一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法

2023-06-13 04:13:41

一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法。由高壓電源、脈衝觸發單元、激勵單元、壓電單元和直流電源構成。高壓電源產生直流高壓，作用在激勵單元充電端，激勵單元由高壓電晶體、電阻、電容、電感、電阻組成，脈衝觸發單元產生觸發脈衝施加在激勵單元中高壓電晶體的基極控制端，高壓電晶體與電容構成充放電迴路，在觸發脈衝控制下，在電容端一端產生高品質衝擊脈衝激勵信號，用於在複合材料中激勵高質量的聲發射信號，可大幅度地提高聲發射檢測信號的時域脈衝特性和檢測解析度，顯著提高了複合材料超聲-聲發射缺陷檢出能力和檢測可靠性及缺陷定性定量檢測的準確性。衝擊脈衝激勵信號的幅值在200-450V內可調、下降沿4-30ns可調。
【專利說明】一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無損檢測技術，涉及一種用於航空、航天、兵器、船舶、交通、冶金、鋼鐵、建築等領域複合材料及金屬材料結構的無損檢測，尤其涉及一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法。
【背景技術】
[0002]利用被檢測材料或零件在受到應力作用下產生的聲發射現象，可以實現複合材料的無損檢測，而要實現複合材料聲發射檢測，首先必須在被檢測複合材料中形成聲發射源，產生聲發射信號。傳統聲發射激勵或者產生方法是通過對被檢測零件加載，使被檢測複合材料零件在受到外部載荷作用或者力的作用下，在其內部激勵聲發射信號。由於複合材料中缺陷的存在，在外部加載作用下，缺陷周圍會產生應力顯著集中，從而出現明顯的聲發射行為。基於此聲發射行為，通過提取來自缺陷的聲發射信號，分析其信號規律，進行缺陷識另IJ，實現複合材料的聲發射檢測。因此，傳統聲發射檢測都必須對被檢測零件進行加載。目前，主要是機械加載方法，其主要不足是:1)在複合材料零件製造階段和服役階段，通常難以實現對被檢測複合材料零件的加載，而且大厚度複合材料結構往往難以採用機械加載方法產生聲發射行為；2)加載響應時間長，在缺陷周圍產生聲發射信號的時域特性差，難以對缺陷進行準確定位和定量；3)複合材料中的分層、疏鬆、氣孔、貧膠等諸多缺陷對這種加載產生的聲發射現象不明顯；4)不能實現局部加載，進而難以實現複合材料100%逐點掃描檢測和可視化成像檢測，檢測結果不直觀。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種檢測複合材料超聲-聲發射激勵方法，克服傳統超聲-聲發射需要機械加載、加載響應特性差、難以實現超聲-聲發射掃描成像檢測、缺陷檢出能力差與定位定性定量困難等不足，提高複合材料超聲-聲發射缺陷檢出能力和檢測可靠性。
[0004]本發明的技術解決方案是，
[0005]在高壓電源的初級電路產生電壓為10-20V、頻率為100kHz-300kHz的交流脈衝信號，在高壓電源的輸出級產生200-450V、頻率為100kHz-300kHz的高頻交流脈衝電壓，經整流濾波轉換為200-450V的直流高壓Vhdc ;激勵單元由高壓電晶體V1、電阻％、電容C1、電感L1、電阻R2組成，高壓 電晶體V1的基極與脈衝觸發單元的輸出級相連，高壓電晶體V1的發射極接地，高壓電晶體V1的集電極同時與電阻R1的一端和電容C1的一端連接，電阻R1的另一端與高壓單元的輸出級相連，電容C1的另一端同時與電感L1和電阻R2的一端連接，電感L1和電阻R2的另一端接地；高壓電源的輸出級與電阻R1的一端相連，直流高壓Vhdc施加在電阻札的一端；脈衝觸發單元輸出級產生的觸發脈WVm(t)施加在激勵單元中高壓電晶體'的基極端，t表示觸發脈衝Vm(t)的周期，高壓電晶體V1與電容C1構成充放電迴路，在電容仏的另一端產生衝擊脈衝激勵信號VJt)，VJt)的下降沿調節範圍為4-50ns，通過電感L1和電阻R2構成的輸出阻抗匹配器，激勵不同阻抗的壓電單元，脈衝觸發單元為IC震蕩電路；直流電源給高壓電源和脈衝觸發單元提供工作電壓。
[0006]壓電單元為用於複合材料檢測的超聲-聲發射換能器。
[0007]高壓電源輸出級輸出的直流高壓Vhdc的電壓調節範圍為200-400V，用於產生不同大小的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號ve(t)。
[0008]激勵單元產生的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號VJt)的幅值調節範圍為200-400V,衝擊脈衝激勵信號V。(t)的下降沿範圍為4-30ns，用於激勵不同特性的超聲-聲發射換能器檢測複合材料。
[0009]通過改變激勵單元中的電感L1和電阻R2的大小，調節激勵單元輸出阻抗，激勵不同阻抗特性的壓電單元，用於檢測不同的複合材料。
[0010]脈衝觸發單元的觸發脈衝VTTL(t)的頻率調節範圍為500Hz — 10kHz，與不同特性的壓電單元匹配，用於不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
[0011]本發明具有的優點和有益效果，本發明利用高壓電路產生衝擊脈衝，將衝擊脈衝施力在壓電晶片兩端，壓電晶片在衝擊脈衝作用下激發衝擊波，利用此衝擊波與被檢測複合材料相互作用，進而在複合材料中激勵聲發射行為，其主要優點是:1)衝擊波的頻響非常好，可以在複合材料中激勵高質量的聲發射信號，從而可以大幅度地提高聲發射檢測信號的時域脈衝特性和檢測解析度，顯著提高了複合材料超聲-聲發射缺陷定性定量檢測的準確性；2)可以十分方便地實現製造和服役場合下各種複合材料結構和大厚度複合材料零件的100%聲發射激勵和掃查檢測，進而為實現聲發射檢測結果的可視化成像檢測提供了十分有效的一種超聲-聲發射激勵方法，檢測結果非常直觀，易解釋，大大地提高了複合材料超聲-聲發射檢測可靠性；3)採用本發明脈衝超聲激勵方法，複合材料中的常見缺陷，如分層、疏鬆、氣孔、貧膠裂紋等，均會產生顯著的超聲-聲發射行為，從而大大地提高了複合材料超聲-聲發射缺陷檢出能力和檢測可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發明用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法原理示意圖。
[0013]圖2是本發明用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法中的激勵單元3的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明作詳細說明。
[0015]一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法，其硬體單元由高壓電源1、脈衝觸發單元2、激勵單元3、壓電單元4和直流電源5組成，參見圖1所示。
[0016]高壓電源I的初級電路採用LC工作方式，在高壓電源I的初級電路產生電壓為10-20V、頻率為100kHz-300kHz的高頻交流脈衝電壓信號，然後通過高壓電源I的變壓器次級電路進行聲壓後，在高壓電源I的輸出級產生200-450V、頻率為100kHz-300kHz的高頻交流脈衝電壓VA。，經整流濾波後，將\c轉換為200-450V的直流高壓VHD。，產生Vme ;激勵單元3由高壓電晶體V1、電阻Rp電容C1、電感L1、電阻R2組成，高壓電晶體V1的基極與脈衝觸發單元2的輸出級相連，高壓電晶體V1的發射極接地，高壓電晶體V1的集電極同時與電阻R1的一端和電容C1的一端連接，電阻R1的另一端與高壓單兀的輸出級相連，電容C1的另一端同時與電感L1和電阻R2的一端連接，電感L1和電阻R2的另一端接地，參見圖2所示；高壓電源I的輸出級與電阻札的一端相連，直流高SVto施加在電阻R1的一端，參見圖2所示；脈衝觸發單元2輸出級產生的觸發脈衝Vm(t)施加在激勵單元3中高壓電晶體V1的基極端，t表示觸發脈衝Vm(t)的周期，通過Vm(t)控制V1的選通和斷開，實現對電容C1的充放電，高壓電晶體V1與電容C1構成充放電迴路，參見圖2所示，在電容C1的另一端產生衝擊脈衝激勵信號Vc(t)，Vc(t)的下降沿調節範圍為4-50ns，通過電感L1和電阻R2構成的輸出阻抗匹配器，激勵不同阻抗的壓電單元4，脈衝觸發單元2為IC555晶片震蕩電路；直流電源5給高壓電源I和脈衝觸發單元2提供工作電壓，直流電源5也可選擇市售AC-DC轉換電源，將交流AC220V/50HZ電源轉換為直流DC電壓Vdc。
[0017]壓電單元4為用於複合材料檢測的超聲-聲發射換能器，通過高頻線與R2端的輸出連接座連接，壓電單元4可以自由地在被檢測複合材料零件表面上任意移動，通過壓電單元4中的壓電晶體的自身壓電效應，將作用在壓電單元4中的瞬時衝擊脈衝信號V。(t)轉換為脈衝超聲-聲發射激勵信號Vue (t)，通過聲波耦合介質，Vue (t)傳播到被檢測複合材料中，並與被檢測複合材料相互作用，產生聲發射信號，用於複合材料的超聲-聲發射檢測。
[0018]高壓電源I輸出級輸出的直流高壓Vhdc的電壓可在200-400V範圍內調節，用於產生不同大小的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號ve(t)。
[0019]激勵單元3產生的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號Ve(t)的幅值調節範圍為200-400V,衝擊脈衝激勵信號V。(t)的下降沿範圍為4-30ns，用於激勵不同特性的超聲-聲發射換能器檢測複合材料。
[0020]如圖2所示，通過改變激勵單元3中的電感L1和電阻R2的大小，調節激勵單元3輸出阻抗，激勵不同阻抗特性的壓電單元4，用於檢測不同的複合材料。
[0021]脈衝觸發單元2的觸發脈衝Vm (t)的頻率調節範圍為500Hz-10kHz，與不同特性的壓電單元4匹配，用於不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
[0022]用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法的工作過程是:①通過直流電源5給高壓電源I和脈衝觸發單元2提供直流DC電壓Vdc ;②高壓電源I在Vdc作用下，通過其自身高壓發生電路，產生高壓直流電壓V.，輸出加到激勵單元3的R1端脈衝觸發單元2在作用下，通過其自身IC555晶片震蕩電路作用下，產生觸發脈衝Vm (t)，此觸發脈衝施加到激勵單元3中V1的基極端，控制V1的選通和斷開；④激勵單元3在\「0控制下，通過Vhd。對C1進行充放電控制，在V1的集電極產生瞬時衝擊脈衝信號Ve(t):1Vm(t)為低電平有效時，V1的集電極在V.作用下，對C1進行充電；當Vm(t)為高電平有效時，C1通過V1的集電極-發射級瞬時導通構成快速放電迴路，C1快速放電，從而在V1的集電極產生瞬時衝擊脈衝信號Ve(t);⑤壓電單元4在Ve(t)的作用下，將Ve(t)轉換為脈衝超聲-聲發射激勵信號Vue(t)，Vue(t)通過聲學耦合介質傳播到被檢測複合材料零件中，進而在被檢測複合材料零件中激勵產生聲發射信號，用於複合材料的超聲-聲發射檢測通過在複合材料零件表面移動壓電單元4，可以十分方便地對被檢測複合材料零件每一個位置進行聲發射激勵，進而對被檢測複合材料零件進行100%掃描檢測。
[0023]實施例1
[0024]選擇中航複合材料有限責任公司生產的MUT-1檢測儀器、頻率為5MHz的AU-1A超聲-聲發射換能器作為壓電單元4，觸發脈WVm(t)的頻率選擇為2kHz，高壓直流電壓Vto選擇200伏，調節電感L1和電阻R2的大小，使激勵單元3輸出的脈衝超聲-聲發射激勵信號VUE(t)達到最大，此時，表明激勵單元3的輸出阻抗特性與AU-1A相匹配，採用手工掃查方式對20mm碳纖維複合材料零件進行了系列的超聲-聲發射激勵和實際檢測應用，實際檢測效果表明，採用本發明，衝擊波的頻響非常好，可以在複合材料中激勵十分清晰和高質量的超聲-聲發射檢測信號，基於此聲發射信號，可以十分方便的進行超聲-聲發射檢測，可檢出20mm厚複合材料零件中0.13mm深Φ3ι?πι和20mm深Φ3ι?πι的分層缺陷，大大地提高了複合材料超聲-聲發射缺陷檢出能力和檢測可靠性，取到了很好的實際檢測效果，檢測解析度和表面檢測盲區達單個複合材料鋪層厚度。
[0025]實施例2
[0026]選擇中航複合材料有限責任公司生產的CUS-21J自動掃描檢測設備、頻率為2MHz的AU-1B超聲-聲發射換能器作為壓電單元4，觸發脈衝Vm (t)的頻率選擇為3kHz，高壓直流電壓Vme選擇300伏，調節電感L1和電阻R2的大小，使激勵單元3輸出的脈衝超聲-聲發射激勵信號VUE(t)達到最大，此時，表明激勵單元3的輸出阻抗特性與AU-1B相匹配，採用自動掃描方式對50mm厚碳纖維複合材料零件進行了系列的超聲-聲發射激勵和實際檢測應用，實際檢測效果表明，採用本發明，衝擊波的頻響非常好，可以在複合材料中激勵十分清晰和高質量的超聲-聲發射檢測信號，基於此聲發射信號，可以十分方便的進行超聲-聲發射檢測，可檢出50mm厚複合材料零件中0.13mm深Φ3ι?πι和45mm深Φ3ι?πι的分層缺陷，大大地提高了大厚度複合材料超聲-聲發射缺陷檢出能力和檢測可靠性，取到了很好的實際檢測效果，檢測解析度和表面檢測盲區達單個複合材料鋪層厚度。
【權利要求】
1.一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法，其特徵是， 在高壓電源(I)的初級電路產生電壓為10-20V、頻率為100kHz-300kHz的交流脈衝信號，在高壓電源⑴的輸出級產生200-450V、頻率為100kHz-300kHz的高頻交流脈衝電壓，經整流濾波轉換為200-450V的直流高壓Vhdc ;激勵單元(3)由高壓電晶體V1、電阻R1'電容C1、電感L1、電阻R2組成，高壓電晶體V1的基極與脈衝觸發單元(2)的輸出級相連，高壓電晶體V1的發射極接地，高壓電晶體V1的集電極同時與電阻R1的一端和電容C1的一端連接，電阻R1的另一端與高壓單兀的輸出級相連，電容C1的另一端同時與電感L1和電阻R2的一端連接，電感L1和電阻R2的另一端接地；高壓電源(I)的輸出級與電阻R1的一端相連，直流高壓Vm。施加在電阻R1的一端；脈衝觸發單元(2)輸出級產生的觸發脈WVm(t)施加在激勵單元(3)中高壓電晶體V1的基極端，t表示觸發脈衝Vm(t)的周期，高壓電晶體V1與電容C1構成充放電迴路，在電容C1的另一端產生衝擊脈衝激勵信號VJt)，Vc(t)的下降沿調節範圍為4-50ns，通過電感L1和電阻R2構成的輸出阻抗匹配器，激勵不同阻抗特性的壓電單元(4)，脈衝觸發單元(2)為IC震蕩電路；直流電源(5)給高壓電源(I)和脈衝觸發單元⑵提供工作電壓。
2.權利要求1所述的一種用於檢測複合材料的超聲-聲發射激勵方法，其特徵是，壓電單元(4)為用於複合材料檢測的超聲-聲發射換能器。
3.權利要求1所述的一種用於檢測複合材料的脈衝超聲-聲發射信號激勵方法，其特徵是，高壓電源(I)輸出級輸出的直流高壓Vhdc的電壓調節範圍為200-400V，用於產生不同大小的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號Ve(t)。
4.權利要求1所述的一種用於檢測複合材料的脈衝超聲-聲發射信號激勵方法，其特徵是，激勵單元(3)產生的超聲-聲發射衝擊脈衝激勵信號Ve(t)的幅值調節範圍為200-400V,衝擊脈衝激勵信號V。(t)的下降沿範圍為4-30ns，用於激勵不同特性的超聲-聲發射換能器檢測複合材料。
5.權利要求1所述的一種用於檢測複合材料的脈衝超聲-聲發射激勵方法，其特徵是，通過改變激勵單元(3)中的電感L1和電阻R2的大小，調節激勵單元(3)輸出阻抗，激勵不同阻抗特性的壓電單元(4)，用於檢測不同的複合材料。
6.權利要求1所述的一種用於檢測複合材料的脈衝超聲-聲發射激勵方法，其特徵是，脈衝觸發單元(2)的觸發脈衝Vm(t)的頻率調節範圍為500Hz-10kHz，與不同特性的壓電單元(4)匹配，用於不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
【文檔編號】G01N29/34GK104034810SQ201410275869
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】劉松平, 劉菲菲 申請人:中航複合材料有限責任公司