本申请涉及金属材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法。
背景技术：
众所周知，材料的疲劳性能是决定材料能否服役的关键指标。当循环载荷周次在107至1010范围内时，试件发生疲劳破坏的现象，称为超高周疲劳。
随着工业技术的发展，飞行器、汽车和高速列车等要求某些部件的疲劳寿命达到108周次以上，甚至到1010周次。美国空军“发动机结构完整性大纲ensip(enginestructuralintegrityprogram)”已经增加了条例，规定“发动机部件的高周疲劳寿命最低应该达到109周次”。而且早在上世纪80年代日本学者就发现金属材料在107周次之后仍然可能发生疲劳破环，因此，超高周疲劳性能直接影响航空航天器、汽车、海洋平台以及轨道交通等重大工程装备长期服役的安全性和可靠性。超高周次范围疲劳行为的研究越来越受到关注，超高周疲劳研究已经成为工程材料研究领域一个新的热点问题，近几十年来在世界各地得到广泛开展。
超声波疲劳技术作为一种重要的实验技术，其利用高能量的20khz的超声波振动引起试样共振，在试样中建立交变应力场，长期以来一直用于研究材料的疲劳行为。超声疲劳节省了大量的试验时间和成本，成为重要的疲劳测试手段之一。与传统的伺服液压、电磁共振和旋转弯曲测试技术相比，金属材料在超高频范围(例如20khz以上频率段)进行疲劳测试往往会获得完全不同的疲劳强度及失效机理。
然而，超高周疲劳的典型特征是内部破坏，疲劳裂纹常起源于试件内部缺陷处，从而使得疲劳损伤的检测成为难点，传统应变片等方法无法使用。
因此，有必要提供一种新的超高周疲劳损伤检测系统及方法，以克服现有技术存在的缺陷。
技术实现要素：
本申请实施例提供的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法，用于解决传统应变片无法检测试样的内部发生疲劳损伤的问题。
为达到上述目的，一方面，本申请提供了一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，包括超高周疲劳试验机，所述超高周疲劳试验机包括控制系统、壳体、以及安装在所述壳体内的加载系统，所述加载系统上安装有试样，所述控制系统控制所述加载系统对所述试样进行疲劳测试，非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统还包括非线性激光超声系统，包括激光发射器、激光超声接收器、数据处理模块，所述激光发射器和所述激光超声接收器均与所述数据处理模块电连接，所述激光发射器发射激光脉冲至所述试样，以在所述试样中激发超声波，所述激光超声接收器中的采集模块用于采集超声波信号并将其转化为电信号，所述数据处理模块能够将所述电信号转化成频率信息波形图或振幅信息波形图。
在本申请的一些实施例中，所述加载系统包括同轴设置的超声波产生器、超声波转换器和位移放大器，所述位移放大器和所述试样的上端固定连接。
在本申请的一些实施例中，所述位移放大器上设有螺纹部，所述试样的上端设有螺纹段，所述螺纹段和所述螺纹部之间螺纹连接。
在本申请的一些实施例中，还包括冷却系统，所述冷却系统用于给所述试样降温。
在本申请的一些实施例中，所述冷却系统包括空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接有储气罐，所述储气罐的排气口连接有空气干燥器，所述空气干燥器的排气口连接有冷却喷嘴，所述冷却喷嘴安装在所述壳体上、并与所述试样相对设置。
在本申请的一些实施例中，所述激光发射器与所述试样的上端对应设置，所述激光超声接收器与所述试样的下端对应设置。
另一方面，本申请还提供了一种应用于上述基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的检测方法，包括以下步骤：s1：制作试样，将上述试样与位移放大器连接，超高周疲劳试验机的试验频率为20khz±500hz；s2：将激光发射器与所述试样的上端相对设置，激光超声接收器与所述试样的下端相对设置；s3：将所述激光发射器、所述激光超声接收器均与数据处理模块电连接；s4：连接冷却系统和所述超声疲劳试验机；s5：控制所述疲劳试验机、所述冷却系统、所述非线性激光超声系统均打开，所述数据处理模块获取所述激光超声接收器采集到的超声波信息，并对所述超声波信息进行处理得到相应的频率信息波形图或振幅信息波形图。
本申请中的超高周疲劳试验机通过所述控制系统控制所述加载系统对所述试样进行疲劳测试。随后，非线性激光超声系统中的激光发射器发射激光脉冲至试样，以在试样中激发超声波，激光超声接收器接收到超声波信号时会将其转化为电信号，数据处理模块能够获取到激光超声接收器中的电信号，并将其转化成频率信息波形图或振幅信息波形图，本领域技术人员可以通过频率信息波形图或振幅信息波形图对其进行相应的分析，以了解试样的超高周疲劳损伤情况。
再者，由于非线性激光超声系统具有非接触、灵敏度高、宽频等特点，适用于动态形变在线测量，便于高频振动信号的实时采集与处理；对结构的力学性能影响小，与结构有良好的兼容性；同时具有极强的抗干扰能力，对湿度、温度和化学物质表现出很高的稳定性。
由此，相较于现有技术，本发明通过非线性激光超声系统的高灵敏度，把微米级别的振动转变成电信号，并通过采集模块和数据处理模块将超声波信号转变为频率信息波形图或振幅信息波形图，并对其进行频域分析，基于分析结果进行疲劳损伤状态表征，基于非线性超声信号检测整个疲劳损伤过程，通过超声波信号了解到待测试样的内部疲劳损伤情况，进而解决了传统应变片无法检测待测试样内部的疲劳损伤的问题。
附图说明
图1为本申请中非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的结构示意图；
图2为本申请中试样的结构示意图；
图3为本申请中非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的检测方法流程图；
图4为本申请中的试样加载周次n＝0时的原始时域信号图；
图5为本申请中的试样加载周次n＝1x107时的时域信号图。
本申请说明书附图中的主要附图标记说明如下：
100-超高周疲劳试验机；101-控制系统；102-壳体；103-加载系统；1031-超声波产生器；1032-超声波转换器；1033-位移放大器；104-冷却系统；1041-空气压缩机；1042-储气罐；1043-空气干燥器；200-非线性激光超声系统；201-激光发射器；202-激光超声接收器；203-数据处理模块；300-试样；301-螺纹段；400-机架。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参照图1和图2，本申请提供了一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，包括超高周疲劳试验机100，所述超高周疲劳试验机100包括控制系统101、壳体102、以及安装在所述壳体102内的加载系统103，所述加载系统103上安装有试样300，所述控制系统101控制所述加载系统103对所述试样300进行疲劳测试，非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统还包括非线性激光超声系统200，非线性激光超声系统200包括激光发射器201、激光超声接收器202、数据处理模块203，所述激光发射器201和所述激光超声接收器202均与所述数据处理模块203电连接，所述激光发射器201发射激光脉冲至所述试样300，以在所述试样300中激发超声波，所述激光超声接收器202中的采集模块用于采集超声波信号并将其转化为电信号，所述数据处理模块203能够将所述电信号转化成频率信息波形图或振幅信息波形图。
在本申请的一些实施例中，所述加载系统103包括同轴设置的超声波产生器1031、超声波转换器1032和位移放大器1033，所述位移放大器1033和所述试样300的上端固定连接，超声波转换器1032能够将超声波产生的电信号转化为机械振动，随后通过位移放大器1033放大该机械振动，并带动试样300振动以实现试样300的超高周疲劳损伤检测。
当然，所述加载系统103还可以包括同轴设置的超声波产生器1031、超声波转换器1032和变幅杆，所述变幅杆和所述试样300的上端固定连接。
在本申请的一些实施例中，所述位移放大器1033上设有螺纹部，所述试样300的上端设有螺纹段301，所述螺纹段301和所述螺纹部之间螺纹连接，从而使得位置放大器和试样300之间固定连接更为简单方便。
或者，所述位移放大器1033上设有夹持部，所述试样300的上端设有夹持段，所述夹持部通过所述夹持段夹紧试样300，以实现试样300与位移放大器1033之间的固定连接。
在本申请的一些实施例中，还包括冷却系统104，所述冷却系统104用于给所述试样300降温，避免试样300在振动条件下发热，进而影响试样300的超高周疲劳损伤检测的检测精度。
在本申请的一些实施例中，所述冷却系统104包括空气压缩机1041，所述空气压缩机1041的排气口连接有储气罐1042，所述储气罐1042的排气口连接有空气干燥器1043，所述空气干燥器1043的排气口连接有冷却喷嘴，所述冷却喷嘴安装在所述壳体102上、并与所述试样300相对设置，使得试样300的冷却效果相对较好。
在本申请的一些实施例中，所述激光发射器201与所述试样300的上端对应设置，所述激光超声接收器202与所述试样300的下端对应设置，提高试样300的超高周疲劳损伤检测的检测精度。
当然，所述激光发射器201也可以与所述试样300的下端对应设置，同时，所述激光超声接收器202与所述试样300的上端对应设置，尽量使得激光发射器201和激光超声接收器202在竖直方向上的距离较大。
在本申请的一些实施例中，还包括试验机架400，所述壳体102安装在所述试验机架400上，使得壳体102的位置升高，便于实验人员进行操作。
需要指出的是：上述壳体102的至少一个侧壁上设有一开口，该开口处设有门体，激光发射器201和激光超声接收器202均与该开口相对设置，在试验时，打开门体，使得激光发射器201的激光脉冲直接发射至试样300上，进而激光超声接收器202内的采集模块采集试样300内部激发的超声波。
参照图3，本申请还提供了一种应用于上述基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的检测方法，包括以下步骤：s1：制作试样，将上述试样与位移放大器连接，超高周疲劳试验机的试验频率为20khz±500hz；s2：将激光发射器与所述试样的上端相对设置，激光超声接收器与所述试样的下端相对设置；s3：将所述激光发射器、所述激光超声接收器均与数据处理模块电连接；s4：连接冷却系统和所述超声疲劳试验机；s5：控制所述疲劳试验机、所述冷却系统、所述非线性激光超声系统均打开，所述数据处理模块获取所述激光超声接收器采集到的超声波信息，并对所述超声波信息进行处理得到相应的频率信息波形图或振幅信息波形图。
其中，上述步骤s2、步骤s3以及步骤s4的顺序可以进行互换。
此外，为了保证试验的准确性和安全性，本申请提供的一种应用于上述基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的检测方法，在步骤s4之后还包括：步骤s41：检查待测试样、非线性激光超声系统、冷却系统的安装是否准确无误；若待测试样、非线性激光超声系统、冷却系统的安装准确无误，则进入步骤s5；若待测试样、非线性激光超声系统、冷却系统的安装有误，则重新安装检查有误的部件或系统。
本申请中的超高周疲劳试验机通过所述控制系统控制所述加载系统对所述试样进行疲劳测试。随后，非线性激光超声系统中的激光发射器发射激光脉冲至试样，以在试样中激发超声波，激光超声接收器接收到超声波信号时会将其转化为电信号，数据处理模块能够获取到激光超声接收器中的电信号，并将其转化成频率信息波形图或振幅信息波形图，本领域技术人员可以通过频率信息波形图或振幅信息波形图对其进行相应的分析，以了解试样的超高周疲劳损伤情况。
再者，由于非线性激光超声系统200具有非接触、灵敏度高、宽频等特点，适用于动态形变在线测量，便于高频振动信号的实时采集与处理；对结构的力学性能影响小，与结构有良好的兼容性；同时具有极强的抗干扰能力，对湿度、温度和化学物质表现出很高的稳定性。
由此，相较于现有技术，本发明通过非线性激光超声系统200的高灵敏度，把微米级别的振动转变成电信号，并通过采集模块和数据处理模块203将超声波信号转变为频率信息波形图或振幅信息波形图，并对其进行频域分析，基于分析结果进行疲劳损伤状态表征，基于非线性超声信号检测整个疲劳损伤过程，通过超声波信号了解到待测试样300的内部疲劳损伤情况，进而解决了传统应变片无法检测待测试样300内部的疲劳损伤的问题。
本申请中的超高周疲劳试验机100采用市购型号usf-2000的超高周疲劳试验机，其端面振幅为±10μm～±50μm，包括控制系统101、壳体102、以及安装在所述壳体102内的加载系统103，测量频率为20khz±500hz，应力比为-1。本申请中的所述激光发射器201采用市购型号为dawa-200的激光发射器，本申请中的所述激光超声接收器202为tempo的激光超声接收器。超声疲劳试验机是通过超声波使试样300产生谐振来进行疲劳试验的，试样300与位移螺纹连接，激光发射器201、激光超声接收器202与试样300以非接触的形式测量，激光超声接收器202中的采集模块用于采集超声波，并通过数据线传输至数据处理模块203。
其中，数据处理模块203为计算机中的一个功能模块。
示例地，试样300的尺寸参数为l1＝40mm，l2＝9mm，d1＝10mm，d2＝3mm。启动超声疲劳试验机，超声疲劳试验机的应力幅值为80mpa，试样300开始振动，此时数据处理模块203会直接输出试样300振动时输出的相应电压值，得到相应的波形图，如图4和图5所示。
图4为加载周次n＝0时的原始时域信号，图5为加载周次n＝1x107时的时域信号，对波形图进行图形分析可以得到，加载周次n＝1x107时试样300振动时输出的相应电压值大于加载周次n＝0时试样300振动时输出的相应电压值，电压值的大小表示振幅的大小，由此可以知道振幅幅值增大，试样300的内部发生疲劳损伤现象。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
1.一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，包括超高周疲劳试验机，所述超高周疲劳试验机包括控制系统、壳体、以及安装在所述壳体内的加载系统，所述加载系统上安装有试样，所述控制系统控制所述加载系统对所述试样进行疲劳测试，其特征在于，还包括：
非线性激光超声系统，包括激光发射器、激光超声接收器、数据处理模块，所述激光发射器和所述激光超声接收器均与所述数据处理模块电连接，所述激光发射器发射激光脉冲至所述试样，以在所述试样中激发超声波，所述激光超声接收器中的采集模块用于采集超声波信号并将其转化为电信号，所述数据处理模块能够将所述电信号转化成频率信息波形图或振幅信息波形图。
2.根据权利要求1所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，其特征在于，所述加载系统包括同轴设置的超声波产生器、超声波转换器和位移放大器，所述位移放大器和所述试样的上端固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，其特征在于，所述位移放大器上设有螺纹部，所述试样的上端设有螺纹段，所述螺纹段和所述螺纹部之间螺纹连接。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统用于给所述试样降温。
5.根据权利要求4所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，其特征在于，所述冷却系统包括空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接有储气罐，所述储气罐的排气口连接有空气干燥器，所述空气干燥器的排气口连接有冷却喷嘴，所述冷却喷嘴安装在所述壳体上、并与所述试样相对设置。
6.根据权利要求1所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，其特征在于，所述激光发射器与所述试样的上端对应设置，所述激光超声接收器与所述试样的下端对应设置。
7.一种应用于上述权利要求2～5中任一项所述的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：制作试样，将上述试样与位移放大器连接，超高周疲劳试验机的试验频率为20khz±500hz；
s2：将激光发射器与所述试样的上端相对设置，激光超声接收器与所述试样的下端相对设置；
s3：将所述激光发射器、所述激光超声接收器均与数据处理模块电连接；
s4：连接冷却系统和所述超声疲劳试验机；
s5：控制所述疲劳试验机、所述冷却系统、所述非线性激光超声系统均打开，所述数据处理模块获取所述激光超声接收器采集到的超声波信息，并对所述超声波信息进行处理得到相应的频率信息波形图或振幅信息波形图。
技术总结