CN115266326A - 一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置及测定方法，装置包括底座、支撑机构、喇叭天线机构、丝杠传动机构、夹持机构、矢量网络分析仪机构，丝杆传动机构通过转动手轮带动螺母座进行上下移动，同时带动L型连接块进行移动，L型连接块、上活动横梁、夹持机构相互连接，下活动横梁通过锁止块进行固定，进而带动了两个夹具组件相互远离或靠近运动，能够实现复合材料的实时拉伸或压缩；矢量网络分析仪机构通过同轴线将矢量网络分析仪与喇叭天线相连，向复合材料辐射毫米波，实现对复合材料的检测。该原位检测装置能够基于毫米波对复合材料内部缺陷进行原位实时检测，结构简单、运行平稳、使用方便。

Description

一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置及测定方法
技术领域
本发明涉及材料原位损伤检测技术领域，尤其涉及一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置及测定方法。
背景技术
任何材料的宏观性能都取决于该材料的组成物质及其微观结构。一般而言，通过对材料进行拉伸或压缩实验可以得到材料的载荷-位移曲线进而得到材料的屈服强度、抗拉强度等宏观力学，但这种方法无法实时观测到材料内部裂纹等损伤萌生发展的过程，只能唯象得研究材料的失效过程。而复合材料研究领域，不同材料组分、复合形式对材料的宏观性能影响巨大，因此材料原位检测与评估技术已成为业内高度的技术热点和研究方向，这就需要发展相适应的试验装置和测定技术。近年来，超声、X射线、红外、太赫兹、涡流、电阻法等方法进行材料无损检测已经取得到了较大进展，同时越来越多的人开始研究毫米波在材料无损检测中的应用，Yang等利用毫米波(65-67GHz)成像技术对碳纤维增强复合材料的冲击损伤进行检测，但系统只能检测表面损伤，无法检测内部缺陷，且无法实现实时性；吉林大学无损检测实验室基于毫米波及太赫兹搭建了一套用于材料无损检测的三维成像雷达系统，实现系统的中心频率约200GHz，带宽高达47GHz，平面和距离分辨率分别为2.1mm和3.2mm，然而系统的结构复杂，造价昂贵，且无法实现实时性.
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置及测定方法，实现了实时检测材料内部缺陷的功能，同时具有夹持方便、结构紧凑等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：包括底座、支撑机构、喇叭天线机构、待测件夹持机构、丝杆传动机构和矢量网络分析仪，所述支撑机构包括纵梁、固定横梁、上活动横梁、下活动横梁、导轨和滑块，所述纵梁固定连接在所述底座上，所述固定横梁固定连接在两根纵梁之间，所述导轨沿着纵梁的内侧固定设置在固定横梁的下方，所述上活动横梁和下活动横梁通过滑块活动连接在导轨上，所述待测件夹持机构设置有两组，分别固定连接在上活动横梁和下活动横梁上，用来夹持固定待测件，所述丝杆传动机构的一端固定连接在所述固定横梁上，一端固定连接在所述上活动横梁上，能够带动上活动横梁沿着导轨上下移动，所述喇叭天线机构分别相对设置在支撑机构的两侧并固定在底座上，所述矢量网络分析仪通过同轴线与喇叭天线机构相连接。
进一步的，所述丝杆传动机构包括手轮、固定支座、丝杆、螺母座、支撑支座和L型连接块，所述固定横梁包括上固定横梁和下固定横梁，所述固定支座和支撑支座分别固定连接在所述上固定横梁和下固定横梁上，所述丝杆的上端与所述手轮螺纹连接，下端固定连接所述螺母座，所述L型连接块的一端连接螺母座，一端连接所述上活动横梁。
进一步的，所述待测件夹持机构包括夹具、压紧平板、缓冲平板和连接螺栓，所述夹具包括相互连接的圆柱杆和夹头，所述夹头上设置有两级凹槽，包括第一凹槽和第二凹槽，所述第二凹槽设置在所述第一凹槽内，待测件的两端能够与第二凹槽相配合，所述压紧平板螺栓连接在第一凹槽内，所述缓冲平板设置在所述待测件和压紧平板之间，所述圆柱杆一端设有螺纹孔，另一端焊接在夹头上，所述连接螺栓的一端与圆柱杆螺纹连接，一端固定连接在上活动横梁或下活动横梁上。
进一步的，所述连接螺栓包括相互连接的圆片和螺纹杆，所述圆片上设置有螺纹孔，与上活动横梁或下活动横梁螺栓连接，所述螺纹杆和所述圆柱杆螺纹连接。
进一步的，所述喇叭天线机构包括相互连接的喇叭天线和支撑支架，所述支撑支架固定连接在所述底座上。
进一步的，所述下活动横梁与导轨之间设置有锁止块，所述锁止块能够固定下活动横梁和导轨之间的相对位置。
一种基于毫米波的复合材料损伤测定方法，利用上述任一项所述的一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待测件用待测件夹持机构夹持固定住；
S2：通过调整丝杆传动机构，使得待测件正对喇叭天线机构；
S3：通过动力源以及控制系统，矢量网络分析仪作为辐射源通过一侧的喇叭天线机构向待测件发射毫米波，由另一侧的喇叭天线机构接收透波信号并传递回矢量网络分析仪；
S4：固定下活动横梁，通过调整丝杆传动机构改变上活动横梁的位置，从而实现待测件的原位拉伸或压缩；
S5：重复S3、S4直至测定结束。
进一步的，所述喇叭天线发射的毫米波的波形为为步进调频连续波，接收的回波信号为透射波。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明安装的丝杆传动机构，在实际使用中，通过转动手轮带动螺母座进行上下移动，同时带动L型连接块进行移动，由于L型连接块、上活动横梁，夹持机构相互连接，下活动横梁通过锁止块进行固定，进而带动了两个夹具组件相互远离或靠近运动，能够实现材料的原位拉伸或压缩。2、本发明采用矢量网络分析仪作为辐射源，辐射波波形为步进调频连续波，可以保证快速地获得高频毫米波信号，并且稳定地向外辐射毫米波信号。通过一只喇叭天线辐射毫米波，另一只喇叭天线接收透射信号，降低了噪声信号的干扰，使得整体结构紧凑、运行平稳、使用方便。3、本发明的矢量网络分析仪结构运行的同时进行材料的实时原位拉伸或压缩，实现了实时原位检测材料内部缺陷功能。
附图说明
图1为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的局部结构示意图；
图3为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的支撑机构示意图；
图4为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的丝杆传动机构示意图；
图5为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的导轨滑块示意图；
图6为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的喇叭天线机构示意图；
图7为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的待测件夹持机构示意图；
图8为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的连接螺栓示意图；
图9为本发明一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的夹头示意图；
其中：1-底座；2-支撑机构；3-喇叭天线机构；4-丝杆传动机构；5-待测件；6-待测件夹持机构；7-矢量网络分析仪；8-同轴线；21-纵梁；22-上固定横梁；23-下固定横梁；24-上活动横梁；25-下活动横梁；26-导轨；27-滑块；28-锁止块；31-喇叭天线；32-支撑支架；33-连接件；41-手轮；42-固定支座；43-丝杆；44-螺母座；45-支撑支座；46-L型连接块；61-连接螺栓；611-圆片；612-螺纹杆；62-夹具；621-圆柱杆；622-夹头；623-第一凹槽；624-第二凹槽；63-压紧平板；64-缓冲平板。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1-9示出了一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置的具体实施例，如图1、2所示，包括底座1、支撑机构2、喇叭天线机构3、待测件夹持机构6、丝杆传动机构4和矢量网络分析仪7。如图3所示，支撑机构2包括纵梁21、上固定横梁22、下固定横梁23，上活动横梁24、下活动横梁25、导轨26和滑块27，纵梁21固定连接在底座1上，一侧开有螺纹孔，上固定横梁22、下固定横梁23固定连接在两根纵梁21之间，导轨26沿着纵梁21的内侧螺纹孔螺栓固定设置在下固定横梁23的下方，上活动横梁24和下活动横梁25通过滑块27活动连接在导轨26上。待测件夹持机构6设置有两组，分别固定连接在上活动横梁24和下活动横梁25上，用来夹持固定待测件5，丝杆传动机构4的一端固定连接在固定横梁上，一端固定连接在上活动横梁24上，能够带动上活动横梁24沿着导轨26上下移动，喇叭天线机构3分别相对设置在支撑机构2的两侧并固定在底座1上，矢量网络分析仪7通过同轴线8与喇叭天线机构3相连接。
如图1、4所示，丝杆传动机构4包括手轮41、固定支座42、丝杆43、螺母座44、支撑支座45和L型连接块46，固定支座42和支撑支座45分别固定连接在上固定横梁22和下固定横梁23上，丝杆43的上端与手轮41螺纹连接，下端固定连接螺母座44，L型连接块46的一端连接螺母座44，一端连接上活动横梁24。通过转动手轮41带动螺母座44进行上下移动，同时带动L型连接块46进行移动，由于L型连接块46、上活动横梁24，待测件夹持机构6相互连接，下活动横梁25通过锁止块28进行固定，进而带动了两个夹具组件相互远离或靠近运动，能够实现材料的拉伸或压缩。
如图1、7、8、9所示，待测件夹持机构包括夹具62、压紧平板63、缓冲平板64和连接螺栓61，夹具62包括相互连接的圆柱杆621和夹头622，夹头622上设置有两级凹槽，包括第一凹槽623和第二凹槽624，第二凹槽624设置在第一凹槽623内，待测件5的两端能够与第二凹槽624相配合，压紧平板63螺栓连接在第一凹槽623内，缓冲平板64设置在待测件5和压紧平板63之间，圆柱杆621一端设有螺纹孔，另一端焊接在夹头622上，连接螺栓61包括相互连接的圆片611和螺纹杆612，圆片611上设置有螺纹孔，与上活动横梁24或下活动横梁25螺栓连接，螺纹杆612和圆柱杆621螺纹连接。
如图6所示，喇叭天线机构3包括相互连接的喇叭天线31和支撑支架32，支撑支架32固定连接在底座1上。通过喇叭天线31与支撑支架32采用不同螺纹孔进行连接，可实现喇叭天线31的垂向调节；通过连接件33与底座1采用不同螺纹孔进行连接，可实现喇叭天线机构3的纵向调节。
如图5所示，下活动横梁25与导轨26之间设置有锁止块28，锁止块28能够固定下活动横梁25和导轨26之间的相对位置。
优选地，底座1为三个近似矩形结构组装而成，最终呈现十字形状。上固定横梁22、下固定横梁23、上活动横梁24和下活动横梁25上均设置有减重孔。
利用上述实施例的一种基于毫米波的复合材料损伤测定方法，包括如下步骤：
S1：将待测件5的上下两端放入待测件夹持机构6的第二凹槽624内，其上依次叠放缓冲平板64和压紧平板63进行固定；
S2：通过转动丝杆传动机构4的手轮41，使得待测件5正对喇叭天线机构3，然后固定锁止块28，使下活动横梁25与导轨26之间固定；
S3：通过动力源以及控制系统，矢量网络分析仪7作为辐射源通过一侧的喇叭天线机构3向待测件5发射毫米波，由另一侧的喇叭天线机构3接收透波信号并传递回矢量网络分析仪7；
S4：通过转动手轮41改变上活动横梁24的位置，从而实现待测件5的原位拉伸或压缩；
S5：重复S3、S4直至测定结束。
优选地，喇叭天线31发射的毫米波的波形为为步进调频连续波，接收的回波信号为透射波。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：包括底座(1)、支撑机构(2)、喇叭天线机构(3)、待测件夹持机构(6)、丝杆传动机构(4)和矢量网络分析仪(7)，所述支撑机构(2)包括纵梁(21)、固定横梁、上活动横梁(24)、下活动横梁(25)、导轨(26)和滑块(27)，所述纵梁(21)固定连接在所述底座(1)上，所述固定横梁固定连接在两根纵梁(21)之间，所述导轨(26)沿着纵梁(21)的内侧固定设置在固定横梁的下方，所述上活动横梁(24)和下活动横梁(25)通过滑块(27)活动连接在导轨(26)上，所述待测件夹持机构(6)设置有两组，分别固定连接在上活动横梁(24)和下活动横梁(25)上，用来夹持固定待测件(5)，所述丝杆传动机构(4)的一端固定连接在所述固定横梁上，一端固定连接在所述上活动横梁(24)上，能够带动上活动横梁(24)沿着导轨(26)上下移动，所述喇叭天线机构(3)分别相对设置在支撑机构(2)的两侧并固定在底座(1)上，所述矢量网络分析仪(7)通过同轴线(8)与喇叭天线机构(3)相连接。
2.根据权利要求1所述一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：所述丝杆传动机构(4)包括手轮(41)、固定支座(42)、丝杆(43)、螺母座(44)、支撑支座(45)和L型连接块(46)，所述固定横梁包括上固定横梁(22)和下固定横梁(23)，所述固定支座(42)和支撑支座(45)分别固定连接在所述上固定横梁(22)和下固定横梁(23)上，所述丝杆(43)的上端与所述手轮(41)螺纹连接，下端固定连接所述螺母座(44)，所述L型连接块(46)的一端连接螺母座(44)，一端连接所述上活动横梁(22)。
3.根据权利要求2所述一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：所述待测件夹持机构(6)包括夹具(62)、压紧平板(63)、缓冲平板(64)和连接螺栓(61)，所述夹具(62)包括相互连接的圆柱杆(621)和夹头(622)，所述夹头(622)上设置有两级凹槽，包括第一凹槽(623)和第二凹槽(624)，所述第二凹槽(624)设置在所述第一凹槽(623)内，待测件(5)的两端能够与第二凹槽(624)相配合，所述压紧平板(63)螺栓连接在第一凹槽(623)内，所述缓冲平板(64)设置在所述待测件(5)和压紧平板(63)之间，所述圆柱杆(621)一端设有螺纹孔，另一端焊接在夹头(622)上，所述连接螺栓(61)的一端与圆柱杆(621)螺纹连接，一端固定连接在上活动横梁(24)或下活动横梁(25)上。
4.根据权利要求3所述一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：所述连接螺栓(61)包括相互连接的圆片(611)和螺纹杆(612)，所述圆片(611)上设置有螺纹孔，与上活动横梁(24)或下活动横梁(25)螺栓连接，所述螺纹杆(612)和所述圆柱杆(621)螺纹连接。
5.根据权利要求1所述一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：所述喇叭天线机构(3)包括相互连接的喇叭天线(31)和支撑支架(32)，所述支撑支架(32)固定连接在所述底座(1)上。
6.根据权利要求1所述一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于：所述下活动横梁(25)与导轨(26)之间设置有锁止块(28)，所述锁止块(28)能够固定下活动横梁(25)和导轨(26)之间的相对位置。
7.一种基于毫米波的复合材料损伤测定方法，利用权利要求1-6任一项所述的一种基于毫米波的复合材料损伤原位检测装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待测件(5)用待测件夹持机构(6)夹持固定住；
S2：通过调整丝杆传动机构(4)，使得待测件(5)正对喇叭天线机构(3)；
S3：通过动力源以及控制系统，矢量网络分析仪(7)作为辐射源通过一侧的喇叭天线机构(3)向待测件(5)发射毫米波，由另一侧的喇叭天线机构(3)接收透波信号并传递回矢量网络分析仪(7)；
S4：固定下活动横梁(25)，通过调整丝杆传动机构(4)改变上活动横梁(24)的位置，从而实现待测件(5)的原位拉伸或压缩；
S5：重复S3、S4直至测定结束。
8.根据权利要求7所述一种基于毫米波的复合材料损伤测定方法，其特征在于：所述喇叭天线机构(3)发射的毫米波的波形为为步进调频连续波，接收的回波信号为透射波。
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