CN117517468A - 一种空心结构内部真空度无损检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心结构内部真空度无损检测方法及检测装置，该方法，包括以下步骤：S1，使用已知真空度的标准件对检测装置进行校准；S2，在待检测的空心结构表面选择检测区域；S3，对检测区域进行清洁；S4，涂抹耦合剂后进行真空度检测，得到真空度；其中，步骤S4包括，S41，在检测区域涂抹耦合剂；S42，将检测头紧贴检测区域，并朝向待检测的空心结构发射超声波激励脉冲；S43，通过检测头获取超声波的回波信号；S44，对回波信号解算，得到真空度。本发明能够实现对于空心瓦伦结构内部真空度的检测。

Description

一种空心结构内部真空度无损检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种空心结构内部真空度无损检测方法及检测装置。

背景技术

空心结构相较于传统的实心结构，在同样的体积条件下，可以取得接近甚至更优的结构强度，并且重量远小于实心结构；此外，空心结构内部还可以进行不同的结构设计来达到多种多样的用途，因此也被广泛应用于航空航天、武器制造、新型能源等先进领域。尤其是在航空航天领域，以空心结构为主的空心叶片目前已成为发动机叶片的主流趋势。

为了保证该种结构具有更高的强度，适应更恶劣的工作环境，通常会将结构内部抽至一定真空度。然而，不成熟的加工工艺、疲劳裂纹的产生等因素，都会导致该种结构内部的真空度发生变化；由于结构内部真空度变化导致的事故常有发生。此外，使用该种空心结构的材料或者设备通常造价都比较昂贵，一般无法直接破坏结构或者停止设备进行检测。因此对该种空心结构内部的真空度实施无损检测，及时发现故障隐患，对于提高使用该种结构设备的运行安全可靠性具有重要意义。

空心结构也具有多种不同的形式，如蜂窝型、瓦伦型、槽型等，其中空心瓦伦结构的应用较为广泛。针对空心瓦伦结构内部真空度无损检测理论与技术研究已开展多年，但现有技术均存在难以突破的瓶颈，难以满足实际应用需求。

因此，如何实现对空心瓦伦结构内部真空度的检测，是本领域亟待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种空心结构内部真空度无损检测方法及检测装置，以解决现有技术中的不足，针对空心瓦伦结构，它能够实现其内部真空度的检测。

本发明提供了一种空心结构内部真空度无损检测方法，其中，包括以下步骤：

S1，使用已知真空度的标准件对检测装置进行校准；

S2，在待检测的空心结构表面选择检测区域；

S3，对检测区域进行清洁；

S4，涂抹耦合剂后进行真空度检测，得到真空度；

其中，步骤S4包括，

S41，在检测区域均匀涂抹耦合剂；

S42，将检测头紧贴检测区域，并朝向待检测的空心结构发射超声波激励脉冲；

S43，通过检测头获取超声波的回波信号；

S44，对回波信号解算，得到真空度。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其中，可选的是，步骤S1包括以下具体步骤：

S11，检测装置进行自检；

S12，调至校准模式；

S13，清洁标准试件表面；

S14，涂抹耦合剂；

S15，将超声波探头置于标准试件，发射超声波激励脉冲，并获取回波信号；并与设定值进行比较，判断仪器是否正常工作；

S16，重复步骤S13到S15，直到校准合格。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其中，可选的是，步骤S11包括，

判断检测探头是否正确连接。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其中，可选的是，步骤S41中，耦合剂均匀涂抹于检测区，且耦合剂的厚度不大于0.1毫米；且检测头能够良好地贴合于检测区。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其中，可选的是，还包括以下步骤，

S5，将检测到的真空度与设定的真空度阈值比较，以判断空心结构是否满足使用条件。

本发明还提出了一种空心结构内部真空度无损检测装置，其中，包括，

超声波探头，用于发射超声波激励脉冲，并采集回波信号；

超声波采集接收模块，与超声波探头电连接，用于通过超声波探头获取回波信号；

超声波信号处理模块，与超声波采集接收模块电连接，用于对回波信号进行解算以得到真空度；

显示模块，与超声波信号处理模块电连接，用于显示检测结果。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其中，可选的是，超声波采集接收模块由脉冲发射电路、限幅接收电路、运算电路和AD采样电路组成，用于给超声波探头激励以发射超声波并接收回波信号。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其中，可选的是，所述超声波信号处理模块为烧录有真空度解算算法的STM32单片机；

所述超声波信号处理模块与AD采样电路电连接，用于接收由AD采样电路转化的数字信号并根据该数字信号解算真空度。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其中，可选的是，还包括供电模块，所述供电模块分别与所述超声波采集接收模块、所述超声波信号处理模块、显示模块电连接。

如上所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其中，可选的是，还包括存储与通讯模块，所述存储与通讯模块用于存储最近设定次数的检测结果，并将检测结果及所记录的数据上传至上位机。

与现有技术相比，本发明提出了一种基于超声波的空心结构内部真空度无损检测方法及其检测装置，通过研究超声波回波信号与空心结构内部真空度的关系，得到真空度对超声波特征参数影响的基本规律，将其应用于空心结构的内部真空度检测，并设计了相应的便携检测装置，弥补了传统检测方法无法及时对空心结构内部真空度进行原位无损检测的不足，其具有对材料无损伤(可用于昂贵结构、设备检测)、检测速度快、装置操作简单、能够便携手持等优点，可以极大的促进空心结构相关领域研究的发展，提升我国的高新技术水平。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体步骤流程图；

图2是本发明实施例1中的步骤S4的具体步骤流程图；

图3是本发明实施例1中的步骤S1的具体步骤流程图；

图4是本发明实施例2的结构框图；

图5是本发明实施例2检验校准与检测过程的对比示意图；

图6是本发明实施例2中超声波特征参数与空心结构真空度之间的关系；

图7是本发明实施例2提出的装置在使用时的步骤流程图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了以下实施例予以解决。

实施例1

请参照图1到图3本实施例提出了一种空心结构内部真空度无损检测方法，其中，包括以下步骤：

S1，使用已知真空度的标准件对检测装置进行校准；具体实施时，本步骤包括以下具体步骤：

S11，检测装置进行自检；具体地，自检过程为，打开检测装置，判断检测装置是否可以正常工作；如果不能，检查电源部分是否正常供电；若能正常供电，则自检通过，若不能正常供电，则需要检查电源部分或其他部分是否存在异常。在具体实施时，还包括判断检测探头是否正确连接。

S12，调至校准模式；在具体实施时，可以通过检测装置上的按钮切换到校准模式。以在校准模式下通过测量标准件进行校准。

S13，清洁标准试件表面。具体地，清除掉标准试件表面的灰尘和杂物，以防止灰尘或杂物等对超声波产生的反射波导致检测不准确。

S14，涂抹耦合剂；具体地，取出少量耦合剂，均匀涂于标准试件表面，确保超声波探头与检测装置连接无误后，将超声波探头置于试件表面涂有耦合剂的区域，并轻压探头使之与标准试件表面完全贴合，须确保耦合剂厚度只有不到0.1mm。

S15，将超声波探头置于标准试件，发射超声波激励脉冲，并获取回波信号。对回波信号进行解算，得到检测的真空度，将检测的真空度与标准件对应的真空度进行比较，当检测的真空度在误差范围内时，显示正常，当检测的真空度不在误差范围内时，提示检测装置异常。

S16，重复步骤S14和S15，直到校准合格或更换检测装置。检测装置显示“正常”，则说明装置正常工作；若检测装置显示具体数值，则可能是耦合剂涂抹不均匀导致，重新涂抹耦合剂后再次检测至显示“正常”即校准完成。

S2，在待检测的空心结构表面选择检测区域；在具体实施时，选择表面较为平整的部分作为检测区域。表面较为平整的部分，更容易与超声波探头贴合。

S3，对检测区域进行清洁。具体地，清除空心结构表面的灰尘和杂物，以防止灰尘或杂物等对超声波产生的反射波导致检测不准确。

S4，涂抹耦合剂后进行真空度检测，得到真空度。将少量耦合剂均匀涂抹于被测空心结构上，再将超声波探头置于该区域，并轻压探头使之与被测结构表面完全贴合，检测装置会根据预先设定的真空度阈值对空心结构内部真空度情况做出判断，并在屏幕上显示检测结果。

其中，步骤S4包括，

S41，在检测区域涂抹耦合剂；由于待测空心结构的材料与探头之间存在差异，且被测结构的表面不一定平整，为了保证检测的精度，使得超声波能够以较小的损失传递到空心结构中，并且能够获得尽可能准确的回波信号，需要保证超声波探头与被测空心结构表面充分接触，并解决阻抗匹配问题。通常超声波探头的表面都十分平整，因此在选择测量区域时，需保证测量平面也尽可能平整，以增大接触面积；还需要耦合剂来解决探头与空心结构材料不同导致的阻抗不匹配问题。但过厚的耦合剂反而会导致较大的信号损失，因此只需少量耦合剂，涂抹均匀即可。

S42，将检测头紧贴检测区域，并朝向待检测的空心结构发射超声波激励脉冲。

S43，通过检测头获取超声波的回波信号；

S44，对回波信号解算，得到真空度。

此外，为了避免偶然误差，可以通过多次测量取平均值来消除偶然误差的影响。

以风扇空心叶片为例，其材料通常为合金，为了保证其结构稳定、对恶劣环境的适应性更强，通常会将其内部抽至真空状态，约达10^－3Pa。风扇叶片通过榫齿被固定在轮盘上，因此要在其服役期间进行检测内部真空度只能通过便携式仪器进行无损检测。常规的无损检测方法如涡流、射线都难以实现便携，或是无法获取空心结构的内部真空度信息，只有超声波具有较好的穿透性，因此选择超声无损检测作为检测手段。

通过研究发现，空心结构壳体与腔体之间存在固体－气体分界面，超声波在传播至该界面时，会发生反射和透射现象，其能量会按照两侧的声阻抗进行分配；空心结构内部真空度不同时，内部气体的声阻抗会发生变化，从而导致超声波反射和透射波的能量发生变化。通过检测超声波回波信号相关特征，就可以得到空心结构内部真空度的相关信息，超声波特征参数与空心结构真空度之间的关系如图6所示，不同空心结构得到的关系曲线会存在一定差异。由关系曲线可得，如果认为空心结构内部达到一定真空度时可以继续使用，超过某一真空度时停止使用，即设定真空度阈值，就可以得到对应的特征参数阈值；当超声波特征参数大于该数值时，判定空心结构内部真空度正常；检测结果小于该阈值时，则判定空心结构失效，可能存在贯穿裂纹等情况。

S5，将检测到的真空度与设定的真空度阈值比较，以判断空心结构是否满足使用条件。即，通过将检测结果与设定的真空度阈值的比较来判断空心结构是否满足使用条件，并以此来判断空心结构是否失效以及可能存在贯穿裂纹等情况。

实施例2

本实施例提出了一种空心结构内部真空度无损检测装置，本装置能够被用于使用实施例1中的方法进行检测。

请参照图4到图7，本实施例提出的空心结构内部真空度无损检测装置包括超声波探头、超声波采集接收模块、超声波信号处理模块和显示模块。

超声波探头用于发射超声波激励脉冲，并采集回波信号；采用的是传统的压电晶体探头，中心频率由被测结构决定，提供100kHz，500kHz和1MHz三种不同频率的探头以应对不同应用场景，三种探头通常可满足大部分应用场景。在选择不同探头后，检测装置会根据探头自动调整检测算法。

超声波采集接收模块与超声波探头电连接，用于通过超声波探头获取回波信号；超声波采集接收模块由脉冲发射电路、限幅接收电路，运算电路以及AD采样电路组成，主要负责给超声波探头激励以发射超声波脉冲并接收回波信号。

超声波信号处理模块与超声波采集接收模块电连接，用于对回波信号进行解算以得到真空度；所述超声波信号处理模块为烧录有真空度解算算法的STM32单片机；所述超声波信号处理模块与AD采样电路电连接，用于接收由AD采样电路转化的数字信号并根据该数字信号解算真空度。

显示模块，与超声波信号处理模块电连接，用于显示检测结果。主要用于将信号处理模块解算得到的结果显示在LCD屏幕上，方便用户对空心结构内部的真空度情况做出直观判断。

还包括供电模块，所述供电模块分别与所述超声波采集接收模块、所述超声波信号处理模块、显示模块电连接。还包括存储与通讯模块，所述存储与通讯模块用于存储最近设定次数的检测结果，并将检测结果及所记录的数据上传致上位机。供电模块负责给整个装置供电，存储与通讯模块则负责将最近十次的检测结果、时间等信息进行存储，方便后续导出分析。

本发明提到的检测装置系统框图如图4所示，由超声波探头、超声波采集接收模块、超声波信号处理模块、检测结果显示模块，供电模块以及存储与通讯模块组成。检测装置的工作流程图如图7所示。

如7所示，打开检测装置，会自动检查是否连接探头，并根据探头的型号确定相关计算参数，如中心频率、带宽等；如果探头未连接或者连接有误，检测装置上的LED指示灯会亮起，提示重新连接探头。

探头连接无误后，检测装置会判断此时的工作状态。检测装置的工作状态主要分为检测模式和校验模式两种。其中检测模式就是用于正常对空心结构内部的真空度进行检测，而校验模式则是一般在正式开始之前对标准试件进行检测校验，确保检测装置可以正常工作。两种模式下的检测装置工作流程基本类似，只是检测对象和解算环节存在差异。

以校验模式为例，按下菜单键，屏幕上显示“校准”即代表装置处于校验模式，此时可以进行检测装置的校验；在准备好标准试件、涂抹好耦合剂、连接探头与被测件后，按下“开始”按键，超声波发射接收电路会向超声波探头发射激励脉冲，探头在收到脉冲信号后，压电传感器将电压转化为振动信号产生超声波，并通过耦合剂传播到被测试件中；超声波在传播途中，遇到固体－气体界面会发生反射，并传播至探头处再次被探头所接收；经接收、采集电路采集后，传递到解算模块，由单片机负责根据算法解算超声波信号的特征参数；该特征参数将与系统预先设定好的校验标准值进行比较，如果两者在一定误差范围内相等，则装置显示屏显示“正常”，代表装置可以正常工作；如果两者相差过大，则代表校验过程存在问题或者装置无法正常工作。

对于检测模式，按下装置的菜单键后，屏幕上显示“检测”即代表装置处于检测模式。此时的检测对象为待检空心结构，同样按下开始键后，发射并接收超声波脉冲，经解算后得出的超声波特征参数将于预先设定好的真空度阈值进行比较。该真空度阈值将通过标准化实验及检测需求确定，对于不同的应用场景可能会有所不同。在与真空度阈值比较后，如果检测结果大于该阈值，则代表被测空心结构内部的真空度处于正常水平，此时屏幕上会显示“正常”；若检测结果小于该阈值，则代表被测空心结构内部真空度可能存在问题，已经达不到正常工作的标准，需要及时停止使用并检修，此时屏幕上会显示“失效”。对于最近十次的检测结果，会自动存储在装置自带的SD卡中，可以通过取出SD卡读取，或者通过USB接口将检测装置与主机连接后进行读取。

在本实施例中，还包括用于显示工作状态的指示灯。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空心结构内部真空度无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，使用已知真空度的标准件对检测装置进行校准；

S2，在待检测的空心结构表面选择检测区域；

S3，对检测区域进行清洁；

S4，涂抹耦合剂后进行真空度检测，得到真空度；

其中，步骤S4包括，

S41，在检测区域涂抹耦合剂；

S42，将检测头紧贴检测区域，并朝向待检测的空心结构发射超声波激励脉冲；

S43，通过检测头获取超声波的回波信号；

S44，对回波信号解算，得到真空度。

2.根据权利要求1所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其特征在于，步骤S1包括以下具体步骤：

S11，检测装置进行自检；

S12，调至校准模式；

S13，清洁标准试件表面；

S14，涂抹耦合剂；

S15，将超声波探头置于标准试件，发射超声波激励脉冲，并获取回波信号；

S16，重复步骤S14和S15，直到校准合格或更换检测装置。

3.根据权利要求2所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其特征在于，步骤S11包括，

判断检测探头是否正确定连接。

4.根据权利要求1所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其特征在于，步骤S41中，耦合剂均匀涂抹于检测区，且耦合剂的厚度不大于0.1毫米；且检测头能够贴合于检测区。

5.根据权利要求1所述的空心结构内部真空度无损检测方法，其特征在于，还包括以下步骤，

S5，将检测到的真空度与设定的真空度阈值比较，以判断空心结构是否满足使用条件。

6.一种空心结构内部真空度无损检测装置，其特征在于，包括，

超声波探头，用于发射超声波激励脉冲，并采集回波信号；

超声波采集接收模块，与超声波探头电连接，用于通过超声波探头获取回波信号；

超声波信号处理模块，与超声波采集接收模块电连接，用于对回波信号进行解算以得到真空度；

显示模块，与超声波信号处理模块电连接，用于显示检测结果。

7.根据权利要求6所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其特征在于，超声波采集接收模块由脉冲发射电路、限幅接收电路、运算电路和AD采样电路组成，用于给超声波探头激励以发射超声波并接收回波信号。

8.根据权利要求7所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其特征在于，所述超声波信号处理模块为烧录有真空度解算算法的STM32单片机；

所述超声波信号处理模块与AD采样电路电连接，用于接收由AD采样电路转化的数字信号并根据该数字信号解算真空度。

9.根据权利要求6所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块分别与所述超声波采集接收模块、所述超声波信号处理模块、显示模块电连接。

10.根据权利要求6－9任一项所述的空心结构内部真空度无损检测装置，其特征在于，还包括存储与通讯模块，所述存储与通讯模块用于存储最近设定次数的检测结果，并将检测结果及所记录的数据上传至上位机。