的冲击距离的距离调节装置。

2.根据权利要求1所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述距离调节装置包括沿着激光发射装置的移动路径设置的导轨、与所述导轨滑动配合的滑块以及用于驱动滑块沿着导轨滑动的驱动装置；所述激光发射装置安装在所述滑块上。

3.根据权利要求2所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述导轨为齿条，所述滑块上安装有与所述齿条相啮合的齿轮；所述距离调节装包括至少两个齿条；当所述齿条数为2时，两个所述齿条呈对称设置在滑块的两侧；当所述齿条数大于2时，若干所述齿条沿着所述滑块的周向均匀布置。

4.根据权利要求2或3所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述滑块的中部设有限位孔，所述激光发射装置的激光发射探头固定在所述限位孔内迎向待测材料样体设置。

5.根据权利要求2所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，该激光冲击波检测装置还包括箱体，所述激光发射装置和距离调节装置安装在所述箱体内；所述驱动装置包调节杆，调节杆的一端与所述滑块连接，调节杆的另一端向上贯穿箱体的顶壁上的过孔延伸至箱体外；箱体的顶部设有与所述调节杆相配合的锁止机构。

6.根据权利要求5所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述调节杆为螺纹杆，所述锁止机构包括安装在所述箱体的顶部的螺母。

7.根据权利要求6所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述箱体的顶壁外侧设有与所述的螺母适形配合的限位台阶，所述限位台阶为箱体的顶壁环绕所述过孔下沉形成，所述螺母固定安装所述限位台阶内。

8.根据权利要求7所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述箱体的侧部设有沿着激光发射装置的移动路径开设的可视窗，所述可视窗上设有用于测量激光发射装置的移动距离的刻度线。

9.根据权利要求4所述的用于不同复合材料界面结合力的激光冲击波检测装置，其特征在于，所述限位孔内设有橡胶垫。

10.一种最优激光冲击距离计算方法，其特征在于，包括采用如下公式计算权利要求1-9任一所述激光冲击波检测装置的最优激光冲击距离：

log(C)＝log(f₁(h))+log(f₂(d))+log(A) (1)

其中，C为接受信号，A为激励信号，h为激励端提离距离，d为缺陷深度。

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