專(zhuān)利名稱(chēng)：一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超聲紅外熱波技術(shù)領(lǐng)域的一種超聲脈沖激勵(lì)裝置，并特別涉及一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置。
背景技術(shù)：
超聲紅外熱波技術(shù)是一種綜合超聲和紅外熱像檢測(cè)兩種手段優(yōu)勢(shì)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其基本原理是通過(guò)主動(dòng)式受控超聲脈沖振動(dòng)來(lái)激發(fā)被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布，然后利用熱成像技術(shù)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象表面或內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)對(duì)疲勞裂紋、復(fù)合材料脫粘等接觸界面類(lèi)型缺陷效果顯著。超聲紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、控制采集終端、超聲脈沖激勵(lì)裝置和其他輔助設(shè)備構(gòu)成。超聲脈沖激勵(lì)裝置通常包含超聲電源和超聲槍兩部分，超聲電源將AC 220V 50Hz的低頻交流電調(diào)制為16KHz 22KHz的高頻交流 電，超聲槍將高頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)。在對(duì)被測(cè)對(duì)象施加超聲脈沖振動(dòng)過(guò)程中，激勵(lì)頻率、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度、激勵(lì)位置、變幅桿與被測(cè)對(duì)象之間的預(yù)緊力都會(huì)對(duì)超聲紅外熱波檢測(cè)效果有很大影響。另外，為確保檢測(cè)精度，必須解決熱像儀和超聲脈沖激勵(lì)裝置之間的通信，以實(shí)現(xiàn)熱圖像采集與外部激勵(lì)的同步。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有集合上述功能于一體的超聲脈沖激勵(lì)裝置。本實(shí)用新型將涉及一種能夠調(diào)節(jié)激勵(lì)參數(shù)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信的功能完善、結(jié)構(gòu)緊湊的超聲脈沖激勵(lì)裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，本實(shí)用新型涉及參數(shù)可控，具體包括激勵(lì)頻率、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度、激勵(lì)位置、變幅桿與試件之間預(yù)緊力、熱像圖采集時(shí)間等參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，考慮采用一個(gè)由超聲電源、超聲槍、超聲槍底座和多自由度夾具組成的超聲脈沖激勵(lì)裝置，參考圖I。超聲電源的電能輸出接口與超聲槍的電能輸入接口連接；通過(guò)超聲電源的頻率控制模塊預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿的輸出頻率；通過(guò)超聲電源的功率控制模塊預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿的輸出功率；通過(guò)超聲電源的時(shí)間控制模塊預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿的輸出時(shí)間；通過(guò)超聲電源的預(yù)緊力控制模塊預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿和被激試件之間的壓力。超聲電源主要部分實(shí)際是AC-DC-AC功能變換器，它將AC 220V 50Hz的交流電作為輸入，經(jīng)降壓、整流濾波、功率放大轉(zhuǎn)換為特定頻率、時(shí)間和功率的高頻交流電輸出。超聲電源的時(shí)間控制模塊采用STC單片機(jī)完成定時(shí)功能，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)終端連接，將超聲電源的啟動(dòng)工作信號(hào)和結(jié)束工作信號(hào)送至計(jì)算機(jī)終端，作為圖像采集的參考信號(hào)。超聲電源通過(guò)預(yù)緊力控制模塊控制超聲槍底座的伺服電機(jī)的角位移或角速度指令，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)絲杠帶動(dòng)彈簧盒調(diào)節(jié)超聲槍變幅桿和被激試件之間的壓力，超聲槍后手把前端安裝壓力傳感器，能夠?qū)⒊曌兎鶙U和被激試件之間的接觸預(yù)緊力動(dòng)態(tài)傳遞給超聲電源的預(yù)緊力控制模塊。超聲槍底座主要用于支撐并調(diào)節(jié)超聲槍軸向位置，預(yù)緊力控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值和超聲槍壓力傳感器反饋值驅(qū)動(dòng)超聲槍底座的伺服電動(dòng)機(jī)，然后通過(guò)絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)彈簧盒作用于超聲槍后手把，調(diào)節(jié)預(yù)緊力至設(shè)定值。超聲槍的核心部件是壓電陶瓷換能器，超聲電源將高頻交流電輸出至壓電陶瓷換能器，因壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并經(jīng)兩級(jí)超聲變幅桿放大使末級(jí)輸出端產(chǎn)生預(yù)期的振動(dòng)幅度，形成高頻機(jī)械振動(dòng)源，用于激勵(lì)固體振動(dòng)。多自由度夾具主要用于夾持并調(diào)節(jié)被激試件的位置，被激試件的位置調(diào)節(jié)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)，夾具整體實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便。本實(shí)用新型的參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，主要包括以下部分超聲電源，主要包括電源開(kāi)關(guān)、頻率控制模塊、功率控制模塊、時(shí)間控制模塊、預(yù)緊力控制模塊、電能輸出接口、USB接口、電源輸入和總開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部主要由電源變壓器、整流濾波器和功率放大器組成，主要用于將AC 220V 50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的交流電輸出；超聲槍?zhuān)ㄗ兎鶙U、外殼、壓電陶瓷換能器、壓力傳感器、前手柄、后手把、電能輸 入接口和觸發(fā)開(kāi)關(guān)，主要用于將高頻交流電轉(zhuǎn)化為特定振幅的機(jī)械振動(dòng)；超聲槍底座，包括導(dǎo)軌、超聲槍夾具、彈簧盒、絲杠和伺服電動(dòng)機(jī)，主要用于支撐并調(diào)節(jié)超聲槍軸向位置；多自由度夾具，包括底盤(pán)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)，主要用于固定被激勵(lì)試件；其中，預(yù)緊力控制由超聲電源的預(yù)緊力控制模塊、超聲槍的壓力傳感器、超聲槍底座的伺服電動(dòng)機(jī)三個(gè)部件共同完成。

圖I超聲脈沖激勵(lì)裝置簡(jiǎn)圖；圖2. I超聲電源前端示意圖；圖2. 2超聲電源后端不意圖；圖3超聲電源原理圖；圖4超聲槍剖視圖；圖5超聲槍底座三維視圖；圖6多自由度夾具三維視具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的參數(shù)控制和調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。參考附圖2 6，本實(shí)用新型提供一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，所述可控參數(shù)包括激勵(lì)參數(shù)(激勵(lì)頻率、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度)、激勵(lì)位置、預(yù)緊力以及采集同步。該裝置包括超聲電源，超聲槍?zhuān)晿尩鬃约岸嘧杂啥葕A具。其中，超聲電源主要包括頻率控制模塊2、功率控制模塊3、時(shí)間控制模塊4、預(yù)緊力控制模塊5、電能輸出接口 6、USB接口 7、電源變壓器10、整流濾波器11和功率放大器12等核心部件；超聲槍包括變幅桿13、壓電陶瓷換能器15、壓力傳感器16、前手柄17、后手把18和電能輸入接口 20 ;超聲槍底座包括導(dǎo)軌21、超聲槍夾具22、彈簧盒23、絲杠24和伺服電動(dòng)機(jī)25 ;多自由度夾具包括底盤(pán)26、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27、移動(dòng)機(jī)構(gòu)28、俯仰機(jī)構(gòu)29和夾持機(jī)構(gòu)30 ;預(yù)緊力控制和調(diào)節(jié)由預(yù)緊力控制模塊5、壓力傳感器16、伺服電動(dòng)機(jī)25三個(gè)部分通過(guò)反饋電路實(shí)現(xiàn)，激勵(lì)位置控制由超聲槍底座和多自由度夾具兩個(gè)部分通過(guò)相對(duì)位置調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。超聲電源主要部分實(shí)際是AC-DC-AC功能變換器，主要由電源變壓器10、整流濾波器11、功率放大器12等核心部件組成，其原理如圖3所示。其中，電源變壓器10是將AC220V 50Hz電源電壓隔離降壓后，形成兩組AC 65V 50Hz交流電；整流濾波器11是將AC65V交流電壓通過(guò)整流及濾波后形成一組+65V直流電壓和一組-65V直流電壓；功率放大器12為乙類(lèi)橋式(BTL)，具有功率補(bǔ)償和頻率跟蹤功能的正弦波信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后形成AC 45V 20Khz高頻交流電輸出。超聲電源中預(yù)緊力顯示部 分采用帶有AD功能的STC單片機(jī)完成，工作原理是半導(dǎo)體壓力傳感器的信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大器放大后，送至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并顯示。超聲槍主要由變幅桿13和壓電陶瓷換能器15組成，將20KHz高頻電能施于壓電陶瓷換能器15，因壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并經(jīng)兩級(jí)超聲變幅桿放大使末級(jí)輸出端產(chǎn)生預(yù)期的振動(dòng)幅度，形成高頻機(jī)械振動(dòng)源。變幅桿13和后手柄18之間安裝有壓力傳感器16，彈簧盒23通過(guò)后手柄推動(dòng)變幅桿13向前移動(dòng)頂緊被激試件31時(shí)，壓力傳感器16將預(yù)緊力值輸出給超聲電源的預(yù)緊力控制模塊5。超聲槍底座由導(dǎo)軌21、超聲槍夾具22、彈簧盒23、絲杠24和伺服電動(dòng)機(jī)25組成。超聲槍夾具22夾持超聲槍外殼14，并可以在導(dǎo)軌21上沿超聲槍軸向單自由度往復(fù)移動(dòng)；伺服電機(jī)25收到超聲電源預(yù)緊力控制模塊5的指令以一定的角度或角速度旋轉(zhuǎn)絲杠24帶動(dòng)彈簧盒23沿導(dǎo)軌21軸向單自由度往返移動(dòng)以此調(diào)節(jié)超聲槍變幅桿13和被激試件31之間的預(yù)緊力；超聲槍底座通過(guò)導(dǎo)軌21下方的緊固螺釘固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)。多自由度夾具包括底盤(pán)26、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27、移動(dòng)機(jī)構(gòu)28、俯仰機(jī)構(gòu)29和夾持機(jī)構(gòu)30。多自由度夾具可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27、移動(dòng)機(jī)構(gòu)28和俯仰機(jī)構(gòu)29實(shí)現(xiàn)被激試件31繞Z軸的旋轉(zhuǎn)、沿X軸的移動(dòng)和繞X軸的旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)配合超聲槍夾具22的沿Y軸的移動(dòng)和夾持機(jī)構(gòu)30沿Z軸的移動(dòng)，共實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的控制和調(diào)節(jié)；夾持機(jī)構(gòu)30采用雙邊夾持的方式，共有4個(gè)緊固螺釘；多自由度夾具通過(guò)底盤(pán)26下方的緊固螺釘固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)。下面參考附圖I 6分別描述激勵(lì)參數(shù)控制、預(yù)緊力控制、采集同步和激勵(lì)位置控制的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。I)激勵(lì)參數(shù)控制頻率控制模塊2具有追蹤壓電陶瓷換能器15模態(tài)頻率功能，自動(dòng)達(dá)到最佳共振頻率，或人為預(yù)直激振頻率；功率控制t旲塊3可以預(yù)直變幅桿13振動(dòng)輸出功率；時(shí)間控制豐旲塊4可以在無(wú)超聲功率輸出時(shí)預(yù)置定時(shí)時(shí)間，在有超聲功率輸出時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間。2)激勵(lì)位置控制多自由度夾具可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27、移動(dòng)機(jī)構(gòu)28和俯仰機(jī)構(gòu)29實(shí)現(xiàn)被激試件31繞Z軸的旋轉(zhuǎn)、沿X軸的移動(dòng)和繞X軸的旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，配合超聲槍夾具22的沿Y軸的移動(dòng)和夾持機(jī)構(gòu)30沿Z軸的移動(dòng)，共可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的控制和調(diào)節(jié)，因此被激試件的激勵(lì)位置可以按照這5個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制。3)預(yù)緊力控制預(yù)緊力控制模塊5可以預(yù)置或?qū)崟r(shí)顯示變幅桿13與被激試件31之間的預(yù)緊力值。預(yù)緊力控制模塊5將預(yù)設(shè)值轉(zhuǎn)化成角度及角速度信號(hào)傳遞給伺服電動(dòng)機(jī)25，通過(guò)設(shè)定值和壓力傳感器16反饋值調(diào)節(jié)預(yù)緊力。4)采集同步超聲電源通過(guò)USB接口 7與計(jì)算機(jī)終端連接，將超聲脈沖激勵(lì)裝置的啟動(dòng)工作信號(hào)與結(jié)束工作信號(hào)送至計(jì)算機(jī)控制終端，計(jì)算機(jī)控制終端根據(jù)接收的信號(hào)和設(shè)定的時(shí)間延時(shí)控制熱像儀采集紅外圖像的時(shí)間。
權(quán)利要求1.一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，包括 超聲電源主要包括電源開(kāi)關(guān)(I)、頻率控制模塊(2)、功率控制模塊(3)、時(shí)間控制模塊(4)、預(yù)緊力控制模塊(5)、電能輸出接口(6)、USB接口(7)、電源輸入⑶和總開(kāi)關(guān)(9)，其內(nèi)部主要由電源變壓器(10)、整流濾波器(11)和功率放大器(12)組成，主要用于將AC220V 50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的交流電輸出； 超聲槍包括變幅桿(13)、外殼(14)、壓電陶瓷換能器(15)、壓力傳感器(16)、觸發(fā)開(kāi)關(guān)(17)、前手柄(18)、后手把(19)和電能輸入接口(20)，主要用于將高頻交流電轉(zhuǎn)化為特定振幅的機(jī)械振動(dòng)； 超聲槍底座包括導(dǎo)軌(21)、超聲槍夾具(22)、彈簧盒(23)、絲杠(24)和伺服電動(dòng)機(jī)(25)，主要用于支撐并調(diào)節(jié)超聲槍軸向位置； 多自由度夾具包括底盤(pán)(26)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(27)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)(28)、俯仰機(jī)構(gòu)(29)和夾持機(jī)構(gòu)(30)，主要用于固定被激勵(lì)試件(31)； 其中，預(yù)緊力控制由超聲電源的預(yù)緊力控制模塊(5)、超聲槍的壓力傳感器(16)、超聲槍底座的伺服電動(dòng)機(jī)(25)三個(gè)部件共同完成。
2.如權(quán)利要求I所述的一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，其中，所述的超聲電源的電能輸出接口(6)與超聲槍的電能輸入接口(19)連接；通過(guò)超聲電源的頻率控制模塊(2)預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿(13)的輸出頻率；通過(guò)超聲電源的功率控制模塊(3)預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿(13)的輸出功率；通過(guò)超聲電源的時(shí)間控制模塊(4)預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿(13)的輸出時(shí)間；通過(guò)超聲電源的預(yù)緊力控制模塊(5)預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)超聲槍的變幅桿(13)和被激試件(31)之間的壓力。
3.如權(quán)利要求I所述的一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，其中，所述的超聲電源的時(shí)間控制模塊(4)采用STC單片機(jī)完成定時(shí)功能，通過(guò)USB接口(7)與計(jì)算機(jī)終端連接，將超聲電源的啟動(dòng)工作信號(hào)和結(jié)束工作信號(hào)送至計(jì)算機(jī)終端，作為圖像采集的參考信號(hào)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種參數(shù)可控的超聲脈沖激勵(lì)裝置，可為超聲紅外熱波技術(shù)提供所需的激勵(lì)源。該裝置通過(guò)超聲電源來(lái)控制激勵(lì)參數(shù)，包括激勵(lì)頻率、激勵(lì)時(shí)間和激勵(lì)強(qiáng)度等；通過(guò)超聲槍底座可以自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲槍變幅桿和被激試件之間的預(yù)緊力；通過(guò)多自由度夾具可以控制變幅桿作用于被激試件的位置；超聲電源可以通過(guò)USB接口連接到計(jì)算機(jī)，將激勵(lì)參數(shù)顯示在計(jì)算機(jī)終端軟件上，并通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制紅外熱像儀的同步采集，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)與熱圖像采集的同步。該裝置既可在實(shí)驗(yàn)室使用，也可手持超聲槍使超聲變幅桿的振動(dòng)輸出端壓緊被激試件的合適區(qū)域?qū)嵤┘?lì)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)參數(shù)可調(diào)、預(yù)緊力可控、激勵(lì)位置調(diào)節(jié)以及采集同步等諸多功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的特點(diǎn)，可用于在實(shí)驗(yàn)室或野外為超聲紅外熱波技術(shù)提供理想的激勵(lì)源。
文檔編號(hào)G01N25/72GK202548078SQ20122012470
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者丁闖, 馮輔周, 孫野, 張麗霞, 張超省, 江鵬程, 邱綿浩 申請(qǐng)人:馮輔周