专利名称：基于局部刚度法的复合材料无损检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种基于局部刚度法的复合材料无损检测系统及其检测方法。
背景技术：
复合材料具有比强度高、比刚度高和可设计性等优点，在众多工业领域获得越来越广泛的应用。但复合材料材料性能存在严重各向异性，并且对声波衰减效应明显；复合材料的缺陷种类较多，较常见的缺陷有裂纹、分层、断裂、铺层皱折等，因此传统的方法很难完成对复合材料的无损检测任务。无损检测界针对复合材料结构的无损检测提出的一些检测方法主要依据超声或微波等检测技术，复合材料结构经过多年的发展，结构已经越来越复 杂，厚度亦越来越薄，超声技术在薄板结构中已经遇到了严重的困难。为了完成对复合材料结构的无损检测任务，需要开发出一套适用于薄板的无损检测的系统。

发明内容
为了解决传统无损检测方法难以完成对复合材料薄板结构检测的问题，建立了一种基于局部刚度法的复合材料无损检测系统及其检测方法，用于完成对复合材料薄板结构的无损检测。本发明的一个目的在于提出一种基于局部刚度法的复合材料无损检测系统。本发明的复合材料无损检测系统包括压电梁、信号发生器、移动台、应变仪、运动控制卡、数据采集卡、以及计算机；其中，信号发生器通过数据线连接至压电梁；压电梁的一端为自由端，另一端固定在移动台上；移动台通过数据线与运动控制卡相连接；运动控制卡通过数据线连接至计算机；压电梁通过数据线连接至应变仪；应变仪通过数据线连接至数据采集卡；采集卡通过数据线连接至计算机。进一步，压电梁包括悬臂梁、探针和应变片；其中悬臂梁的一端为自由端，设置有探针；另一端固定在移动台上；在悬臂梁的上表面粘贴应变片。探针为锥体或柱体；探针的头部为球状或平面状；并垂直于悬臂梁安装在自由端。悬臂梁采用压电材料，能够接受电信号并发生受激振动，探针能与样品接触并不损害样品，应变片感知压电梁的应变进而获得压电梁的接触谐振信息，应变片检测到的谐振信息通过数据线传输至应变仪。信号发生器发出交变的电信号控制压电梁进行稳态谐振，位于压电梁上的应变片采集谐振信号，即应变信号，通过对应变信号进行测量，就能得到压电梁振动的谐振曲线。移动台能固定压电梁并进行三维移动，进而完成对待测样品的目标区域的检测。本发明采用接触谐振技术来完成对复合材料的待测结构的接触检测。压电梁与待测样品的表面发生接触，信号发生器发出交变的电信号控制压电梁进行稳态谐振，通过移动台移动压电梁进行扫描待测样品，从而测量待测样品的谐振信息，包括接触谐振频率f、谐振振幅A及谐振品质因子Q等参数。通过计算可获得谐振参数(f、A和Q)与测点刚度之间的力学关系，进而就能完成对待测样品表面刚度的定量计算。数据采集卡记录测量数据，对信号进行数字成像处理，从而得到表征待测样品的刚度信息的刚度分布图。得到刚度分布图之后，通过对比已知的样品的结构刚度分布图，找出这两者的异同，即能判断出待测样品是否存在缺陷，或者是否已经发生破坏。同样可知，本发明的系统也能用于对未知结构进行刚度探测和刚度成像。本发明的另一个目的在于提供一种基于局部刚度法的复合材料无损检测方法。本发明的复合材料无损检测方法包括I)确定对样品的扫描检测区域，并且计算机设定扫描参数；2)根据所设定的扫描参数，运动控制卡控制移动台工作，压电梁的探针与扫描区域的指定测点接触，数据采集卡记录接触点所在的位置坐标；3)信号发生器发出交变的电信号作为激振信号，在激振下探针与样品之间发生接触谐振，压电梁进行稳态谐振； 4)应变仪读取应变片传来的振动信号，数据采集卡存储应变信号；5)计算机处理应变信号，并计算所测点的刚度值；6)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量；7)重复步骤2)至6)，完成对检测区域所有点的测量；8)主控程序控制数据处理程序形成刚度分布图；9)分析处理刚度分布图，完成对待测样品的检测评估。本发明采用局部刚度法，局部刚度法是一种快速获取待测样品的局部刚度信息的技术，使用接触探测技术获得接触点的局部刚度的参数，通过对待测样品进行多个点的接触探测，进而得到待测材料的刚度分布，通过刚度分布确定结构是否存在缺陷或者发生破坏。本发明的方法还能通过定量计算，获得接触刚度、材料弹性参数、结构厚度等信息。本发明的方法能在不影响材料的性能和结构完整性的前提下，完成对薄板(厚度5mm以下)的刚度信息的测量，并对结构的缺陷和损伤分布做出评估，是一个新的研究方向。本发明的优点本发明通过测得的接触谐振参数，计算得样品的刚度信息，形成刚度分布图像，进而对材料的刚度和健康状态做出评价。从待测样品的刚度探测入手，通过待测样品的刚度信息来表征结构的内部力学信息，尤其适用于复合材料的薄板的检测，薄板的厚度在5mm以下，是一种全新的无损检测方法。本发明在不影响材料的性能和结构完整性的前提下，完成对待测样品的刚度信息的测量，从而对结构的缺陷和损伤分布做出评估。


图I为本发明的一种基于局部刚度法的复合材料无损检测系统的结构示意图；图2为本发明的压电梁的结构示意图；图3为对待测样品进行接触谐振测试的接触频响曲线图；图4为正常复合材料栅格板的结构示意图；图5为栅格脱落的复合材料栅格板的结构示意图；图6为正常复合材料栅格板的刚度分布图；图7为栅格脱落的复合材料栅格板的刚度分布图；图8为压电梁与待测样品接触谐振的力学模型图9为本发明的一种基于局部刚度法的复合材料无损检测方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。如图I所示，本发明的复合材料无损检测系统包括信号发生器I、压电梁2、移动台3、应变仪4、运动控制卡5、数据采集卡6、以及计算机7 ;其中，信号发生器I通过数据线连接至压电梁2 ;压电梁2的一端为自由端，另一端固定在移动台3上；移动台3通过数据线与运动控制卡5相连接；运动控制卡5通过数据线连接至计算机7 ;压电梁2通过数据线连接至应变仪4 ;应变仪4通过数据线连接至数据采集卡6 ;采集卡6通过数据线连接至计算机7。如图2所示，压电梁2包括悬臂梁21、探针22和应变片23 ;其中悬臂梁21的一端为自由端，设置有探针22 ;另一端固定在移动台3上；在悬臂梁21的上表面粘贴应变片23。探针2为锥体，其头部为球状，并垂直于悬臂梁21安装在自由端。 本发明通过理论分析和计算，建立了压电梁-样品接触系统的力学谐振模型，如附图8所示，压电梁与样品之间的接触采用开尔文单元进行模拟，这里认为在接触时梁上各点的振动为稳态谐振。由振动力学相关理论可知，压电梁的谐振特性与其边界支撑状态关系密切，对上述力学模型进行进一步分析可知，该模型左端固支，右端为弹性支撑，固支端的力学条件无法改变，但弹性支撑端的力学条件却很容易变化，因此能显著影响压电梁的谐振特性的边界为右端的弹性支撑边界。进一步分析该梁弹性端所处的实际边界支撑可知，力学特性完全由接触点的待测样品的刚度特性决定，即待测样品的刚度决定了压电梁的边界条件。由于压电梁边界支撑特性对梁的谐振特性影响明显，因此可认为待测结构的刚度对梁的谐振特性影响明显，故能通过获取压电梁的谐振特性来获取待测样品的刚度特性。通过计算可获得谐振参数(f、A和Q)与测点刚度之间的力学关系，进而就能完成对待测样品的表面刚度的定量计算，显然，测点间的刚度差异会导致各测点所测得接触频响曲线形成差异。图3为对待测样品进行接触谐振测试的接触频响曲线图，对于两个刚度不同的测点a和测点b，分别进行接触谐振测试。通过对应变信号进行处理，我们得到两条不同的接触频响曲线，频响曲线a对应于测点a，而频响曲线b对应于测点b。如图3所示，在测点所得到的接触谐振曲线的谐振参数会有如下的差别曲线a对应的共振频率值要低于曲线b所对应的共振频率值，而曲线a对应的最大振幅值和曲线的品质因子要大于曲线b对应的最大振幅值和曲线的品质因子，因此得到测点a的刚度大于测点b的刚度。通过理论分析计算，所能得到样品刚度和接触谐振参数之间的联系规律为较大的刚度对应于高的共振频率，低的共振幅值和低的品质因子。进一步的理论分析能够得到上述规律定量的解析表达式，这样即能通过测量谐振参数，进而计算样品的刚度。图4为正常复合材料栅格板的结构示意图，图5为栅格脱落的复合材料栅格板的结构示意图，使用本发明提出的检测方法，通过对该区域进行刚度检测，就能得到刚度分布图，图6为正常复合材料栅格板结构检测刚度分布图，图7为栅格脱落复合材料栅格板结构检测刚度分布图。检测结果图使用深浅进行表征，深色的区域即为刚度较大区域，浅色或白色区域即为刚度较小区域，对比图6和图7的差别可知，图7中间的异常空白区域是由于栅格脱落造成的，通过分析刚度分布图既能判断结构已经发生破坏。得到刚度分布图之后，通过对比已知的样品的结构刚度分布信息，找出这两者的异同，即能判断出待测样品是否存在缺陷，或者是否已经发生破坏。同样可知，该系统也能用于对未知结构进行刚度探测和刚度成像。这里列举一个典型的测量实例来具体说明本发明的原理。在复合材料结构中，带有格栅加强的薄板结构是较常用的复合材料结构，但是栅格结构中加强板材比较容易发生断裂或者脱粘，传统的检测方法很难完成对这种缺陷的检测，这里就可以使用本发明提出的方法进行检测。本发明的复合材料无损检测方法，如图9所示包括以下步骤I)确定对样品的扫描检测区域，并且计算机设定扫描参数，如扫描分辨率、速度、采样率、接触力、激振信号强度和所测谐振参数等信息； 2)根据所设定的扫描参数，计算机将控制指令传给移动台的运动控制卡，运动控制卡控制移动台工作，压电梁的探针与扫描区域的指定测点接触，数据采集卡记录接触点所在的位置坐标；3)信号发生器发出交变的电信号作为激振信号，功率放大器将该信号进行放大，放大后的信号输出至压电梁，在激振下探针与待测样品之间发生接触谐振，压电梁做稳态谐振；4)应变仪读取应变片传来的振动信号，数据采集卡存储应变信号；5)计算机处理应变信号，并计算所测点的刚度值；6)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量；7)重复步骤2)至6)，完成对检测区域所有点的测量；8)主控程序控制数据处理程序形成刚度分布图；9)分析处理刚度分布图像，完成对待测样品的检测评估。最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种复合材料无损检测系统，其特征在于，所述检测系统包括信号发生器(I)、压电梁(2)、移动台(3)、应变仪(4)、运动控制卡(5)、数据采集卡(6)、以及计算机(7);其中，信号发生器(I)通过数据线连接至压电梁(2);压电梁(2)的一端为自由端，另一端固定在移动台(3)上；移动台(3)通过数据线与运动控制卡(5)相连接；运动控制卡(5)通过数据线连接至计算机(7);压电梁(2)通过数据线连接至应变仪(4);应变仪(4)通过数据线连接至数据采集卡(6 );采集卡(6 )通过数据线连接至计算机(7 )。
2.如权利要求I所述的检测系统，其特征在于，所述压电梁(2)包括悬臂梁(21)、探针(22)和应变片(23);其中悬臂梁(21)的一端为自由端，设置有探针(22);另一端固定在移动台(3)上；在悬臂梁(21)的上表面粘贴应变片(23)。
3.如权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述探针(22)为锥体或柱体。
4.如权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述探针(22)的头部为球状或平面状。
5.如权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述悬臂梁(21)采用压电材料。
6.一种复合材料无损检测方法，其特征在于，所述检测方法包括 1)确定对样品的扫描检测区域，并且计算机设定扫描参数； 2)根据所设定的扫描参数，运动控制卡控制移动台工作，压电梁的探针与扫描区域的指定测点接触，数据采集卡记录接触点所在的位置坐标； 3)信号发生器发出交变的电信号作为激振信号，在激振下探针与样品之间发生接触谐振，压电梁做稳态谐振； 4)应变仪读取应变片传来的振动信号，数据采集卡存储应变信号； 5)计算机处理应变信号，并计算所测点的刚度值； 6)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量； 7)重复步骤2)至6)，完成对检测区域所有点的测量； 8)主控程序控制数据处理程序形成刚度分布图； 9 )分析处理刚度分布图，完成对待测样品的检测评估。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤I)中，所述扫描参数包括扫描分辨率、速度、采样率、接触力、激振信号强度和所测谐振参数等信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于局部刚度法的复合材料无损检测系统及其检测方法。本发明采用局部刚度法，能够快速获取待测样品的局部刚度信息的技术，通过测得的接触谐振参数，计算得样品的刚度信息，形成刚度分布图像，进而对材料的刚度和健康状态做出评价。从待测样品的刚度探测入手，通过待测样品的刚度信息来表征结构的内部力学信息，尤其适用于复合材料的薄板的检测，薄板的厚度在5mm以下，是一种全新的无损检测方法。本发明在不影响材料的性能和结构完整性的前提下，完成对待测样品的刚度信息的测量，从而对结构的缺陷和损伤分布做出评估。
文档编号G01N19/00GK102759487SQ20121023491
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者付际, 周锡龙, 李法新, 高鹏 申请人:北京大学