掌上型声振检测仪的研制

　　1　引言

　　随着先进材料技术在制造工业中的广泛应用,无损检测已成为提高工业水平,实现质量控制,保证结构安全使用必不可少的重要手段。对金属材料和非金属材料进行无损检测的技术已日渐成熟,如超声、射线、涡流、激光全息干涉、热像技术、声全息、声发射、纤维光学、应力波技术等,但这些方法所用的仪器相对较昂贵,操作也较复杂,对零、部件、结构件是否具备现场检测条件有一定的限制[1]。

　　近年来,一种采用振动无损检测方法——声振法原理[2]设计的新型仪器开始在美国、日本等先进工业国兴起,主要应用于各种大、中、小型结构件的快速无损检测。基于该方法制作的设备相对简单,操作方便,且不易受周围环境的影响,适用于现场检测;但是,目前此类仪器设备普遍采用嵌入式工业计算机,体积较大、进口价格昂贵,国内鲜有应用。在许多检测场合,小型仪器方便携带和操作,特别在一些特种行业内,掌上型声振检测仪具有独特的优势,非常符合国内的检测需求。

　　2　声振检测基本原理和方法

　　早期铁路工人利用小锤敲击铁轨、机车车体来检测机车结构是否存在损伤,该方法考虑的是敲击在整体结构上的一个点所产生的整体响应,通过观察固有频率和阻尼的变化而导致的“回声”的变化,来判断结构是否异常。这种方法即是声振检测技术的雏形。

　　声振检测技术的基本原理是通过外加激励使被检物发生振动,测量被检物的振动特性,分析其振动状态,例如振幅(振动的强弱)、频率(振动的快慢)、损耗(振动持续时间)、振动形式(单频或多频振动、谐振)以及与物体振动方式有关的力阻抗等。这些参量与被检物的结构、性能直接或间接相关,因而可以用于结构与材料的缺陷检测。

　　当一个结构被敲击时,在振动主结构模态的频率上产生的声音是比较主要的,这些模态取决于激励位置的结构特性。因此,如果一个相同的敲击作用在一有损伤结构和一无损伤结构上,得到总体响应不同,据此可判断有无损伤。但如果一个相同的敲击作用在同一结构的有损伤区和无损伤区上,产生的总体响应是相近的,只有敲击力变化才能引起敲击在结构有损伤区和无损伤区产生的总体响应的变化。这就是铁路工人敲击机车和铁轨只能检测结构有无损伤,却不能确定损伤位置的原因。现在采用多传感器检测及计算机后处理,多数情况下可以进行损伤定位。

　　声振检测法主要包括下述三种方法:

　　1)敲击法(声冲击法)

　　使用硬币、木棒、尼龙棒或专用的带弹性手柄的木槌等,轻轻叩击待测物件,在物件上有缺陷与无缺陷区域的回声将因自然频率不同而有差异,从而可以辨别缺陷的存在。这种方法类似于日常生活中用敲击法挑选瓷器等。