CN101694480A - 优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，用于测量金属材料力学性能退化。本装置包括基础固定平台、准直对中单元、接触应力控制单元和信号采集单元。基础固定平台为三层板结构。准直对中单元包括螺旋顶杆、圆柱形滑块和垫片，螺旋顶杆可以沿着顶层板的中心孔旋进旋出，圆柱形滑块与中层板的中心孔间隙配合，垫片设置在圆柱形滑块上表面的凹槽内。在准直对中单元和接触应力采集单元之间放置有信号采集单元设置，二者对信号采集单元施加作用力。本发明具有测量精度高，系统非线性影响小，干扰因素少，可重复性好，测量过程不受人员经验水平限制，测量过程和数据便于处理等优点。

Description

优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置

技术领域

本发明测量装置主要涉及一种具有优化性能的，用于离线测量金属材料力学性能退化的超声非线性特性的固定及检测测量装置。

背景技术

金属材料力学性能退化与超声波透过材料传播时的非线性效应密切相关，可由非线性系数表征。非线性系数与测量信号的基波和二次谐波的大小有关，其量值非常小，受基波和二次谐波变化影响较大，容易被系统非线性淹没，因此对测试系统要求高。测量过程中探头和试件的耦合效果以及接触应力等因素，都影响着探头对超声波的激励接收效果，是系统非线性的影响因素。决定着超声非线性测量的结果，及其试验的稳定性等因素。目前所进行的金属材料超声非线性系数的测量中，对能实现优化测量过程的金属材料力学性能退化的超声非线性特性的固定及检测装置鲜有介绍。因此研制一种高效的，可重复性好的固定及检测装置具有重要意义。

发明内容

本发明装置提供了一种超声非线性检测装置，该装置在金属材料非线性测量过程中具有测量精度高、效率高、可重复性好、劳动强度低、测量结果不受测量人员本身经验影响的特点，具有普遍适用性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括基础固定平台、准直对中单元、接触应力控制单元和信号采集单元。

所述的基础固定平台包括顶层板、中层板、底座支撑板和螺栓，顶层板、中层板和底座支撑板自上而下通过螺栓固定连接为一体，并且顶层板、中层板和底座支撑板均沿水平方向布置三者之间相互平行；

所述的准直对中单元包括螺旋顶杆、圆柱形滑块和设置在螺旋顶杆和圆柱形滑块之间的垫片。在顶层板的中心开有螺纹孔，螺旋顶杆穿过螺纹孔与顶层板螺纹连接。在中层板的中心开有通孔，圆柱形滑块穿过该通孔并与通孔间隙配合，圆柱形滑块的上端加工有一凸缘结构，凸缘结构的直径大于中层板上通孔的直径，保证圆柱形滑块可自然搭置于中层板上，圆柱形滑块可沿检测装置中轴线方向自由向上移动。在凸缘上开有一个槽，垫片设置在该槽内，螺旋顶杆、垫片和圆柱形滑块位于同一中心轴线上，螺旋顶杆旋动时，螺旋顶杆的下端能够压紧垫片。

所述的接触应力控制单元包括称重传感器和顶针装置，所述的称重传感器设置在底座支撑板上，所述的顶针装置包括放置在称重传感器上的顶针底座和固定在顶针底座上面的半球冠状的顶针。顶针装置顶部的半球冠设计，便于点接触接触应力施力。

所述的信号采集单元设置在准直对中单元和接触应力采集单元之间，包括套筒、激励探头、接收探头和试件，试件设置在套筒内，激励探头和接收探头设置在试件的两端，激励探头、试件和接收探头的总长度要大于套筒的长度，同时激励探头、试件及接收探头的整体高度还大于圆柱形滑块的下表面和顶针上表面之间的最小距离。

螺旋顶杆、垫片、圆柱形滑块、套筒、试件和顶针的中心处于同一轴线上。

螺旋顶杆采用一根双头螺柱，在双头螺柱的顶端沿水平方向加工有一通孔，螺钉水平穿过该通孔，并用两个螺母将螺钉固定，作为双头螺柱的旋转扶手，可便于控制双头螺柱的旋进旋出。也可以不使用旋转扶手或用旋转扶手和螺柱加工成一体的螺纹杆替代。

所述的试件、激励探头和接收探头三者之间的接触面均涂有耦合剂。

顶层板、中层板和底座支撑板组成XY水平方向三层板平行结构基础固定平台，该平台既是整台超声非线性优化测量装置的基础平台，又是XY水平方向和竖直方向Z的固定基准。三层板材均为尺寸相同的长方形或三角形平板，通过四角上的四个或三个竖直平行布置的六角形紧固螺栓8固定，保证三层板结构相对位置的稳固和沿XY方向的标准平行，去除了系统平行度等外加影响因素。在Z方向即竖直方向上，螺旋顶杆、垫片、圆柱形滑块、套筒、激励探头、试件、接收探头和顶针装置中的顶针位于同一中心轴线上，可确保测量过程中被测部分不会沿X、Y方向作微小偏移，从而保证测量试件测量过程中始终在竖直方向的中心准直，去除了系统垂直度等外加影响因素。

旋转螺旋顶杆时，螺旋顶杆和垫片结合，通过垫片和圆柱形滑块联结为整体，确保接触应力施力的稳定。螺旋顶杆沿Z轴方向的转动进给量转变为圆柱形滑块沿Z轴方向的直线进给量，通过垫片部分则可排除螺旋顶杆拧动过程中的迟滞效应影响。这样就能在很大程度上控制探头和夹持界面间的接触应力作用，使之保持恒定，从而避免在实验过程中引入额外的非线性参数变化量，确保试验结果的准确性。

接触应力控制单元主要特征在于套筒、顶针装置和称重传感器的使用。接触应力控制单元采用点-面接触施力方式。夹持时将套筒整体置于应变式称重传感器上的顶针装置之上，手动微调至套筒平稳，同时旋动螺旋顶杆压紧套筒，则可确保几何准直对中及接触应力施力作用的完成。施力单元上部为圆柱形滑块面和套筒的面接触施力，下部为套筒和顶针装置的点接触施力。在此点-面接触装置中，面接触应力有利于施加和控制整体接触应力，点接触有利于中心接触点的选择控制，保证测量装置的可重复性和中心准直。接触应力的大小通过应变式称重传感器输出电压的大小表征，通过旋转螺旋顶杆调整施力装置对被测部分的压紧程度来控制接触应力，达到测量过程中接触应力恒定的目的。

套筒所固定的纵波激励探头、圆柱形试件及纵波接收探头均可拆卸，安装组合方便可调整。这样的组合安装加工制造容易、调整间隙方便、刚度好、有一定抗倾覆能力。受试件表面加工精度的影响，在探头与试件的接触面上，不能保证两者是完全贴合的。不完全贴合导致超声导波的衰减大，接收到的信号微弱，有用信号可能被杂波信号所掩盖，影响试验测量结果。因此试验过程中，激励探头、试件、接收探头的接触方式为耦合剂耦合。本发明中套筒的使用，使激励探头、试件、接收探头三者在XY平面上固定，保证其无XY方向的偏移。在Z方向上由螺旋顶杆和顶针装置固定压紧，保证接触面的紧密贴合且所有部件位于同一轴线上，保证接触应力不变。根据试验的测量要求，套筒可以将激励探头、试件和接收探头必须能够相对稳定的固定在夹持装置上，否则在换耦合过程中，探头和试件相对位置会由于摩擦力作用而发生改变，从而不同程度的影响超声波激励和接收效率，引入非线性测量系统的随机误差，得出的结果将不具备可比性。套筒的使用可保证被测部分沿中心轴线对中准直，很好的解决了这些问题。

采用了以上结构，本发明可以方便、精确、快速的测量金属材料试件的基波及二次谐波等参数，从而确定非线性系数。

附图说明

图1(a)为具有优化性能的固定及检测装置主视图

图1(b)为具有优化性能的固定及检测装置左视图

图1(c)为具有优化性能的固定及检测装置俯视图

图2为螺旋顶杆视图

图3(a)为垫片主视图

图3(b)为垫片俯视图

图4(a)为圆柱形滑块主视图

图4(b)为圆柱形滑块俯视图

图5(a)为顶针装置视图主视图

图5(b)为顶针装置视图俯视图

图6(a)为应变式称重传感器和顶针装置主视图

图6(b)为应变式称重传感器和顶针装置左视图

图6(c)为应变式称重传感器和顶针装置俯视图

图7(a)为套筒视图主视图

图7(b)为套筒视图俯视图

图8为金属材料力学性能退化超声非线性测量装置信号处理单元信号采集原理图

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详述。

本实施例包括基础固定平台、准直对中单元、接触应力控制单元和信号采集单元，下面结合附图对各部分进行详细说明：

如图1(a)、1(b)所示，基础固定平台包括沿XY水平方向布置的三层板结构，具体包括顶层板2、中层板4和底座支撑板9、六角形紧固螺栓8等部件。底座支撑板9既是三层板工作台机构的一部分，又是整台优化测量超声非线性检测装置的基础底座。顶层板2、中层板4、底座支撑板9沿Z方向从上而下平行组装，通过六角形紧固螺栓8固支。四个六角形紧固螺栓8呈相互平行的竖直，安装于工作台的四角，其结构可保证系统平行度定位。顶层板2采用内螺纹设计，在顶层板2上用六角形螺栓21、螺母22和垫圈23进行螺纹联结，考虑到实际需要，四个六角形紧固螺栓8均采用一段螺纹联结。中层板4和底部支撑板9采用通孔设计，和六角形紧固螺栓8采用过盈配合。这样的配合联结形式加工简单、拆装方便。该基础固定平台具有XY方向及Z方向几何精度高；系统的静刚度好；试件和激励探头、接收探头接触时界面摩擦力影响可排除，干扰因素小，应变式称重传感器变形小；工作台的重复定位精度较高等特点。

准直对中单元的结构图图1(a)、图1(b)、图1(c)、图2、图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)、图6(c)、图7(a)、图7(b)所示，包括螺旋顶杆1、垫片3和圆柱形滑块5。螺旋顶杆1通过内螺纹旋合安装于三层板工作台的顶层板2上，位于顶层板2中轴线，可沿Z方向旋进旋出。圆柱形滑块5位于中层板4上，与中层板4中心通孔间隙配合。圆柱形滑块上边缘的凸缘结构位于中层板4上方，其直径远大于通孔直径，保证圆柱形滑块5可自然搭置于中层板上，可沿检测装置中轴线方向自由向上移动。在凸缘上开有一个槽，垫片3内嵌于该槽内。实验时旋转螺旋顶杆1，螺旋顶杆1的下端通过垫片3对圆柱形滑块5施加一向下的推力，以此将螺旋顶杆1沿Z方向的进给量转变为圆柱形滑块5的位移量。垫片3可以防止拧紧螺旋顶杆1时划伤和圆柱形滑块5的接触面，并使通过螺旋顶杆1施加的接触应力均匀分布到被测部分表面。

本实施例中螺旋顶杆的具体结构如图2所示，包括双头螺柱11、螺钉12和两个螺母13加工而成。在双头螺柱11顶端加工通孔，将螺钉12通过通孔，由两个螺母13固定螺钉12。通过通孔的螺钉结构可起到有效的旋转扶手的作用，即控制双头螺柱的旋进旋出。顶层板2中心加工内螺纹，将螺旋顶杆1与该内螺纹旋合。装配的步骤是：第一步确定双头螺柱11旋转扶手的扭矩长，将一个螺母13固定于螺钉12结构上；第二步将固定好一个螺钉的螺母结构通过双头螺柱11的通孔，并安装另一个螺母13，固定螺钉12结构。

垫片的结构如图3(a)、图3(b)所示，为一刚性传动垫片，内嵌于圆柱形滑块5中。

接触应力控制单元包括称重传感器7和顶针装置6，其具体结构如图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，包括应变式称重传感器7和顶针装置6。其中应变式称重传感器7为成品模块，固定在底座支撑板9上，起着测量被测试件所受接触应力的作用。应变式称重传感器7材料为铝合金，上面覆盖一层陶瓷，能起到绝缘作用。接线方式分为四个端，红黑是电源正负，绿白是输出正负。应变式称重传感器7为压电转换装置，其将变化的接触应力大小表征为不同的电压值输出。应变式称重传感器7为成品模块，量程40Kg。由直流稳压电源供电，连接万用表，由万用表的示值表征相对接触应力大小。

顶针装置6主要功能装置为顶针61部分，为了固定顶针61，顶针61同一符合应变式称重传感器7铝材部分大小的长方形顶针底座64是一体的，组成顶针61部分。顶针装置6的安装步骤是：第一步将顶针61部分在相应位置放好；第二步在顶针61两侧同一直线上左右对称的位置上分别放置垫片或螺母63，用六角形螺栓62旋紧，以此来固定顶针部分。

信号采集单元设置在准直对中单元和接触应力采集单元之间，其结构如图7(a)、图7(b)，包括套筒、激励探头、接收探头和试件。套筒两端为开槽结构，利于探头侧面探头线的放置，可保护探头线不受磨损。为了加工方便，径向一端开通槽，一端上下两边开槽。固定激励探头、试件和接收探头。装配的步骤是：第一步将耦合剂均匀涂抹在激励探头、试件和接收探头上，并将试件装入套筒；其中试件长度大于套筒中间部分长，可以保证探头和试件的充分接触，径向部分为间隙配合；第二步将激励探头、接收探头装好；激励探头、试件及接收探头的整体高度大于套筒的高，这样可以保证施加接触应力的两端对整体被测部分的充分接触，同时激励探头、试件及接收探头的整体高度还大于准直对中单元中的圆柱形滑块5的下表面和接触应力采集单元中的顶针61的上表面之间的最小距离。本实施例中试件为圆柱形棒材。试件、激励探头、接收探头三者和套筒的径向配合均为间隙配合，调整套筒可以调整三者相对套筒的位置，保证三者准直对中；三者的轴向配合为过盈配合，这样可以达到有效接触应力施力的目的。

本实施例中选用的激励探头和接收探头为高频超声激励探头和高频超声接收探头，选择高频的超声激励接收探头，且接收探头的中心频率最好为激励探头中心频率的2倍大小，可有效接收到包含基波成分和二次谐波成分的信号，得到很好的畸变波形，有效表征金属材料的非线性测量结果。

激励接收探头夹持试件时存在接触界面问题，夹持力大小和方向的改变会引起接触界面非线性参数的变化，引入随机误差，从而影响系统非线性效应，影响实验结果。本实施例中用套筒来固定激励探头、试件和接收探头，可以防止激励探头、试件和接收探头接触面相对滑动和竖直运动，限制了三者间的相对移动，实现Z方向准直固定，保证了测量精度和准确性。套筒选用有机玻璃材料不仅有利于试验的观察操作，而且轻便，对应变式称重传感器7的压力小。

测试时，将激励探头、试件和接收探头放置在套筒内，在三者的接触面上涂有耦合剂，使三者之间紧密接触。然后推动圆柱形滑块5，使其向上运动，将套筒放置在圆柱形滑块5和顶针61之间，手动旋转螺旋顶杆1，螺旋顶杆相下运动，其下端压紧垫片3，垫片3推动圆柱形滑块5，圆柱形滑块5向下运动，使套筒压紧在圆柱形滑块5和顶针61之间，对试件施力。然后通过称重传感器得到此时施加的压力。在施加压力的同时，由外加函数发生器发出波形信号通过激励探头进行信号激励，信号经过试件的透射，由接收探头接收，再将接收探头接收到的接触应力信号转换为电信号，经过放大、滤波等信号处理，采集保存为文本方式的数字信号，激励探头产生的激励信号经过试件非线性透射由接收探头接收，采集到具有很好的非线性特性的时域信号，时域信号经傅立叶变换后，生成的幅频谱波形含基波和二次谐波成分。

应变式称重传感器7所测得的力大小由被测部分所受接触应力和套筒重量两部分组成，而套筒重量为一相对较小的定值，对实际接触应力大小的变化并无影响。在试验过程中对于套筒重量，可选择减去排除或作为实际接触应力的一部分两种方式进行处理。

采用上述结构的金属材料力学性能退化超声非线性测量装置对圆柱形金属试件进行超声非线性参量测量时具有测量精度高，系统非线性影响小，干扰因素少，可重复性好，测量过程不受人员经验水平限制，测量过程和数据便于处理。经反复使用验证，使用金属材料力学性能退化超声非线性测量装置，具有试验可靠性。

Claims (5)

1.优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，其特征在于：包括基础固定平台、准直对中单元、接触应力控制单元和信号采集单元；

所述的基础固定平台包括顶层板(2)、中层板(4)、底座支撑板(9)和螺栓(8)，顶层板(2)、中层板(4)和底座支撑板(9)自上而下通过螺栓(8)固定连接为一体，并且顶层板(2)、中层板(4)和底座支撑板(9)均沿水平方向布置三者之间相互平行；

所述的准直对中单元包括螺旋顶杆(1)、圆柱形滑块(5)和设置在螺旋顶杆(1)和圆柱形滑块(5)之间的垫片(3)；在顶层板(2)的中心开有螺纹孔，螺旋顶杆(1)穿过螺纹孔与顶层板(2)螺纹连接；在中层板(4)的中心开有通孔，圆柱形滑块(5)穿过该通孔并与通孔间隙配合，圆柱形滑块(5)的上端加工有一凸缘结构，凸缘结构的直径大于中层板(4)上通孔的直径，使圆柱形滑块(5)能够自由搭置在中层板上，在凸缘上开有一个槽，垫片(3)设置在该槽内，旋转螺旋顶杆(1)时，螺旋顶杆(1)的下端能够压紧垫片(3)；

所述的接触应力控制单元包括称重传感器(7)和顶针装置，所述的称重传感器设置在底座支撑板(9)上，所述的顶针装置包括放置在称重传感器(7)上的顶针底座和固定在顶针底座上面的半球冠状的顶针(61)；

所述的信号采集单元设置在准直对中单元和接触应力采集单元之间，包括套筒、激励探头、接收探头和试件，试件设置在套筒内，激励探头和接收探头设置在试件的两端，激励探头、试件和接收探头的总长度要大于套筒的长度，同时还要大于准直对中单元中的圆柱形滑块(5)的下表面和接触应力采集单元中的顶针(61)的上表面之间的最小距离；

螺旋顶杆(1)、垫片(3)、圆柱形滑块(5)、套筒、试件和顶针(61)的中心处于同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，其特征在于：所述的螺栓(8)为三根或四根。

3.根据权利要求1所述的优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，其特征在于：所述的顶层板(2)、中层板(4)和底座支撑板(9)为三角形或长方形。

4.根据权利要求1所述的优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，其特征在于：所述的螺旋顶杆(1)的顶端沿水平方向加工有一通孔，螺钉(12)穿过该通孔，并用两个螺母(13)将螺钉固定。

5.根据权利要求1所述的优化测量金属材料力学性能退化超声非线性检测装置，其特征在于：所述的试件、激励探头和接收探头三者之间的接触面均涂有耦合剂。

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