CN103822968A - 面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法，其首计算不同压强下每个扫描点的超声反射率；然后拟合求得初始压强-反射率关系；根据求得的初始压强-反射率关系，计算在不同压力下结合面所有扫描点压强，得到整个结合面的总的压力F：将F与利用压力传感器测量到的实际压力F₀计算标定系数；然后重新计算每个扫描点的压强值P_i得到修正后的压强值P_i’，计算不同压力下结合面中心压强分布平坦区域扫描点的压强P_i’的均值P_α，利用所得的P_α与该区域对应的反射率均值R₀重新拟合求得新的压强-反射率曲线。本发明采用迭代方式构建压强-反射率曲线，能够构建准确的压强-反射率关系，实现结合面接触压强的准确检测。

Description

面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，涉及一种压强-反射率曲线的构建，尤其是一种面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法。 

背景技术

机械系统中大量存在的结合面对系统性能有重要影响。随着高端装备制造、装配环节的日益精量化，实现对结合面接触压强分布的准确检测尤为迫切。而由于结合面的封闭性，给实验测量带来诸多困难。目前结合面接触压强分布的测量方法，主要有薄膜法和超声法。其中薄膜法是在结合面之间置入具有一定厚度的薄膜传感器，利用该传感器检测接触压强分布。但是薄膜法改变了工件的接触状况，进而会影响检测精度，且对于已经装配好的工件，薄膜法也不再适用。而超声检测能够实现对接触压强分布的直接无损检测。现有的超声检测方法，要首先制作与被测对象相同材料、表面形貌的试件，通过实验获取压强-反射率曲线，然后检测被测结合面的超声波反射率（即超声脉冲反射波与入射波的比值），将反射率带入上述曲线中即可得到结合面的压强分布。但是由于采用目前方法构建的压强-反射率曲线不够准确，导致超声法检测结果与理论模型计算结果差距较大，检测精度较低。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

这种面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法，包括以下步骤： 

1）利用聚焦超声探头扫描结合面，计算不同压强下每个扫描点的超声反射率；然后利用结合面中心压强分布平坦区域扫描点的反射率均值R₀及对应的压强P₀，拟合求得初始压强-反射率关系，如式(1)所示： 

P₀=f(R₀)    (1) 

2）根据式(1)求得的初始压强-反射率关系，计算在不同压力下结合面所有扫描点压强P_i，然后，将P_i带入下面式(2)，得到整个结合面的总的压力F： 

$F=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\×{\mathrm{\ΔA}}_i---\left(2\right)$

其中，ΔA_i为单个扫描点代表的面积，即整个结合面的面积除以扫描点数；F为计算得到的结合面受到的压力；将上述F与利用压力传感器测量到的实际压力F₀带入下面式（3）： 

$k=\frac{F}{F_0}---\left(3\right)$

其中，k为标定系数；每个扫描点的压强值P_i利用下面式(4)重新计算 

P_i'=kP_i    (4) 

其中，P_i’为每个扫描点修正后的压强值； 

3）计算不同压力下结合面中心压强分布平坦区域扫描点的压强P_i’的均值P_α，利用所得的P_α与该区域对应的反射率均值R₀重新拟合求得 新的压强-反射率曲线。 

进一步，以上步骤1）中，反射率均值R₀及对应的压强P₀的获取方法具体如下： 

（1）为检测螺栓结合面接触压强分布，按照与螺栓结合面相同的材料、表面粗糙度加工两个试件：上试件和下试件，将两试件安装到压力加载试验台上； 

（2）获得参考信号：在结合面试件未接触的时候，利用奥林巴斯V319型15MHz水浸式聚焦超声波探头对上试件进行扫描，利用5800超声波脉冲发射接收器发射并接受超声脉冲信号，利用泰克MSO4104示波器进行接收并保存到电脑上，得到结合面上各个扫描点上的超声回波信号，该组信号为参考信号； 

（3）保持上试件不动，让下试件与上试件接触，并施加不同的压力，其中压力的大小可以由压力传感器测得；按照第一次扫描的轨迹对结合面进行重新扫描，得到不同压力下结合面上各个扫描点的超声回波信号，该回波信号为结合面信号； 

（4）分别对参考信号与结合面信号进行傅里叶变换，并计算每个扫描点在不同压力下的反射率；结合面所有点的反射率组成反射率矩阵，得到反射率均值R₀； 

（5）计算根据压力计算结合面的平均压强，平均压强的80%即为中心区域压强，即反射率均值R₀对应的压强P₀。 

本发明具有以下有益效果： 

本发明的面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法采用迭代方式构建压强-反射率曲线，与现有的方法相比，本发明能够构建准确的压强-反射率关系，实现结合面接触压强的准确检测；使超声法检测结果与理论模型计算结果差距小，检测精度高。 

附图说明

图1是本发明结合面试件压力加载试验台； 

图2是结合面试件的反射率矩阵； 

图3是单钉螺栓结合面在15000N预紧力下结合面中心线上压强分布检测结果与理论计算结果的对比。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 

本发明面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法按照以下步骤实施： 

1）为检测螺栓结合面接触压强分布，按照与螺栓结合面相同的材料、表面粗糙度加工两个试件，将试件安装到压力加载试验台上，见图1，在图1中，1为超声探头，2为水，3为上试件，4为被测结合面，5为下试件，6为轴承，7为压力传感器，8为液压千斤顶。 

2）获得参考信号：在结合面试件未接触的时候，利用奥林巴斯V319型15MHz水浸式聚焦超声波探头对上试件（参见图1）进行扫描，利用5800超声波脉冲发射接收器发射并接受超声脉冲信号。利用泰克MSO4104示波器进行接收并保存到电脑上，得到结合面上各个扫描点上的超声回波信号，该组信号为参考信号。 

3）保持上试件不动，让下试件与上试件接触，并施加不同的压力，其中压力的大小可以由压力传感器测得。按照第一次扫描的轨迹对结合面进行重新扫描，得到不同压力下结合面上各个扫描点的超声回波信号，该回波信号为结合面信号。 

4）分别对参考信号与结合面信号进行傅里叶变换，并利用下面式子计算每个扫描点在不同压力下的反射率。 

$R=\frac{H_i}{H_o}$

其中，R为超声反射率幅值，H_i为结合面信号幅值，H_o为相同频率下参考信号幅值；结合面所有点的反射率组成反射率矩阵，参见图2。图2的反射率矩阵中，中间圆环区域压强分布均匀，因此计算该区域的平均反射率R₀。 

5）计算根据压力计算结合面的平均压强，平均压强的80%即为中心区域压强。利用中心区域压强值P₀及该区域反射率均值R₀，拟合求得初始压强-反射率关系，如式(1)所示： 

P₀=f（R₀）    （1） 

6）根据初始压强-反射率关系及整个结合面的反射率矩阵，计算得整个结合面的压力，如式(2)所示： 

$F=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\×{\mathrm{\ΔA}}_i---\left(2\right)$

其中，ΔA_i为单个扫描点代表的面积，即整个结合面的面积除以扫描点数。F为计算得到的结合面受到的压力。而此时整个面的实际压力F₀可以由压力传感器测得，利用下面式(3)计算不同压力下的标定系数： 

$k=\frac{F}{F_0}---\left(3\right)$

其中，k为标定系数。每个扫描点的压强值P_i利用下面式(4)重新计算 

P_i'=kP_i    （4） 

其中，P_i’为每个扫描点修正后的压强值。 

7）利用修正后每个扫描点的压强值P_i’重新计算中心平坦区域的平均压强值P_α，将所得的P_α与之前超声测量的中心区域反射率R₀重新拟合求得压强-反射率曲线。 

8）对单钉螺栓结合面施加15000N预紧力，并测量此时的螺栓结合面超声波反射率。利用所求的压强-反射率曲线计算结合面的压强分布。螺栓结合面中心线上压力分布检测值与理论计算结果的对比，结果参见图3。 

Claims (2)

1.一种面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用聚焦超声探头扫描结合面，计算不同压强下每个扫描点的超声反射率；然后利用结合面中心压强分布平坦区域扫描点的反射率均值R₀及对应的压强P₀，拟合求得初始压强-反射率关系，如式(1)所示：

P₀=f(R₀)  (1)

2）根据式(1)求得的初始压强-反射率关系，计算在不同压力下结合面所有扫描点压强P_i，然后，将P_i带入下面式(2)，得到整个结合面的总的压力F：

$F=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\×\mathrm{\Δ}{A}_i---\left(2\right)$

其中，ΔA_i为单个扫描点代表的面积，即整个结合面的面积除以扫描点数；F为计算得到的结合面受到的压力；将上述F与利用压力传感器测量到的实际压力F₀带入下面式(3)：

$k=\frac{F}{F_0}---\left(3\right)$

其中，k为标定系数；每个扫描点的压强值P_i利用下面式(4)重新计算

P_i'＝kP_i  (4)

其中，P_i’为每个扫描点修正后的压强值；

3）计算不同压力下结合面中心压强分布平坦区域扫描点的压强P_i’的均值P_α，利用所得的P_α与该区域对应的反射率均值R₀重新拟合求得新的压强-反射率曲线。

2.根据权利要求1所述的面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法，其特征在于，步骤1）中，反射率均值R₀及对应的压强P₀的获取方法具体如下：

（1）为检测螺栓结合面接触压强分布，按照与螺栓结合面相同的材料、表面粗糙度加工两个试件：上试件和下试件，将两试件安装到压力加载试验台上；

（2）获得参考信号：在结合面试件未接触的时候，利用奥林巴斯V319型15MHz水浸式聚焦超声波探头对上试件进行扫描，利用5800超声波脉冲发射接收器发射并接受超声脉冲信号，利用泰克MSO4104示波器进行接收并保存到电脑上，得到结合面上各个扫描点上的超声回波信号，该组信号为参考信号；

（3）保持上试件不动，让下试件与上试件接触，并施加不同的压力，其中压力的大小可以由压力传感器测得；按照第一次扫描的轨迹对结合面进行重新扫描，得到不同压力下结合面上各个扫描点的超声回波信号，该回波信号为结合面信号；

（4）分别对参考信号与结合面信号进行傅里叶变换，并计算每个扫描点在不同压力下的反射率；结合面所有点的反射率组成反射率矩阵，得到反射率均值R₀；

（5）根据压力计算结合面的平均压强，平均压强的80%即为中心区域压强，即反射率均值R₀对应的压强P₀。

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