yy.vip易游-基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置pdf

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　　本发明提出一种基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，用于实现对试样不同角度入射的太赫兹应力原位无损检测；包括太赫兹模块、信号处理系统、装置旋转模块、试样夹具和直线位移模块；所述太赫兹模块由太赫兹发射器和太赫兹接收器组成，分别位于检测装置的前后两端，用于发射太赫兹波和接收太赫兹波；所述信号处理系统用于处理应力施加过程中采集到的太赫兹信号；所述装置旋转模块用于配合试样夹具固定试样和调整试样的旋转角度；所述直线位移模块用于使夹具随着直线伺服位移电机运动时候沿着同一个方向移动而不产生偏移，确保试样位移时

　　(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 117091945 A (43)申请公布日 2023.11.21 (21)申请号 7.2 (22)申请日 2023.10.08 (71)申请人 福州大学 地址 350108 福建省福州市闽侯县福州大 学城乌龙江北大道2号福州大学 (72)发明人 黄异林辉圣钟舜聪王冰 张震丁思民 (74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100 专利代理师 丘鸿超蔡学俊 (51)Int.Cl. G01N 3/06 (2006.01) G01N 3/08 (2006.01) G01N 3/38 (2006.01) G01L 1/24 (2006.01) 权利要求书2页 说明书5页 附图9页 (54)发明名称 基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置 (57)摘要 本发明提出一种基于太赫兹光谱的应力原 位无损检测装置，用于实现对试样不同角度入射 的太赫兹应力原位无损检测；包括太赫兹模块、 信号处理系统、装置旋转模块、试样夹具和直线 位移模块；所述太赫兹模块由太赫兹发射器和太 赫兹接收器组成，分别位于检测装置的前后两 端，用于发射太赫兹波和接收太赫兹波；所述信 号处理系统用于处理应力施加过程中采集到的 太赫兹信号；所述装置旋转模块用于配合试样夹 具固定试样和调整试样的旋转角度；所述直线位 移模块用于使夹具随着直线伺服位移电机运动 时候沿着同一个方向移动而不产生偏移，确保试 A 样位移时候的水平度；所述试样夹具由两组夹具 5 组成，分别为：固定试样夹具和活动试样夹具。 4 9 1 9 0 7 1 1 N C CN 117091945 A 权利要求书 1/2页 1.一种基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： 用于实现对试样不同角度入射的太赫兹应力原位无损检测； 包括太赫兹模块、信号处理系统、装置旋转模块、试样夹具和直线位移模块； 所述太赫兹模块由太赫兹发射器和太赫兹接收器组成，分别位于检测装置的前后两 端，用于发射太赫兹波和接收太赫兹波；所述信号处理系统用于处理应力施加过程中采集 到的太赫兹信号； 所述装置旋转模块用于配合试样夹具固定试样和调整试样的旋转角度； 所述直线位移模块用于使夹具随着直线伺服位移电机运动时候沿着同一个方向移动 而不产生偏移，确保试样位移时候的水平度； 所述试样夹具由两组夹具组成，分别为：固定试样夹具和活动试样夹具。 2.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： 所述装置旋转模块由旋转底座、固定底座、主体框架和固定块组成，旋转底座作为最底 部支撑，固定底座固定在旋转底座上，主体框架与固定块相连接，设置于固定底座的卡槽 内； 所述直线位移模块由直线位移导轨、直线伺服位移电机和力传感器组成；直线位移导 轨共有两组四根，位于固定于主体框架内侧；直线伺服位移电机共两组，位于活动试样夹具 上下两侧；固定试样夹具连接直线位移导轨滑块和力传感器，活动试样夹具连接直线位移 导轨滑块和直线所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于：所述 直线伺服位移电机末端与结构长度匹配的螺栓的连接进而带动活动试样夹具水平方向的 位移，通过直线位移导轨保证水平位移的精度；力传感器连接固定试样夹具和主体框架，力 传感器通过数据传输线与上位机相连接，直线伺服位移电机通过数据传输线与运控控制卡 相连；直线伺服位移电机通过运动控制卡实现对试样的拉伸测试，压缩测试和疲劳测试。 4.根据权利要求2所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于：所述 装置旋转模块以竖直方向为轴，产生正负45度角度内的旋转位移，实现不同角度入射的太 赫兹检测。 5.根据权利要求2所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于：所述 固定底座安装在旋转底座上；主体框架与固定块通过螺栓固定，形成一个十字形结构，与固 定底座顶部的十字凹槽相对应。 6.根据权利要求2所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： 所述固定试样夹具由固定试样夹具主体与上夹板组成；固定试样夹具主体的两侧分别 设有4个通孔，与两组导轨滑块分别通过螺栓固定，固定试样夹具主体中间部分设有通孔， 通过螺栓与力传感器的其中一端相固定； 所述活动试样夹具由活动试样夹具主体与上夹板组成；活动试样夹具主体的两侧分别 设有4个通孔，与两组滑块分别通过螺栓固定，活动试样夹具顶部设有通孔，用于设置结构 长度匹配的螺栓与直线伺服位移电机相固定。 7.根据权利要求6所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于：所述 上夹板通过螺栓与试样夹具主体的内部底表面相连接，上夹板表面与试样夹具主体底部表 面均有相配合的锯齿纹与滚花。 2 2 CN 117091945 A 权利要求书 2/2页 8.根据权利要求2所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于：所述 直线伺服位移电机共两组，通过螺栓固定在电机固定支架两侧上；电机固定支架分为内外 两层，外层置于主体框架内侧，内层置于主体框架外侧，通过螺栓将外层、主体框架、内层固 定在一起。 9.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： 对试样的原位应力检测原理如下： A1：各向同性试样在受到应力作用时，试样从各向同性转变为各向异性，以B 和B 两个 1 2 参数进行表征；折射率变化量与应力由下式所联系： Δn ＝‑B S ‑B (S+S) x 1 x 2 y z Δn ＝‑B S ‑B (S+S) y 1 y 2 x z Δn ＝‑B S ‑B (S+S) z 1 z 2 x y 式中，Δn 、Δn 、Δn 分别为材料沿x、y、z方向折射率变化量，S 、S 、S分别为材料沿着 x y z x y z x、y、z方向的应力； A2：通过信号处理系统所得到的折射率变化量包括应力变化部分和厚度变化部分，由 下式表示： 式中，c为真空中光速，d为试样厚度，Δδ为太赫兹信号相位差，f为太赫兹频率，n 为初 0 始折射率，μ为试样泊松比，E为试样弹性模量。 10.根据权利要求9所述的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： 进行应力原位无损检测的步骤如下： S1：将试样一端固定于活动试样夹具，另一端固定于固定试样夹具； S2：固定试样过程中同时调节试样高度，以对准并覆盖太赫兹光斑； S3：通过控制直线伺服位移电机运动使试样产生不同应变； S4：测量并记录试样受拉力； S5：在试样受力过程中采集太赫兹信号； S6：检测结束，控制直线伺服位移电机对试样卸载荷，并对所得一系列太赫兹信号进行 处理，提取太赫兹信号的相位，带入检测原理的公式中，计算的试样应力值。 3 3 CN 117091945 A 说明书 1/5页 基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置 技术领域 [0001] 本发明属于太赫兹、无损检测技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹光谱的应力原 位无损检测装置。 背景技术 [0002] 针对服役工件的实时应力检测对判断其的当前所处工作状态有着重要意义，检测 结果能够帮助我们更好的判断工件的强度和剩余寿命，避免事故发生。然而当前存在的检 测方法需要对工件进行全破坏或者半破坏处理，无法做到对工件无损非接触检测，更无法 做到实时检测。太赫兹光谱方法以光为载体，能够穿透几乎所有非金属工件并探测工件内 部信息，属于无损检测技术，是当前唯一能够进行高深度内部应力检测的光谱力学方法。 发明内容 [0003] 为了克服现有技术的缺陷和不足，并充分利用太赫兹的无损检测能力，本发明提 供了一种基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置。 [0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是： [0005] 一种基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，其特征在于： [0006] 用于实现对试样不同角度入射的太赫兹应力原位无损检测； [0007] 包括太赫兹模块、信号处理系统、装置旋转模块、试样夹具和直线] 所述太赫兹模块由太赫兹发射器和太赫兹接收器组成，分别位于检测装置的前后 两端，用于发射太赫兹波和接收太赫兹波；所述信号处理系统用于处理应力施加过程中采 集到的太赫兹信号； [0009] 所述装置旋转模块用于配合试样夹具固定试样和调整试样的旋转角度； [0010] 所述直线位移模块用于使夹具随着直线伺服位移电机运动时候沿着同一个方向 移动而不产生偏移，确保试样位移时候的水平度； [0011] 所述试样夹具由两组夹具组成，分别为：固定试样夹具和活动试样夹具。 [0012] 进一步地，所述装置旋转模块由旋转底座、固定底座、主体框架和固定块组成，旋 转底座作为最底部支撑，固定底座固定在旋转底座上，主体框架与固定块相连接，设置于固 定底座的卡槽内； [0013] 所述直线位移模块由直线位移导轨、直线伺服位移电机和力传感器组成；直线位 移导轨共有两组四根，位于固定于主体框架内侧；直线伺服位移电机共两组，位于活动试样 夹具上下两侧；固定试样夹具连接直线位移导轨滑块和力传感器，活动试样夹具连接直线 位移导轨滑块和直线] 进一步地，所述直线伺服位移电机末端与结构长度匹配的螺栓的连接进而带动活 动试样夹具水平方向的位移，通过直线位移导轨保证水平位移的精度；力传感器连接固定 试样夹具和主体框架，力传感器通过数据传输线与上位机相连接，直线伺服位移电机通过 数据传输线与运控控制卡相连；直线伺服位移电机通过运动控制卡实现对试样的拉伸测 4 4 CN 117091945 A 说明书 2/5页 试，压缩测试和疲劳测试。 [0015] 进一步地，所述装置旋转模块以竖直方向为轴，产生正负45度角度内的旋转位移， 实现不同角度入射的太赫兹检测。 [0016] 进一步地，所述固定底座安装在旋转底座上；主体框架与固定块通过螺栓固定，形 成一个十字形结构，与固定底座顶部的十字凹槽相对应。 [0017] 进一步地，所述固定试样夹具由固定试样夹具主体与上夹板组成；固定试样夹具 主体的两侧分别设有4个通孔，与两组导轨滑块分别通过螺栓固定，固定试样夹具主体中间 部分设有通孔，通过螺栓与力传感器的其中一端相固定； [0018] 所述活动试样夹具由活动试样夹具主体与上夹板组成；活动试样夹具主体的两侧 分别设有4个通孔，与两组滑块分别通过螺栓固定，活动试样夹具顶部设有通孔，用于设置 结构长度匹配的螺栓与直线伺服位移电机相固定。 [0019] 进一步地，所述上夹板通过螺栓与试样夹具主体的内部底表面相连接，上夹板表 面与试样夹具主体底部表面均有相配合的锯齿纹与滚花。 [0020] 进一步地，所述直线伺服位移电机共两组，通过螺栓固定在电机固定支架两侧上； 电机固定支架分为内外两层，外层置于主体框架内侧，内层置于主体框架外侧，通过螺栓将 外层、主体框架、内层固定在一起。 [0021] 进一步地，对试样的原位应力检测原理如下： [0022] A1：各向同性试样在受到应力作用时，试样从各向同性转变为各向异性，以B 和B 1 2 两个参数进行表征；折射率变化量与应力由下式所联系： [0023] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) x 1 x 2 y z [0024] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) y 1 y 2 x z [0025] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) z 1 z 2 x y [0026] 式中，Δn 、Δn 、Δn 分别为材料沿x、y、z方向折射率变化量，S 、S 、S分别为材料 x y z x y z 沿着x、y、z方向的应力； [0027] A2：通过信号处理系统所得到的折射率变化量包括应力变化部分和厚度变化部 分，由下式表示： [0028] [0029] [0030] [0031] 式中，c为真空中光速，d为试样厚度，Δδ为太赫兹信号相位差，f为太赫兹频率，n0 为初始折射率，μ为试样泊松比，E为试样弹性模量。 [0032] 进一步地，进行应力原位无损检测的步骤如下： [0033] S1：将试样一端固定于活动试样夹具，另一端固定于固定试样夹具； [0034] S2：固定试样过程中同时调节试样高度，以对准并覆盖太赫兹光斑； [0035] S3：通过控制直线伺服位移电机运动使试样产生不同应变； [0036] S4：测量并记录试样受拉力； 5 5 CN 117091945 A 说明书 3/5页 [0037] S5：在试样受力过程中采集太赫兹信号； [0038] S6：检测结束，控制直线伺服位移电机对试样卸载荷，并对所得一系列太赫兹信号 进行处理，提取太赫兹信号的相位，带入检测原理的公式中，计算的试样应力值。 [0039] 与现有技术相比，本发明及其优选方案可以在不破坏试样，不接触试样的条件下， 通过太赫兹辐射，实现对试样的无损的测试；可以在试样处于工作时对其内部应力进行实 时且高深度检测。从根本上提高测试的简易性，实时性。本装置具有能实现多种工况如拉 伸、压缩和疲劳的测试，力值可调控、安装方便的特点。 附图说明 [0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明： [0041] 图1为本发明实施例装置总体结构示意图； [0042] 图2为本发明实施例装置不包含太赫兹发射器和太赫兹接收器的正视图； [0043] 图3为本发明实施例装置的右视图； [0044] 图4为本发明实施例装置的俯视图； [0045] 图5为本发明实施例固定底座的示意图； [0046] 图6为本发明实施例固定块的示意图； [0047] 图7为本发明实施例主体框架的示意图； [0048] 图8为本发明实施例电机固定支架外层的示意图； [0049] 图9为本发明实施例电机固定支架内层的示意图； [0050] 图10为本发明实施例上夹板的示意图； [0051] 图11为本发明实施例活动试样夹具的示意图； [0052] 图12为本发明实施例固定试样夹具的示意图； [0053] 图13为本发明实施例装置的原理图； [0054] 图中： [0055] 1‑主体框架；2‑力传感器；3‑直线‑直线‑ 电机固定支架外层；13‑电机固定支架内层；14‑太赫兹接收器；15‑螺栓；16‑太赫兹发射器； 17‑信号处理系统。 具体实施方式 [0056] 为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下： [0057] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另 有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员 通常理解的相同含义。 [0058] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式 也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包 括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0059] 如图1‑图13所示，本发明实施例提供一种基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装 6 6 CN 117091945 A 说明书 4/5页 置，包括太赫兹模块、信号处理系统、装置旋转模块、试样夹具、直线] 太赫兹模块由太赫兹发射器14和太赫兹接收器16组成，分别位于检测装置的前后 两端，用于发射太赫兹波和接收太赫兹波；信号处理系统17用于处理应力施加过程中采集 到的太赫兹信号； [0061] 装置旋转模块由旋转底座11、固定底座10、主体框架1和固定块9组成，旋转底座作 为最底部支撑，固定底座固定在旋转底座上，主体框架与固定块相连接，设置于固定底座的 卡槽内； [0062] 试样夹具由两组夹具组成。左边部分为固定试样夹具4，右边部分为活动试样夹具 6； [0063] 直线位移模块由直线组成。直线位移 导轨共有两组四根，位于固定于主体框架内侧。直线伺服位移电机共两组，位于活动试样夹 具上下两侧。固定试样夹具连接直线和力传感器，活动试样夹具连接直线位 移导轨滑块和直线伺服位移电机。采用直线位移导轨是为了使夹具随着直线伺服位移电机 运动时候能够沿着同一个方向移动而不产生偏移，确保试样位移时候的水平度。 [0064] 在本实施例中，固定底座通孔101通过螺栓安装在旋转底座上；主体框架通孔12与 固定块通孔91通过螺栓固定，形成一个十字形结构，与固定底座顶部的十字凹槽102相对 应，从而限制主体框架在水平方向的移动，主体框架与主体框架固定块可快速便捷地设置 固定或取出。 [0065] 在本实施例中，固定试样夹具由固定试样夹具主体与上夹板5组成。固定试样夹具 主体的两侧分别设有4个通孔42，与两组导轨滑块分别通过螺栓固定，固定试样夹具主体中 间部分设有通孔43，通过螺栓与力传感器的其中一端相固定。 [0066] 在本实施例中，活动试样夹具由活动试样夹具主体与上夹板组成。活动试样夹具 主体的两侧分别设有4个通孔62，与两组滑块分别通过螺栓固定，活动试样夹具顶部设有通 孔63，用于设置结构长度匹配的螺栓15与直线伺服位移电机相固定。 [0067] 在本实施例中，上夹板通孔51通过螺栓与试样夹具主体的内部底通孔41(或61)相 连接，上夹板表面与试样夹具主体底部表面均有相配合的锯齿纹与滚花。锯齿纹是指等距 间隔的凹槽，且夹具主体底部的凹槽对应上夹板表面的凸棱；滚花是指规则花纹。两者用于 增大摩擦防止滑动。 [0068] 在本实施例中，直线伺服位移电机共两组，通过螺栓固定在电机固定支架两侧上。 电机固定支架分为内外两层，电机固定支架外层12置于主体框架内侧，电机固定支架内层 13置于主体框架外侧，外层嵌套着内层，将主体框架夹在中间，通过螺栓将外层、主体框架 内层固定在一起。此时外层通孔121与内层通孔131相对齐。旋转底座作为高精度模块不宜 使其承受较大的力，因此将直线伺服位移电机通过螺栓固定于电机支架外层的通孔121和 电机支架内侧131上，直线伺服位移电机支架再与主体框架相连，由此所有力均为主体框架 的内力，进而降低可变角度模块的所承受的力。 [0069] 在本实施例中，直线伺服位移电机末端与结构长度匹配的螺栓的连接进而带动活 动试样夹具水平方向的位移，直线位移导轨保证水平位移的精度。力传感器连接固定试样 夹具和主体框架，力传感器通过数据传输线与上位机相连接，直线伺服位移电机通过数据 传输线与运控控制卡相连。直线伺服位移电机可通过运动控制卡实现对试样的拉伸测试， 7 7 CN 117091945 A 说明书 5/5页 压缩测试和疲劳测试。 [0070] 在本实施例中，可变角度模块能够以竖直方向为轴，产生正负45度角度内的旋转 位移，可实现不同角度入射的太赫兹检测。 [0071] 作为优选，基于以上装置的设计，信号后处理系统对试样的原位应力检测原理如 下： [0072] A1：各向同性试样在受到应力作用时，试样会从各向同性转变为各向异性，本模型 涉及两个独立的参数：B 和B 。折射率变化量与应力可由下式所联系： 1 2 [0073] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) x 1 x 2 y z [0074] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) y 1 y 2 x z [0075] Δn ＝‑B S ‑B (S+S) z 1 z 2 x y [0076] 式中，Δn 、Δn 、Δn 分别为材料沿x、y、z方向折射率变化量，S 、S 、S分别为材料 x y z x y z 沿着x、y、z方向的应力。 [0077] A2：通过信号处理系统所得到的折射率变化量包括应力变化部分和厚度变化部 分，可由下式表示： [0078] [0079] [0080] [0081] 式中，c为真空中光速，d为试样厚度，Δδ为太赫兹信号相位差，f为太赫兹频率，n0 为初始折射率，μ为试样泊松比，E为试样弹性模量。 [0082] 因此，进行应力原位无损检测的步骤如下： [0083] S1：将固定底座固定在旋转底座上，把装置设置于固定底座上，试样一端固定于活 动试样夹具，另一端固定于固定试样夹具，分别由两块上夹板通过螺栓旋紧固定； [0084] S2：固定试样过程中同时调节试样高度，使其能够覆盖太赫兹光斑； [0085] S3：启动运动控制卡，通过控制直线伺服位移电机运动使试样产生不同应变； [0086] S4：启动上位机，测量并记录试样受拉力； [0087] S5：启动太赫兹模块，在试样受力过程中采集太赫兹信号。 [0088] S6：检测结束，控制直线伺服位移电机对试样卸载荷，随后对所得一系列太赫兹信 号进行处理，提取太赫兹信号的相位，带入检测原理公式中，计算的试样应力值。 [0089] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任 何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等 效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。 [0090] 本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各 种形式的基于太赫兹光谱的应力原位无损检测装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等 变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。 8 8 CN 117091945 A 说明书附图 1/9页 图1 9 9 CN 117091945 A 说明书附图 2/9页 图2 10 10 CN 117091945 A 说明书附图 3/9页 图3 图4 11 11 CN 117091945 A 说明书附图 4/9页 图5 图6 12 12 CN 117091945 A 说明书附图 5/9页 图7 13 13 CN 117091945 A 说明书附图 6/9页 图8 图9 14 14 CN 117091945 A 说明书附图 7/9页 图10 图11 15 15 CN 117091945 A 说明书附图 8/9页 图12 16 16 CN 117091945 A 说明书附图 9/9页 图13 17 17

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