CN116297847B - 用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，提出了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备及方法，在传感器内间隔设置的多个压电阵元上设置第一电极和第二电极；相邻的至少两个第一电极并联后与接收器上的第一接口连接，相邻的至少两个第二电极并联后与接收器上的第二接口连接，通过改变并联电极的数量连接关系，改变用于参加检测的压电阵元数量和电极间隔距离进行波长调谐，实现了一定频率范围内单一模态兰姆波的接收，提高了对板壳结构无损检测的精度，推动了兰姆波在板壳结构检测领域的实际应用。

Description

用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备及方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备及方法。

背景技术

板壳结构在工业装备中广泛存在，比如飞机的蒙皮和叶片、核电站反应堆的压力容器和油气管道等。这些板壳构件在正常服役过程中，由于腐蚀、老化、疲劳和蠕变损伤等原因，会导致结构失效，严重威胁工业装备的安全运行和人民生命财产安全。因此，开展无损检测和结构健康监测对于保证板壳结构的安全服役，减少灾难性事故发生至关重要。

发明人发现，板壳结构中的兰姆波因其检测效率高、检测范围广和检测速度快等优势受到了广泛关注。但是，板壳结构中兰姆波的多模态特性使得同一频率下板壳结构中可以同时存在多种传播模态，导致了无损检测结果的多样性，影响其检测精度，同时也增加了检测规程设计和信号分析难度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备及方法，本发明通过在设置带有多电极的传感器，通过改变电极连接数量来改变电极间隔距离进行波长调谐，实现了一定频率范围内单一模态兰姆波的接收，提高了对板壳结构无损检测的精度，推动了兰姆波在板壳结构检测领域的实际应用。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提出了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，采用如下技术方案：

一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，包括传感器和接收器；

所述传感器内间隔设置有多个压电阵元，每个压电阵元的两端分别设置有第一电极和第二电极；

所述接收器上设置有第一接口和第二接口；相邻的至少两个第一电极并联后与所述第一接口连接，相邻的至少两个第二电极并联后与所述第二接口连接；通过改变并联电极的数量连接关系，改变用于参加检测的压电阵元数量和电极间隔距离进行波长调谐，实现对单一模态兰姆波的接收。

进一步的，多个压电阵元尺寸结构相同。

进一步的，所述压电阵元为压电陶瓷。

进一步的，相邻两个压电阵元间隔处设置有绝缘材料。

进一步的，相邻压电阵元的间隔距离相等。

进一步的，多个压电阵元所在平面的一侧设置有吸声层，另一侧设置有阻抗层。

进一步的，所述压电阵元与所述吸声层和所述阻抗层之间均通过绝缘环氧树脂胶粘接。

进一步的，所述吸声层为包括环氧树脂、碳化硅和聚硫橡胶的混合物。

进一步的，所述阻抗层为包括环氧树脂和镁合金的混合物。

为了实现上述目的，第二方面，本发明还提出了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测方法，采用如下技术方案：

一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测方法，采用了如第一方面中所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，包括通过传感器采集被测板壳结构上的单一模态兰姆波，接收器对单一模态兰姆波进行处理，进行板壳结构的无损检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明在传感器内间隔设置的多个压电阵元上设置第一电极和第二电极；相邻的至少两个第一电极并联后与接收器上的第一接口连接，相邻的至少两个第二电极并联后与接收器上的第二接口连接，通过改变并联电极的数量连接关系，改变用于参加检测的压电阵元数量和电极间隔距离进行波长调谐，实现了一定频率范围内单一模态兰姆波的接收，避免了兰姆波的多模态特性使得同一频率下板壳结构中可以同时存在多种传播模态，导致无损检测结果多样性的问题，提高了对板壳结构无损检测的精度，推动了兰姆波在板壳结构检测领域的实际应用；

2、本发明提供的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备检测效率高，制备工艺简单，成本低，适合工程应用，有利于推动兰姆波在板壳结构检测领域的实际应用。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的吸声层和阻抗层位置示意图；

图3为本发明实施例1的压电阵元布局示意图；

图4为本发明实施例1的电极设置位置示意图；

图5为本发明实施例1的波长为24mm的单一模态兰姆波时，压电阵元分布示意图；

图6为本发明实施例1的波长为6mm的单一模态兰姆波时，压电阵元分布示意图。

图7为本发明实施例3的波长为12mm的单一模态兰姆波时，压电阵元分布示意图；

图8为本发明实施例3的波长为15mm的单一模态兰姆波时，压电阵元分布示意图；

其中，1、吸声层；2、压电层；201、压电阵元；202、第一电极；203、第二电极；204、绝缘材料；3、阻抗层；4、电极引针；5、多合一信号导线；6、接收器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

为了解决板壳结构中兰姆波的多模态特性使得同一频率下板壳结构中可以同时存在多种传播模态，导致采用传统无损检测设备时检测结果的多样性、影响其检测精度的问题，如图1所示，本实施例提供了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，包括传感器和接收器6；所述传感器包括吸声层1、压电层2和阻抗层3；所述压电层2包括压电阵元201、第一电极202、第二电极203和绝缘材料204。

具体的，所述传感器内间隔设置有多个压电阵元201，每个压电阵元201的两端分别设置有第一电极202和第二电极203；所述接收器6上设置有第一接口和第二接口，所述接收器6中可以包括数据接收模块和数据处理模块等，可以实现数据的分析；相邻的至少两个第一电极202并联后与所述第一接口连接，相邻的至少两个第二电极203并联后与所述第二接口连接。通过改变并联电极的数量连接关系，改变用于参加检测的压电阵元201数量和电极间隔距离进行波长调谐，实现了一定频率范围内单一模态兰姆波的接收，避免了兰姆波的多模态特性使得同一频率下板壳结构中可以同时存在多种传播模态，导致无损检测结果多样性的问题，提高了对板壳结构无损检测的精度，推动了兰姆波在板壳结构检测领域的实际应用。

所述压电阵元201可以为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物材料。所述压电阵元201可以为长条形，厚度尺寸与工作频段的中心频率相关，沿厚度方向极化，具有d₃₃压电系数。电极可以为金、银、铜或铂等金属材料。

所述压电阵元201与所述阻抗层3连接的表面进行翻边处理，既可以方便在同一上表面焊接电极引针4，又能使压电阵元201的表面与所述阻抗层3更好贴合。相邻压电阵元201间填充有绝缘材料，比如局域高衰减性能的聚合物材料，可以减少相邻压电阵元201间横向耦合振动引起的信号串扰。

所述吸声层1可以为包括环氧树脂、碳化硅和聚硫橡胶的混合物；所述吸声层1的设置可以使传感器在实际应用中有较好的接收灵敏度。所述阻抗层3可以为包括环氧树脂和镁合金的混合物；所述阻抗层3用于提高传感器声波的能量转换效率，同时起固定所述压电阵元201和防磨损的作用。所述压电阵元201的两侧表面与所述吸声层1和所述阻抗层3之间采用绝缘环氧树脂胶粘接在一起，保证所述压电阵元201与所述吸声层1和所述阻抗层3之间互不导通。

可选的，本实施例中，传感器的制备过程为：

S1、将压电材料制成尺寸为l×a×h压电换能板，厚度尺寸h与工作频段的中心频率相关，将压电换能板沿厚度h方向极化，使其具有压电系数d33，其中l、a和h均为正实数；比如，采用PZT-5H压电陶瓷材料制成尺寸为25mm×55mm×0.8mm的压电换能板，将压电换能板沿厚度h方向极化，使其具有压电系数d₃₃，其中25mm×55mm为电极面；

S2、采用烧制或喷涂的方式在压电换能板的上表面制备第一电极202作为正电极，下表面制备第二电极203作为负电极，并保证制备电极的过程中不会改变压电材料的极化状态；

S3、将极化后的压电换能板切成n个尺寸为l×w×h的细长条，形成压电阵元201，其中厚度h为极化方向，l×w为电极面，w为小于或等于l/10正实数，n为大于1的自然数；

S4、将n个压电阵元201沿宽度w方向构成线性阵列，等间距排布在阻抗层3上，排布间隔为s；比如，将极化后的压电换能板切成20个尺寸为25mm×2.5mm×0.8mm的细长条，形成压电阵元201；

S5、在压电阵元201的间距中填充绝缘材料204，比如聚合物材料，可以减少压电阵元201间横向耦合振动引起的信号串扰；相邻压电阵元201的间距间距可以设置为s＝0.5mm，

S6、选用2n个电极引针4在每个压电阵元201的两侧与正极和负极进行焊接；

S7、将吸声层1粘接在压电层2的上方，可以使传感器在实际应用中有较好的接收灵敏度；

S8、选取一定数量等间隔排布的压电阵元201，将这些压电阵元201的正极和负极通过两根多合一信号导线5连接至接收器6，通过调整电路连接的压电阵元201数量和间隔，即可以实现单一模态兰姆波的选择性接收；

其中，在步骤S1中，压电材料可以采用压电陶瓷、压电单晶或者压电聚合物。

在步骤S2中，对电极面做翻边处理，既可以使步骤S6在同一上表面焊接电极引针4，又能使压电阵元201的下表面与阻抗层3更好贴合；电极可以选择金、银、铜或铂等金属材料。

在步骤S4中，阻抗层3用于固定压电阵元201并防止磨损，同时可以提高传感器声波的能量转换效率。

在步骤S6中，吸声层1可以使传感器在实际应用中有较好的接收灵敏度。

在步骤S4和步骤S7中，压电层2的上表面和下表面分别通过绝缘环氧树脂胶与吸声层1和阻抗层3粘接，保证压电层2与吸声层1和阻抗层3互不导通。

本实施例的工作过程或原理为：

在压电层2中，选取一定数量且等间隔排布的压电阵元201作为预接收压电阵元，若每间隔p个压电阵元，选取相邻的m个压电阵元进行电路连接，则预接收压电阵元的间隔L＝(m+p)×(w+s)；

比如，如图5所示，隔4个压电阵元201，选取相邻的4个压电阵元201进行电路连接，此时预接收压电阵元的间隔L为24mm，根据梳状滤波效应，只有波长λ为24mm的兰姆波模态可以通过正压电效应作用于压电阵元201产生电信号；再比如，如图6所示，仅选取1个压电阵元201作为预接收压电阵元时，则可以选择性接收波长λ为6mm的单一模态兰姆波；

将预接收压电阵元201的正极和负极采用两根多合一信号导线5连接至接收器6；并将传感器粘结到待测板壳结构上；

当待测板壳结构中有兰姆波传播至传感器时，兰姆波通过阻抗层3作用于压电层2，并使压电阵元201产生厚度伸缩变形；

由于与接收器6连接的压电阵元201等间隔排列，根据梳状滤波效应，只有特定波长λ的兰姆波模态可以通过正压电效应作用于压电阵元201产生电信号，其中特定波长λ和预接收压电阵元的间隔尺寸L相等，即λ＝L＝(m+p)×(w+s)；

有部分的声波穿过压电层2继续向内传播，所述吸声层1就能最大限度的吸收多余声波，保证对接收信号的灵敏度；

通过调整与接收器6连接的压电阵元201数量和间隔，可以选择性接收不同波长下单一模态的兰姆波，接收器6对接收信号进行分析处理；兰姆波可以通过信号激励装置提供。

实施例2：

本实施例提供了一种用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测方法，采用了如实施例1中所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，包括通过传感器采集被测板壳结构上的单一模态兰姆波，接收器对单一模态兰姆波进行处理，进行板壳结构的无损检测。

实施例3：

和实施例1不同的是，可以将实施例1中的传感器作为制动器，此时接收器可以作为信号源；具体的：

在压电层中，选取一定数量且等间隔排布的压电阵元作为预激发压电阵元；若每间隔p个压电阵元，对相邻的m个压电阵元进行电路连接，则预激发压电阵元的间隔L＝(m+p)×(w+s)；

比如，如图7所示，选取相邻的2个压电阵元进行电路连接，此时预激发压电阵元的间隔L为12mm；，通过逆压电效应使压电阵元产生d33模式的厚度伸缩振动；伸缩振动通过阻抗匹配层3作用于板壳结构，并激发出波长λ为12mm的兰姆波模态；再比如，如图8所示，每间隔2个压电阵元，可以激励出波长λ为15mm的单一模态兰姆波；

将预激发压电阵元的正极和负极分别采用两根多合一信号导线连接至单一的信号源上；

所述信号源同时激励压电阵元，通过逆压电效应使压电阵元产生d33模式的厚度伸缩振动；

伸缩振动通过阻抗层作用于板壳结构，并激励出特定波长λ下的兰姆波模态，其中特定波长λ和预激发压电阵元的间隔尺寸L相等，即λ＝L＝(m+p)×(w+s)；

吸声层可以吸收压电阵列厚度伸缩振动时产生的反方向声波，使换能器具有较好的声波发射响应；

通过调整激励信号的频率、预激发压电阵元的数量和间隔，可以选择性激励出不同波长下单一模态的兰姆波，使其沿着板壳结构进行损伤检测。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，包括传感器和接收器；

所述传感器内间隔设置有多个压电阵元，每个压电阵元的两端分别设置有第一电极和第二电极；

所述接收器上设置有第一接口和第二接口；相邻的至少两个第一电极并联后与所述第一接口连接，相邻的至少两个第二电极并联后与所述第二接口连接；通过改变并联电极的数量连接关系，改变用于参加检测的压电阵元数量和电极间隔距离进行波长调谐，实现对单一模态兰姆波的接收；

其中，所述多个压电阵元尺寸结构相同；压电阵元中相邻压电阵元的间隔距离相等。

2.如权利要求1所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，所述压电阵元为压电陶瓷。

3.如权利要求1所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，相邻两个压电阵元间隔处设置有绝缘材料。

4.如权利要求1所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，多个压电阵元所在平面的一侧设置有吸声层，另一侧设置有阻抗层。

5.如权利要求4所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，所述压电阵元与所述吸声层和所述阻抗层之间均通过绝缘环氧树脂胶粘接。

6.如权利要求4所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，所述吸声层为包括环氧树脂、碳化硅和聚硫橡胶的混合物。

7.如权利要求4所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，其特征在于，所述阻抗层为包括环氧树脂和镁合金的混合物。

8.用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测方法，其特征在于，采用了如权利要求1-7任一项所述的用于接收单一模态兰姆波的板壳结构无损检测设备，包括通过传感器采集被测板壳结构上的单一模态兰姆波，接收器对单一模态兰姆波进行处理，进行板壳结构的无损检测。