CN109580780A - 手持式敲击检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手持式敲击检测仪，包括敲击锤、驱动模块和微处理器控制单元，其特征在于，敲击锤包括电磁线圈、铁磁块、金属框、金属滑杆和弹簧以及敲击头；敲击头包括压电传感器和锤头。本发明还涉及一种检测方法，步骤如下：先对一块蜂窝复合材料标准试件进行采样，采集无缺陷处的电压波形；压电传感器输出的信号经过运放隔离放大，差分信号变换成单端信号，获得一段质量好的光滑信号；获得光滑信号的波宽W0作为标准试件的脱粘程度；对待测试件进行检测，得出待测试件的信号波宽W1,将W1与W0相比较，差值越大表示脱粘程度越厉害，越小表示质量越好。本发明具有检测方便快捷，精度高的优点。

Description

手持式敲击检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及一种采用手持式敲击检测仪。

背景技术

随着航空技术和复合材料技术的不断的发展与创新,蜂窝复合材料在航空事业领域上得到了越来越广泛的应用。由于蜂窝复合材料内部结构自身的特点,在一些施工环境和非设计载荷以及异物撞击等强度作用下容易出现分层和脱粘等缺陷。航天器件必须具有极高的精密度和安全性能，所以需要对航天器件进行无损检测。

敲击检测是一种重要的无损检测方法，对于蜂窝复合材料分层和脱粘的缺陷，传统的敲击检测是飞机维修人员常常使用类似小锤的工具,用适当力度去敲击蜂窝材料的待测表面。若蜂窝表面存在面板分层或脱粘损伤时,会改变其材料的固有物理特性(如材料本身的弹性系数),发出的“声音”也会随之变化。所以，维修人员依靠维修经验、主观判断和人工敲击的常识，通过材料发出声音来识别表面结构的损伤，这种检测的方法不仅容易造成误判和漏判；再者，对于操作经验不丰富的人员，使用工具敲击，还会对材料带来二次伤害；而且造成效率低、操作量大、维护时间长等等一系列的缺点。

传统工艺的压电陶瓷片叠装而成的传感器存在体积较大、灵敏度不高、装配工艺复杂等问题。随着技术的不断发展,系统要求冲击传感器能够具备小型化、高灵敏度、集成一体化等特点,因此研究新型小型化、高灵敏度冲击传感器就显得很有必要。使用集成多层压电陶瓷设计小型化、高灵敏度的压化传感器则展现出了优势,所制得的传感器体秋小、灵敏度高,另多点布局、多轴敏感设计可实现"万向性"的要求。

从敲击传感器灵敏度角度分析，现有的一些检测设备的敲击传感器都是采用单层压电片的压电陶瓷传感器，或者是多层叠加压电片的压电传感器都有着灵敏度不高的缺点，无法对微弱信号进行检测，检测分辨率低。

从传感器的体积大小角度分析，传统的压电传感器如想提高灵敏度就必然要增加压电片，从而使体积变大，占据系统空间变大，装配复杂，集成度低，无法实现多点布局，使系统触发的可靠性降低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，针对蜂窝复合材料的脱粘分层等缺陷，设计一种手持便携式的敲击检测仪，并给出检测方法。本发明的技术方案如下：

一种手持式敲击检测仪，包括敲击锤、驱动模块和微处理器控制单元，其特征在于，敲击锤包括电磁线圈16、铁磁块18、金属框、金属滑杆20和弹簧23以及敲击头；敲击头包括压电传感器17和锤头19；电磁线圈16固定在金属框底端，弹簧23固定在金属框顶端，铁磁块18上接弹簧，下接金属滑杆，铁磁块能在金属框内上下运动，金属滑杆一端从固定于金属框下端的电磁线圈中间通过，并与铁磁块固定连接，金属滑杆另一端依次固定压电传感器及合成塑料锤头。压电传感器17采用多层压电晶片实现；微处理器产生的脉冲控制信号通过驱动模块加载在电磁线圈上，控制电磁线圈的通断来实现金属滑杆的往复运动，从而带动电磁块和敲击锤的动作；压电传感器的检测信号被送入微处理器进行信号处理分析，以检测其是否存在缺陷和脱粘情况。

本发明同时提供利用所述的检测仪实现的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先对一块蜂窝复合材料标准试件进行采样，采集无缺陷处的电压波形；

(2)压电传感器输出的信号经过运放隔离放大，差分信号变换成单端信号；

(3)取得一段有效的敲击反馈数字信号；

(4)将数字信号进行数字滤波处理，获得一段质量好的光滑信号；光滑信号的波宽W表示复合材料的脱粘程度；

(5)重复(1)至(4)多次，取其平均值W0作为标准试件的脱粘程度；

(6)对待测试件进行检测，重复步骤(1)至(4)，得出待测试件的信号波宽W1,将W1与W0相比较，差值越大表示脱粘程度越厉害，越小表示质量越好。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)在传感器结构方面，本发明使用了集成多层陶瓷压电片的压电传感器。由于集成多层压电陶瓷晶片的高压电常数,所制得的传感器灵敏度大大提升,可以达到相同体积下是使用传统压电陶瓷片的传感器灵敏度的5倍以上。压电传感器固有灵敏度高,输出信号大,提高传感器的检测分辨率,还可扩大传感器的测量范围和增强抗冲击能力。

(2)在传感器体积大小方面，体积小型化后可以实现多点布局、系统集成，相较于传统的冲击传感器,多层压电陶瓷的集成化和优异的压电常数,可以缩小质量块,使得传感器体积缩小及减薄。

附图说明

图1是本发明提出的一种敲击检测仪的整体结构图。

图2是敲击检测仪的俯视图。

图3是敲击检测仪的侧视图。

图4是触摸屏的操作界面

图5是压电传感器结构示意图

图6是多层压电陶瓷结构示意图

图7是正常信号与脱粘信号的比较

图8是敲击头驱动信号示意图

图9是信号处理框图

图10是敲击反馈信号截取原理图

图11是边缘检测原理图

图12是主程序流程图

图中标号说明：1LED模块；2触屏模块；3电源开关；4脱沾程度大小显示；5采样数显示；6参考值显示；7采样次数显示；8开始暂停按钮；9复位设置；10电量显示；11速度设置；12采样平均数设置；13工作模式设置；14获取参考；15帮助；16电磁线圈；17压电传感器；18铁磁块；19合成塑料锤头；20金属滑杆；21金属框；22软导线；23弹簧

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为手持式敲击检测仪的示意图。如图1所示，电量检测电路采用A/D模数转换对两节电池电量实时检测，以备使用过程中及时充电；保护电路模块可在充电过程中进行过压保护与放电过程欠压保护；电源降压电路模块可将直流电源转换为其他电路所需的工作电压；微处理器控制单元采用DSP实现，产生一路脉冲控制信号控制驱动模块，从而控制电磁铁的检测频率；电磁铁带动传感器获取蜂窝复合材料表面的震动信息进而转换成微弱的小信号，经放大电路产生单端信号供微处理器采集，DSP经过AD对信号进行采集并对所采集信号进行滤波和边沿检测得出反应判决材料特性的波形宽度来判断待测复合材料的脱粘程度，脱粘程度通过LED模块1显示，依据脱粘程度不同，发光LED有以下几种显示模式：绿色、黄色、浅红色、深红色，其代表缺陷分别为正常、警告、缺陷、严重缺陷，当检测到缺陷时，蜂鸣器会报警，提示此处材料有缺陷；人机界面触控屏2采用电阻式触摸方式，在界面上设置速度11、采样平均次数7判决与工作模式(脱粘、内核)13按钮，及电量显示10，脱粘数据显示控件，速度按钮11可以设置电磁铁的敲击频率，采样平均次数12判决按钮可以设置将采集的蜂窝材料表面数据进行平均做判断，从而得出稳定、准确蜂窝表面的脱粘程度，工作模式按钮(脱粘、内核)13可以根据需要检测蒙皮与蜂窝结构脱粘程度和蜂窝内部结构状态；显示控件可以实时显示电池的电量的状况和脱粘程度的数据值。

压电传感器：图5为本实施例敲击锤结构示意图，如图所示，敲击锤由一个电磁线圈16、铁磁块18、一个金属滑杆20和一个弹簧23以及敲击头构成；敲击头由压电传感器17和合成塑料锤头19组成。电磁线圈16固定在金属框底端，弹簧23固定在金属框顶端，铁磁块18上接弹簧，下接金属滑杆，铁磁块能在金属框内上下运动，金属滑杆一端从固定于金属框下端的电磁线圈中间通过，并与铁磁性材料制成的铁磁块固定，金属滑杆另一端依次固定压电传感器及合成塑料锤头。压电传感器17用多层压电晶片实现。

压电传感器17检测方法的核心思想是，当被检测对象中存在某种缺陷时，结构整体的某些振动特征也会随之改变，将此变化经传感器转化为电信号，经过信号放大，送入微处理器进行信号处理分析，以检测其是否存在缺陷和脱粘等情况。

当塑料锤头接触到蜂窝表面时，传感器输出波形开始上升。直到蜂窝板达到最大压缩时,弹簧常数即蜂窝蒙皮之间的距离达到最小(相比正常区域小的多)。由于蜂窝内部结构受到的负载力,蜂窝材料的表面的蒙皮开始脱离内核的束缚向上凸起，在这个过程,直到敲击头表面；从以上动态描述可以得出蜂窝形材料弹簧常数的大小主要是内部结构所受的挤压程度。因此,通过给予敲击头同样大小的力，根据蜂窝表面的各个位置的得出弹簧系数的不同，相应的这些弹簧系数的在传感器被转换成宽度不同的脉冲,因此蜂窝脱粘的结构能被探测到。图7为正常信号与脱粘信号的比较示意图，传感器输出的信号经过运放隔离放大,然后通过比较器转换成脉冲,敲击正常材料的采集的脉冲周期为T0,有缺陷的材料的脉冲周期为T,T-T0/T0表示材料缺陷的程度，从图中可以看出缺陷区域的脉冲宽度明显大于正常的区域。

敲击锤的核心部件是压电传感器17。传统的压电传感器为了增大灵敏度，通常使用多片压电陶瓷晶片并联和较大的质量块，而该发明采用集成多层压电膜压电陶瓷的压电传感器仅使用一片就可达到高灵敏度的要求，减少了多个电极，还可减少质量块的体积，且灵敏度不低于片式压电陶瓷的传感器，故使用集成多层压电陶瓷不仅能大大增加传感器的灵密度，并能减少体积、减轻重量，还可扩大传感器的测量范围和增强抗冲击能力。多层压电陶瓷的两电极为叉指型薄膜电极，主要成分为Ag，厚度为数微米，压电陶瓷材料为锆钛酸铅，方便整体压电陶瓷的极化以及应用时的电信号拾取，相邻两层压电陶瓷的极化方向相反，实现多层压电陶瓷之间的并联，获得更多的电荷，大大增加了整体的压电常数。图6为多层压电陶瓷的结构示意图。元件的两极为上下两面的银电极，为保证两电极间的绝缘，一侧的银电极与另一侧的银电极不接触。

由压电传感器17输出的差分信号经过高精密软导线22与放大器进行信号传输，该导线质量轻，柔软度高，当敲击头进行往复运动时，导线产生的形变对敲击头产生的影响比较小，可以忽略不计。

驱动模块通过驱动电流控制电磁线圈的通断来实现金属滑杆的往复运动。通过对线圈输入电流，使线圈带有磁性，当对电磁线圈的电流输入端port上输入高电平时，电磁线圈产生磁性，带动电磁块向下运动，此时敲击锤向下运动；当对电磁线圈的电流输入端port上输入低电平时，电磁线圈失去磁性，由弹簧带动电磁块向上运动，此时敲击锤向上运动。通过对线圈施加一路方波形状的电流，控制敲击锤的往复运动。还可以通过控制输出高低电平的频率来控制敲击频率。

信号处理：信号调理模块整体部分主要由放大器和DSP共同完成。压电传感器输出的微弱差分信号经过仪表放大器放大后，差分信号变换成单端信号，利于处理器对信号的采集与后期处理。为了更好的获得有效信号，当电磁线圈的电流输入端port的敲击驱动信号为上升沿时，便可以通过DSP时钟同步截取一段波形，这段波形就是我们所需要的敲击反馈信号。由于探头敲击震荡的作用，在信号尾端有小的纹波，这给后期的处理造成了很大的困难，所以需要先进行滤波处理。在DSP中，设计了一个带通滤波器，对DSP采集到的信号进行滤波，滤除信号尾端的纹波，这样就可以获得一个信号质量较好的信号。通过一个边沿检测算法，检测出信号的上升沿与下降沿，两个数据相减可以得出反应判决材料特性的波形宽度，进而来判断待测复合材料的脱粘程。

检测算法的主要步骤如下：

(1)获取有效信号。经过AD采样传输到DSP的信号有很大一部分是无用信号，所以需要截取一段有效信号。当电磁线圈的电流输入端port的敲击驱动信号在上升沿时，DSP开始通知AD采集一定采样数n的信号并传输到DSP处理器进行下一步处理。

(2)滤波。带通滤波器，主要是对信号尾端的纹波进行滤除。主要利用MATLAB和CCS5.5对滤波器进行设计。

①滤波器生成：调用MATLAB的FDATool工具，可以完成滤波器的设计、分析评估等功能。打开FDATool工具后，默认为等纹波滤波器，设计滤波器的参数。

②C语言头文件生成。用C语言在CCS环境下实现FIR滤波器时，其滤波器系数需要添加至工程中，就是将生成的系数以c语言头文件的形式添加至工程，主函数调用该文件即可。

(3)边沿检测。①初始化，预先设置一个参考电压V₀(触发电平)，作为边沿触发条件来检测上升沿或下降沿的存在。记录每一位来自于滤波处理后的数据的位置，例如：第一位编号为0，第二位编号为1，第三位编号为2，依此类推，一直到n-1。②比较和X_i+1(第i位的数据值，0≤i<n-2)和的大小，如果X_i≤V₀，且X_i+1>V₀，则第i位为上升沿触发点，并把i值存储到一个长度为100的数组a中，记为a[cnt0]，cnt0自加一；如果X_i≥V₀，且X_i+1<V₀，则第i位为下降沿触发点，并把i值存储到一个长度为100的数组b中，记为b[cnt1]，cnt1自加一；如果X_i≥V₀，且X_i+1≥V₀或X_i≤V₀，且X_i+1≤V₀，则无法做出判断，令i＝i+1，重复执行比较程序②，一直到i＝n-2，程序结束。③取出数组a中的最小值Amax，和数组b中的最大值Bmax，并做差，得到W＝Bmax-Amax，W就是可以反应判决材料特性的波形宽度。

主程序：程序总共分为三个部分：首先给设备上电，上电之后，设备进行初始化各模块；接下来是获取参考值。在屏幕上点击参考值之后，把敲击检测仪放在一块标准测件的上方，获取材料板正常情况下的波形宽度；最后是执行部分。在while循环中读取压电传感器输出的特性脉宽，根据X＝(采样值-参考值)/参考值*100的算法公式，如果X的值小于10，则表示为检测点正常，绿灯亮，没有脱粘；X的值在10到20，测试点为警告，黄灯亮起；当X的值在10到45范围之内，为缺陷，红灯亮起，同时蜂鸣器报警响起，X的值在45以上则为严重缺陷，此处严重脱粘，红灯亮起，同时蜂鸣器报警。

人机界面：电磁铁的敲击频率可以在触控屏上完成，可以通过按下设置按钮，可以设置敲击速度11为2/4/8/16HZ,其本设计上电默认设置2HZ；采样平均数12设置按钮，可以根据敲击的速度分别进行1/2/4/8采样平均数做判断，上电默认采样品均数设置1；本设计可以有两种工作模式，脱沾和内核检测模式，脱沾是检测蜂窝复合材料的脱沾缺陷，内核则是检测材料的内核状态，上电默认为脱沾缺陷检测。显示控件分为采样值5、参考值显示6、采样次数7实时显示，采样控件5将压电传感器的采集的脱沾值实时显示，参考值控件6则为选定的复合材料的参考值，采样次数7是记录传感器实际测点数；同时界面上可以实时显示电池电量10和蜂窝表面的脱沾程度，脱沾程度4将用进度条显示，脱沾程度4大小用绿色、黄色、浅红色、深红色分别表示蜂窝表面的脱沾程度正常、警告、缺陷、严重缺陷；开始暂停按钮8可以设置敲击的开始与暂停。复位9表示进行下一次重新取样检测。帮助按钮15可以帮助用户获取该设备的详细信息，和一些使用说明。

实施例：

步骤一、将被检测材料置于实验台上

步骤二、打开开关3，启动设备；

步骤三、在触摸屏上设置参数，输入敲击速度11、采样平均12、工作模式13；

步骤四、调整敲击锤距被检测件表面距离，保证敲击锤与被检测件表面的距离在敲击行程距离之内

步骤五、在触摸屏上点击获取参考，将敲击检测仪放在被检测件无损位置上方，获得参考数值。

步骤六、开始检测，并观察结果。

Claims (2)

1.一种手持式敲击检测仪，包括敲击锤、驱动模块和微处理器控制单元，其特征在于，敲击锤包括电磁线圈、铁磁块、金属框、金属滑杆和弹簧以及敲击头；敲击头包括压电传感器7和锤头9；电磁线圈固定在金属框底端，弹簧固定在金属框顶端，铁磁块上接弹簧，下接金属滑杆，铁磁块能在金属框内上下运动，金属滑杆一端从固定于金属框下端的电磁线圈中间通过，并与铁磁块固定连接，金属滑杆另一端依次固定压电传感器及合成塑料锤头。压电传感器7采用多层压电晶片实现；微处理器产生的脉冲控制信号通过驱动模块加载在电磁线圈上，控制电磁线圈的通断来实现金属滑杆的往复运动，从而带动电磁块和敲击锤的动作；压电传感器的检测信号被送入微处理器进行信号处理分析，以检测其是否存在缺陷和脱粘情况。

2.采用权利要求1所述的检测仪实现的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先对一块蜂窝复合材料标准试件进行采样，采集无缺陷处的电压波形；

(2)压电传感器输出的信号经过运放隔离放大，差分信号变换成单端信号；

(3)取得一段有效的敲击反馈数字信号；

(4)将数字信号进行数字滤波处理，获得一段质量好的光滑信号；光滑信号的波宽W表示复合材料的脱粘程度；

(5)重复(1)至(4)多次，取其平均值W0作为标准试件的脱粘程度；

(6)对待测试件进行检测，重复步骤(1)至(4)，得出待测试件的信号波宽W1,将W1与W0相比较，差值越大表示脱粘程度越厉害，越小表示质量越好。