[發明專利]一維球形顆粒鏈非線性孤波傳感器

在審

• 申請號: 201710790254.1
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107505355A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 吳斌;李明智;王鶴螢;肖婷;劉秀成;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及一種一維球形顆粒鏈式非線性孤波檢測傳感器，屬于無損檢測技術領域，其作用是通過沖擊顆粒的撞擊，在一維球形顆粒鏈中產生非線性孤波，利用觀察顆粒中的壓電材料記錄的入射和反射孤波信號，對待測材料或結構進行無損評價。

背景技術

多層板粘接結構在航空航天高端裝備中廣泛使用，當結構內部存在損傷或層間出現脫粘時，材料的局部屬性(如密度、剛度等)將發生變化。目前能夠針對多層板粘接結構中損傷或層間脫粘的通用無損檢測方法主要是超聲法。一般采用壓電超聲換能器激發超聲，并需使用耦合劑。壓電超聲換能器的激勵源一般包括精密、復雜的信號發生器和放大電路等，接收的超聲波反射信號一般幅值低，易受噪聲干擾而影響局部損傷或脫粘檢測效果。

為實現一種激勵方式簡單、接收信號幅值高的局部損傷和脫粘檢測方法，本發明提供了一種一維球形顆粒鏈式非線性孤波檢測傳感器，只需采用沖擊顆粒沖擊一維球形顆粒鏈，即可在顆粒鏈中形成高能量的非線性孤波，與被測試件表面作用后，反射回顆粒鏈中的非線性孤波信號可以用于表征局部損傷和脫粘程度。該方法操作簡單，無需激勵電路，觀察顆粒中壓電材料接收的信號幅值高，便于實際現場檢測。

發明內容

本發明的目的是研制一款適用于板結構的一維球形顆粒鏈式非線性孤波檢測傳感器，有效激勵和接收非線性孤波檢測信號。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為包含了如下部件：沖擊顆粒1、球形顆粒鏈2、觀察顆粒3、底座5、支架6、卡具7、不銹鋼角碼8、電磁閥9、導桿10。一維球形顆粒鏈非線性孤波傳感器，該傳感器包括沖擊顆粒1、球形顆粒鏈2、觀察顆粒3、底座5、支架6、卡具7、不銹鋼角碼8、電磁閥9和導桿10。一維球形顆粒鏈為核心部件，該核心部件由沖擊顆粒1、球形顆粒鏈2與觀察顆粒3組成。觀察顆粒3作為檢測與記錄孤波信號的結構，由兩個半球16與一個壓電片18組成。如圖3所示，導線15通過焊點19焊接到壓電片18上，壓電片18通過環氧樹脂粘接到兩個半球16中間。利用螺栓緊固支架6與底座5；同時利用不銹鋼角碼8將兩對卡具7連接在支架6上；電磁閥9通過末端螺紋與支架6連接。四根導桿10插入卡具7的方形槽14與底座5的沉孔12中；沉孔12支撐導桿10、方形槽14限制導桿的位移與旋轉；當四根導桿10中心放入球形顆粒鏈2時，通過螺紋孔13，利用螺栓調節4根導桿10的位置，能夠保證球形顆粒鏈2中顆粒自由移動。

傳感器的整體裝配圖如圖1所示，觀察顆粒的結構示意圖如圖3所示。

一維球形顆粒鏈非線性孤波無損評價方法，沖擊顆粒1由電磁閥9控制從固定高度處以自由落體方式沖擊沖擊顆粒1下方的一維球形顆粒鏈2，以此沖擊過程形成沿一維球形顆粒鏈2中傳播的非線性孤波，傳播至觀察顆粒3時，非線性孤波產生的位移將被內嵌于觀察顆粒3中的壓電材料18感知并以電壓形式輸出，稱作入射孤波；當非線性孤波傳播至一維球形顆粒鏈2的末端顆粒與待測材料或結構4的界面時將產生反射，再次進入一維球形顆粒鏈2，傳播過程中再次被觀察顆粒3中的壓電材料18檢測到，輸出的電壓信號稱作反射孤波；利用反射孤波和入射孤波的飛行時間差或幅值比，對待測材料或結構4的剛度或損傷進行無損評價。

四根導桿10貫穿卡具7的方形槽14并固定于底座5的沉孔12中；四根導桿10圍束的通道內放置由多顆等直徑實心球構成的一維球形顆粒鏈2，一維球形顆粒鏈2與導桿間的接觸力可通過調節螺栓在螺紋孔13的位置進行細微調整；底座5中的通孔11直徑小于一維球形顆粒鏈中顆粒球直徑，以使末端顆粒不從通道滑出而與待測材料或結構4表面接觸。

壓電材料18通過環氧樹脂夾裝于兩個半球顆粒16之間，兩個半球顆粒16球心處加工凹槽，以便于壓電材料18正反面的電極引線15焊接，電極引線外延至觀察顆粒3外，與電壓采集裝置相連接。

支架6與底座5通過螺栓緊固，卡具7通過不銹鋼角碼8與支架6相連接，電磁閥9通過末端螺紋與支架6連接；電磁閥9由供電直流電源的通斷控制，斷電時沖擊顆粒1釋放。

本發明以一維球形顆粒鏈為核心，制作出非線性孤波傳感器，該傳感器具有信號能量高、衰減小且信號不頻散等優點，完全可以滿足實驗要求。

附圖說明

圖1一維球形顆粒鏈非線性孤波傳感器示意圖

圖2卡具、底座示意圖

圖3觀察顆粒示意圖

圖4典型非線性孤波信號示意圖

具體實施方式