基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置的制作方法

1.本发明涉及超声导波无损检测领域，尤其是涉及基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置。


背景技术：

2.金属材料在航空航天、武器设备、核反应堆、机械制造等领域应用广泛，金属材料的微观结构损伤会直接影响材料的力学性能。材料的微观损伤往往表现为晶界、内含物、杂质、位错、空洞等微观缺陷结构。传统的无损检测技术对金属材料的微观缺陷并不敏感，不利于金属材料早期损伤的检测。混频非线性超声检测技术是利用两列不同频率的超声信号与材料宏观结构和微观缺陷相互作用而产生的非线性声学效应对材料性能进行评估以及检测材料的微观缺陷，其检测灵敏度高，而且可以对材料的损伤程度进行表征量化。
3.测试材料的力学性能时往往需要将母材按照标准加工成试样后进行拉伸、老化、疲劳、蠕变等试验，试验所用到的试样多为小尺寸的平板或圆棒试样。利用混频非线性超声对这些小尺寸金属试样的损伤进行检测时尚有一些亟待解决的问题：（1）试样在检测过程中很难保证夹持的稳定性；（2）外界震动对非线性超声信号的干扰严重；（3）金属试样本身具有良好的导电性，即使是引入外界微弱的电信号，也会对实验结果造成很大的影响。现有的非线性超声检测平台不适合小尺寸金属试样的检测，因此需要研发一种新型混频非线性超声检测平台用于尺寸较小的金属圆棒或平板试样的夹持和损伤检测。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置。
5.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于包括信号发生模块、压电传感器、信号采集与分析模块、待测试样及用于安装待测试样的夹持装置；所述信号发生模块包括信号发生器和信号三通转接头，压电传感器包括分别布置在待测试样两端的第一压电传感器和第二压电传感器；信号采集与分析模块包括数字示波器、高频信号采集卡和计算机；所述信号发生模块的信号发生器能够同步输出两列频率不同的正弦波信号，两列正弦波信号由信号三通转接头进行线性叠加后输出给第一压电传感器，第一压电传感器将信号发生模块输出的电信号转化为超声振动信号并作用于待测试样上，而第二压电传感器用于接收经过待测试样调制后的超声信号并将其转化成电信号，第二压电传感器输出的电信号首先在数字示波器中显示，并由高频信号采集卡采集后输入计算机进行分析，提取检测信号中所携带的非线性特征；所述夹持装置包括底座、固定平台、滑轨、螺杆和滑动平台，固定平台与滑轨固定于底座上，滑动平台底部滑动设置于滑轨上；螺杆一端水平旋入固定平台的螺纹孔中，螺杆另一端旋上一个第一限位螺母后穿过滑动平台上的螺纹通孔使滑动平台可以沿滑轨滑动，在滑动平台外侧的螺杆上旋上第二限位螺母，通过第一限位螺母和第二限位螺母能够将滑
动平台固定于合适的位置；所述待测试样安装在固定平台与滑动平台之间。
6.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于所述待测试样为圆棒状结构，所述第一压电传感器为激励传感器，第二压电传感器为接收传感器，激励传感器和接收传感器均采用压电陶瓷并通过超声耦合剂设置在待测试样上；所述激励传感器和接收传感器均与导线焊接，并分别通过导线与信号三通转接头和数字示波器连接；固定平台与滑动平台的相向侧分别设有方形槽，方形槽中配合塞入有橡胶卡槽块，橡胶卡槽块上部设置有半圆形凹槽，待测试样的两端配合嵌入顶紧在固定平台与滑动平台上的橡胶卡槽块的半圆形凹槽中，实现待测试样的安装固定。
7.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于所述圆棒状结构的待测试样的直径为6~16mm，相应地橡胶卡槽块上的半圆形凹槽的半径为3~8mm，所述待测试样的直径为半圆形凹槽的半径的两倍。
8.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于所述待测试样为平板状结构，所述第一压电传感器包括激励超声探头和嵌入在固定平台上表面内的第一压力传感器，第二压电传感器包括接收超声探头和嵌入在滑动平台上表面内的第二压力传感器，固定平台和滑动平台上均设有用于穿设压力传感器信号线的信号线穿孔，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别通过一根压力传感器信号线向外输出所受到的压力大小；所述激励超声探头通过激励超声探头夹具装置可调节高度地安装在固定平台上，接收超声探头通过接收超声探头夹具装置可调节高度地安装在滑动平台上；所述激励超声探头和接收超声探头分别通过导线与信号三通转接头和数字示波器连接；当对待测试样进行检测时，将待测试样两端放置于第一压力传感器和第二压力传感器上，然后调节激励超声探头和接收超声探头的安装高度使它们均与待测试样表面接触，并对激励超声探头和接收超声探头施加相同的压力，分别通过第一压力传感器和第二压力传感器测得压力大小，从而判断激励超声探头和接收超声探头与待测试样之间的耦合情况；调节第一压力传感器和第二压力传感器测得的压力一致后，对激励超声探头和接收超声探头分别进行固定，并保证整个检测过程中压力恒定且不松动。
9.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于第一压力传感器和第二压力传感器上均放置有一个圆形橡胶垫，当对待测试样进行检测时，将待测试样两端分别通过圆形橡胶垫与第一压力传感器和第二压力传感器接触。
10.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于所述激励超声探头夹具装置包括螺纹连接于固定平台上的激励超声探头支杆以及可调节高度地安装于激励超声探头支杆上的激励超声探头夹具，激励超声探头固定设置于激励超声探头夹具的侧部；所述激励超声探头支杆上设置有竖直的限位直槽，激励超声探头夹具侧部设有螺纹通孔，限位螺丝拧紧在激励超声探头夹具侧部的螺纹通孔中并顶紧在激励超声探头支杆的限位直槽中，实现激励超声探头夹具在激励超声探头支杆上的固定安装。
11.所述的基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，其特征在于所述接收超声探头夹具装置包括螺纹连接于滑动平台上的接收超声探头支杆以及可调节高度地安装于接收超声探头支杆上的接收超声探头夹具，接收超声探头固定设置于接收超声探头
夹具的侧部；所述接收超声探头支杆上设置有竖直的限位直槽，接收超声探头夹具侧部设有螺纹通孔，限位螺丝拧紧在接收超声探头夹具侧部的螺纹通孔中并顶紧在接收超声探头支杆的限位直槽中，实现接收超声探头夹具在接收超声探头支杆上的固定安装。
12.本发明与现有技术相比，具有以下优点：1.本发明中采用信号三通转接头将信号发生器产生的两列超声信号进行线性叠加后输出给单个激励压电传感器，实现了由单个压电传感器在试样中同步激发两列超声信号，减少了激励压电传感器的个数，简化了混频非线性超声方法的检测布置。
13.2.本发明中的夹持装置采用了两个平台对金属试样进行支撑，将试样中间部分进行架空处理，极大地减少了超声信号在检测过程中的耗散现象。
14.3.本发明中的夹持装置采用了可调节的滑动平台以及可更换的不同尺寸的橡胶卡槽对试样进行固定，能够很好地适应不同尺寸的检测试样。
15.4.本发明中的夹持装置选用橡胶材质的卡槽对试样进行固定，极大的降低了外界震动对超声信号的影响，并避免了将周围的杂散电信号引入混频非线性超声检测系统，保证了检测结果的可靠性。
16.5.本发明中的夹持装置采用了可转换的超声探头夹具，能满足实验常用的不同种类超声探头的夹持；超声探头夹具高度可根据试样厚度调节并通过压力传感器对超声探头耦合情况进行评估，能够很好地保证每次检测过程中超声探头耦合情况的一致性，减小了由于超声探头耦合不良带来的检测误差。
附图说明
17.图1为本技术基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置的各部件之间的作用关系示意图；图2为本技术中待测试样为圆棒状结构时的夹持结构示意图；图3为本技术基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置的结构示意图；图4为本技术第二压力传感器的安装结构示意图；图5为本技术激励超声探头夹具装置或接收超声探头夹具装置的安装结构示意图；图6为本技术橡胶卡槽块的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
19.实施例：对照图1~6：基于混频非线性超声导波的金属试样微损伤检测装置，包括信号发生模块、压电传感器、信号采集与分析模块、待测试样5及用于安装待测试样5的夹持装置8；所述信号发生模块包括信号发生器1和信号三通转接头2，压电传感器包括分别布置在待测试样5两端的第一压电传感器和第二压电传感器；信号采集与分析模块包括数字示波器6、高频信号采集卡和计算机7；所述信号发生模块的信号发生器1能够同步输出两列频率不同的正弦波信号ch1和ch2，两列正弦波信号由信号三通转接头2进行线性叠加后输出给第一压电传感器，
第一压电传感器将信号发生模块输出的电信号转化为超声振动信号并作用于待测试样5上，而第二压电传感器用于接收经过待测试样5调制后的超声信号并将其转化成电信号，第二压电传感器输出的电信号首先在数字示波器6中显示，并由高频信号采集卡采集后输入计算机7进行分析，提取检测信号中所携带的非线性特征。
20.夹持装置8包括底座9、固定平台10、滑轨11、螺杆12和滑动平台14，固定平台10与滑轨11固定于底座9上，滑动平台14底部滑动设置于滑轨11上；螺杆12一端水平旋入固定平台10的螺纹孔中，螺杆12另一端旋上一个第一限位螺母13后穿过滑动平台14上的螺纹通孔使滑动平台14可以沿滑轨11滑动，在滑动平台14外侧的螺杆12上旋上第二限位螺母15，通过第一限位螺母13和第二限位螺母15能够将滑动平台14固定于合适的位置；所述待测试样5安装在固定平台10与滑动平台14之间。
21.所述待测试样5为较小尺寸的圆棒或平板试样，待测试样5为金属材质，待测试样通过夹持装置8进行固定。
22.待测试样5为圆棒状结构，所述第一压电传感器为激励传感器3，第二压电传感器为接收传感器4，激励传感器3和接收传感器4均采用压电陶瓷并通过超声耦合剂设置在待测试样5上（圆棒试样由于其待测表面为圆弧形且半径较小，很难保证超声探头与待测试样的良好耦合，故通常采用长方形压电陶瓷片作为压电传感器）；所述激励传感器3和接收传感器4均与导线焊接，并分别通过导线与信号三通转接头2和数字示波器6连接。
23.固定平台10与滑动平台14的相向侧分别设有方形槽，方形槽中配合塞入有橡胶卡槽块33，橡胶卡槽块33上部设置有半圆形凹槽，待测试样5的两端配合嵌入顶紧在固定平台10与滑动平台14上的橡胶卡槽块33的半圆形凹槽中，实现待测试样5的安装固定。圆棒状结构的待测试样5的直径为6~16mm，相应地橡胶卡槽块33上的半圆形凹槽的半径为3~8mm，所述待测试样5的直径为半圆形凹槽的半径的两倍。
24.进一步地，橡胶卡槽块为带半圆形凹槽的长方体，如图6所示，其外形尺寸恰好与固定平台10与滑动平台14上的方形凹槽吻合，长方体的橡胶卡槽块的上表面的一侧带有半圆形凹槽，半圆形凹槽的直径可根据试样的尺寸选取，圆棒形试样的直径φ通常有φ6mm、φ8mm、φ10mm、φ12mm、φ14mm、φ16mm等，与其相对应的橡胶卡槽块根据半圆形凹槽的半径r区分，也有r3mm、r4mm、r5mm、r6mm、r7mm、r8mm等不同尺寸。
25.由此，当待测试样5为圆棒状结构时，激励传感器3与接收传感器4，分别布置在待测待测试样5的两端，与待测试样5通过超声耦合剂连接，其中激励传感器3将信号发生模块输出的激励电信号转化为超声振动信号并作用于待测试样5上，而接收传感器4用于接收经过待测试样5调制后的超声信号并将其转化成电信号。
26.当待测试样5为平板状结构时，所述第一压电传感器包括激励超声探头27和嵌入在固定平台10上表面内的第一压力传感器，第二压电传感器包括接收超声探头28和嵌入在滑动平台14上表面内的第二压力传感器16，固定平台10和滑动平台14上均设有用于穿设压力传感器信号线18的信号线穿孔，所述第一压力传感器和第二压力传感器16分别通过一根压力传感器信号线18向外输出所受到的压力大小。第二压力传感器16如图4所示，压力传感器16置于滑动平台14内部，并在上方放置一个圆形橡胶垫17；通过压力传感器信号线18输出压力传感器16所受到的压力大小。
27.激励超声探头27通过激励超声探头夹具装置可调节高度地安装在固定平台10上，
接收超声探头28通过接收超声探头夹具装置可调节高度地安装在滑动平台14上；所述激励超声探头27和接收超声探头28分别通过导线与信号三通转接头2和数字示波器6连接。当对待测试样5进行检测时，将待测试样5两端放置于第一压力传感器和第二压力传感器16上，然后调节激励超声探头27和接收超声探头28的安装高度使它们均与待测试样5表面接触，并对激励超声探头27和接收超声探头28施加相同的压力，分别通过第一压力传感器和第二压力传感器16测得压力大小，从而判断激励超声探头27和接收超声探头28与待测试样5之间的耦合情况；调节第一压力传感器和第二压力传感器16测得的压力一致后，对激励超声探头27和接收超声探头28分别进行固定，并保证整个检测过程中压力恒定且不松动。
28.其中，第一压力传感器和第二压力传感器16上均放置有一个圆形橡胶垫17，当对待测试样5进行检测时，将待测试样5两端分别通过圆形橡胶垫17与第一压力传感器和第二压力传感器16接触。
29.在本实施例中，激励超声探头夹具装置包括螺纹连接于固定平台10上的激励超声探头支杆19以及可调节高度地安装于激励超声探头支杆19上的激励超声探头夹具21，激励超声探头27固定设置于激励超声探头夹具21的侧部；所述激励超声探头支杆19上设置有竖直的限位直槽23，激励超声探头夹具21侧部设有螺纹通孔，限位螺丝24拧紧在激励超声探头夹具21侧部的螺纹通孔中并顶紧在激励超声探头支杆19的限位直槽23中，实现激励超声探头夹具21在激励超声探头支杆19上的固定安装。
30.在本实施例中，接收超声探头夹具装置包括螺纹连接于滑动平台14上的接收超声探头支杆20以及可调节高度地安装于接收超声探头支杆20上的接收超声探头夹具22，接收超声探头28固定设置于接收超声探头夹具22侧部；所述接收超声探头支杆20上设置有竖直的限位直槽23，接收超声探头夹具22侧部设有螺纹通孔，限位螺丝24拧紧在接收超声探头夹具22侧部的螺纹通孔中并顶紧在接收超声探头支杆20的限位直槽23中，实现接收超声探头夹具22在接收超声探头支杆20上的固定安装。
31.本技术激励超声探头夹具装置或接收超声探头夹具装置的结构可以设置如图5所示，激励超声探头27或接收超声探头28可以设置为超声直探头25或超声斜探头26的结构，根据超声探头种类的不同可选择适当的超声探头夹具如图5所示，将合适的超声探头夹具转动至第一压力传感器和第二压力传感器16正上方。沿支杆上的限位直槽23调节超声探头夹具的高度，拧紧两个限位螺丝24并固定好相应的超声探头。
32.对照图3中，固定平台10上表面设有一片第一橡胶垫29，固定平台10右侧上部设有用于嵌入橡胶卡槽块的第一方形槽31；滑动平台14上表面设有一片第二橡胶垫30，滑动平台14左侧上部设有用于嵌入橡胶卡槽块的第二方形槽32。
33.所述基于混频非线性超声导波的试样微损伤检测装置操作流程如下：1）根据待测试样5的形状尺寸选用不同的支撑方式：若为平板试样则在固定平台10和滑动平台14上方分别垫上一层圆形橡胶垫17进行支撑。若为圆棒试样可根据试样的直径选择合适尺寸的橡胶卡槽块（如图6），两个橡胶卡槽块分别放入固定平台10和滑动平台14上的方形凹槽中进行支撑；2）根据待测试样5的长度，转动两个第一限位螺母13和第二限位螺母15，将滑动平台14沿滑轨11调节到合适的位置并进行固定：平板试样检测时将滑动平台14调节到恰好可使激励超声探头27或接收超声探头28的检测位置，距离平板试样靠近其端部边界1cm左右
的位置处；圆棒试样检测时将滑动平台14调节到，固定平台10和滑动平台14上的橡胶卡槽块的半圆形凹槽内端平面恰好与待测试样5的端部接触的位置；3）当待测试样5为平板结构时，根据超声探头的种类不同选择合适的超声探头夹具，激励超声探头27或接收超声探头28可以设置为超声直探头25或超声斜探头26的结构。转动超声探头夹具，使所需的超声直探头25或超声斜探头26位于第一压力传感器或第二压力传感器16正上方，调节超声直探头25或超声斜探头26的安装高度，使超声直探头25或超声斜探头26与待测试样5表面接触，并对超声直探头25或超声斜探头26施加适当的外力，通过第一压力传感器或第二压力传感器16测得压力大小，从而判断超声直探头25或超声斜探头26与待测试样之间的耦合情况，然后转动限位螺丝24对超声直探头25或超声斜探头26进行固定，并保证整个检测过程中超声探头压力恒定且不松动；4）若待测试样为圆棒试样则不需进行步骤3）所述流程，需要进行激励传感器3和接收传感器4均与导线焊接，激励传感器3和接收传感器4均采用压电陶瓷，并对压电陶瓷耦合程度进行测试，所述压电陶瓷的耦合包括激励传感器3和接收传感器4通过耦合剂固定于距离圆棒试样5两端靠近其端部1cm的位置处，如图2所示。
34.本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。