CN104458081A - 一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波表面波的应力测量主应力分离的方法及装置，属于测定材料表面力的方法与装置。所述的分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分析系统连接。利用表面波测量物体表面的工作应力和残余应力；同时给出了主应力的分离方法；二维应力测量的验证性实验，实现了二维平面应力的表面波无损检测，且演示对象为A3钢，工程应用价值较强，实验精度高，适合工程检测；利用超声的优点，可以对任意一位置的单点多维的应力进行无损的检测。

Description

一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测定材料表面力的方法与装置，特别涉及一种基于超声波表面波的应力测量主应力分离的方法及装置。

背景技术

在人们使用各种材料的长期实践中，观察到大量的材料破坏现象，这些现象曾为人们带来了很多灾难性事故，其中涉及到船舶、飞机、轴类、压力容器和核设备等方面的事故、因此材料失效破坏问题始终是研究各种材料的一个重要方面。

很多关键设备的结构件，其可靠性和寿命与构件上的残余应力和工作应力有很大的关系。残余应力是指在没有载荷和温度变化等外界因素作用下，存在于金属材料或机械构件内部并保持平衡的力。在工程构件的制造、运输、安装和使用过程中，通常构件的内部都会产生残余应力。即使有载荷作用下，这个应力依然存在。

由于残余应力与外载荷有叠加效应，因此，不能用施加已知的外载荷来得到关于残余应力强度和分布的有关信息。材料和构件不可避免的存在残余应力，由于残余应力与外载荷有叠加作用，往往给构件带来极大的危害，但是有时候也可以带来良好的作用。残余应力的来源、分布十分复杂，目前在多数情况下，人们还不能控制残余应力，更谈不上有效的利用它。

残余应力的测量方法大致可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。其中机械释放测量法包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工作局部分离或者分割，从而会对工件造成一定的损伤或者破坏。非破坏无损伤测量法主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测，对工件不会造成破坏。

对于表面应力的测量，目前的测量方法都只能测量简单分布的应力形式，对于复杂的应力分布，应力分布不均时，对于某点的二维的应力测量就很难精确的测量。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于超声波表面波的应力测量主应力分离的方法及装置，解决传统表面应力测量装置无法测量单点应力的问题。

为了实现发明的目的，应力测量主应力分离包括分离方法及分离装置；

所述的分离方法：首先开启测量装置，在待测物体表面涂抹机油作为耦合剂，将超声换能器组放置在待测物体表面并固定，分别利用超声换能器组中的三组超声换能器对测点的超声表面波进行采样、预处理、存储和分析，计算超声表面波的传播速度变化量，从而获得物体表面的平面二维应力，并进行主应力方向角的测量以及主应力的分离；超声表面波的声弹性公式可表示为：

Δt＝K₃σ’₃₃+K₁σ’₁₁   (1)

其中Δt为超声波在应力和无应力状态下在一定声程内的传播时间差，σ'₃₃、σ’₁₁为任一检测方向的正应力，K₃，K₁为弹性体对应的表面波声弹性系数；

探头沿着3方向放置，表面波的传播时间与平行和垂直与探头方向的应力关系：

${\mathrm{\Δt}}_1=K_3(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))+K_1(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))---\left(2\right)$

(2)式中含有σ₃、σ₁、θ三个未知数，三个未知数σ₃、σ₁、θ分别为主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ，在检测过程中通过不同方向的三组探头可得到三个方程，联立求解主应力值和方向角，进行主应力分离；三组检测探头分别沿3个方向放置，方向夹角为120°；

由(2)式可得3个方程如下：

解此方程，即可得到主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\Δ}{t}_3+{\mathrm{\Δt}}_1-2{\mathrm{\Δt}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{1}{2}[\frac{{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4{\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1)}^2+{({3\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_3)}^2}}{K_3-K_1}---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{1}{2}[\frac{{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4{\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1)}^2+{({3\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_3)}^2}}{K_3-K_1}---\left(6\right).$

所述的分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分析系统连接。

所述的超声换能器组包括：超声换能器、试验钢板、固定端盖、吸收块、声楔和压电晶体；超声换能器放置在试验钢板上，超声换能器底部有多个独立的盒子，在每一个盒子里有吸收块、声楔和压电晶体，上超声换能器上端连接有固定端盖。

所述的超声脉冲发射接收器包括：三组超声换能器组、多路分配器、脉冲发生器、控制器、多路选择器、放大器、滤波器和示波器；控制器的输出端同时与二个多路分配器和一个多路选择器连接，脉冲发生器通过第一多路分配器与三组超声换能器组的输入端连接，三组超声换能器组的输出端通与多路选择器的输入端连接，多路选择器的输出端与放大器、滤波器、放大器、第二多路分配器的输入端连接，第二多路分配器的输出端与示波器连接。

有益效果，由于采用了上述方案，三组超声换能器进行单点应力的测量，每组超声换能器之间保持一定的距离，以便为其它组超声换能器预留空间，同时每组换能器与其它组之间形成一定的角度，这样三组超声换能器就可以用三个方程解出此点的三个应力参数；每一组激励发生器与滤波器为三路通道共用，故采用了多路选择器与多路分配器组成复用电路。三组探头给三个换能器激励，同时处理其中另三个换能器获取到的信号，超声脉冲发射接收器中的激励发生器与滤波器为三路通道共用，采用多路选择器与多路分配器组成复用电路。

分离方法是利用表面波在金属材料表面的传播速度和表面应力之间的关系，给出了表面波二维声弹性关系，由弹性理论可知，表面波在弹性体表面传播时，弹性体表面应力对表面波传播速度有影响，利用表面波测量物体表面的工作应力和残余应力；同时给出了主应力的分离方法；二维应力测量的验证性实验，实现了二维平面应力的表面波无损检测，且演示对象为A3钢，工程应用价值较强，实验精度高，适合工程检测。

利用超声的优点，可以对任意一位置的单点多维的应力进行无损的检测。

附图说明

图1为本发明的测试系统图。

图2为本发明的检测探头分别沿3个方向放置，方向夹角为120°图。

图3为本发明的超声换能器组在试验钢板上的布置方式图。

图3-1为本发明的超声换能器组在固定端盖上的布置方式图。

图3-2为图3-1的剖视结构图。

图4为本发明的超声发射接收电路图。

图中：1－超声换能器；2－试验钢板；3－固定端盖；4－吸收块；5－声楔；6－压电晶体。

具体实施方案

该应力测量主应力分离包括分离方法及分离装置；

所述的分离方法：首先开启测量装置，在待测物体表面涂抹机油作为耦合剂，将超声换能器组放置在待测物体表面并固定，分别利用超声换能器组中的三组超声换能器对测点的超声表面波进行采样、预处理、存储和分析，计算超声表面波的传播速度变化量，从而获得物体表面的平面二维应力，并进行主应力方向角的测量以及主应力的分离；超声表面波的声弹性公式可表示为：

Δt＝K₃σ’₃₃+K₁σ’₁₁   (1)

其中Δt为超声波在应力和无应力状态下在一定声程内的传播时间差，σ'₃₃、σ’₁₁为任一检测方向的正应力，K₃，K₁为弹性体对应的表面波声弹性系数；

探头沿着3方向放置，表面波的传播时间与平行和垂直与探头方向的应力关系：

${\mathrm{\Δt}}_1=K_3(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))+K_1(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))---\left(2\right)$

(2)式中含有σ₃、σ₁、θ三个未知数，三个未知数σ₃、σ₁、θ分别为主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ，在检测过程中通过不同方向的三组探头可得到三个方程，联立求解主应力值和方向角，进行主应力分离；三组检测探头分别沿3个方向放置，方向夹角为120°；

由(2)式可得3个方程如下：

解此方程，即可得到主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\Δ}{t}_3+{\mathrm{\Δt}}_1-2{\mathrm{\Δt}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{1}{2}[\frac{{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4{\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1)}^2+{({3\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_3)}^2}}{K_3-K_1}---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{1}{2}[\frac{{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4{\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_1)}^2+{({3\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_3)}^2}}{K_3-K_1}---\left(6\right).$

所述的分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分析系统连接。

所述的超声换能器组包括：超声换能器1、试验钢板2、固定端盖3、吸收块4、声楔5和压电晶体6；超声换能器1放置在试验钢板2上，超声换能器1底部有多个独立的盒子，在每一个盒子里有吸收块4、声楔5和压电晶体6，上超声换能器1上端连接有固定端盖3。

所述的超声脉冲发射接收器包括：三组超声换能器组、多路分配器、脉冲发生器、控制器、多路选择器、放大器、滤波器和示波器；控制器的输出端同时与二个多路分配器和一个多路选择器连接，脉冲发生器通过第一多路分配器与三组超声换能器组的输入端连接，三组超声换能器组的输出端通与多路选择器的输入端连接，多路选择器的输出端与放大器、滤波器、放大器、第二多路分配器的输入端连接，第二多路分配器的输出端与示波器连接。

超声换能器组的布置方式如图3所示，固定方式选择开过槽的圆盖来固定三组超声换能器。

超声发射接收电路如图4所示，本发明采用了多路复用的方案，选择了多路选择器与多路分配器，通过控制器按照一定的时间间隔切换多路选择器与分配器，达到了时分多路利用的目的。采用多路示波器可同时观察三组信号，通过后续的信号处理可以得到三个方向的应力，进而得到同一点三个方程，再利用前面所推导出的公式即可得到主应力的大小与方向。

一维单向应力的检测较易实现，在实际的工程检测中往往要求进行平面二维应力的检测，且主应力方向未知，无法测得沿着两个主应力方向和表面波传播与无应力时的差值。则需要进行主应力方向角的测量以及主应力的分离。研究表明剪应力对表面波波速影响很小，甚至可以忽略不计。

表面应力的测量装置，特别是表面单点多维应力的测量，采用了三组换能器，每组换能器中一个用来发射超声信号，一个用来接收超声信号，三组换能器分时复用，避免了干扰，现时充分的利用了电路的激励器与滤波器。三组换能器之间的位置关系：均布式，三组换能器圆周均布；正交式，其中两组换能器之间相互正交，另一组与其中一组成45度放置。

信号处理电路，采用了时分电路复用方式，通过三组选择器与分配器，将三路信号同时接通激励信号源与滤波器。控制方式采用单片机控制，对信号的选择的时间进行控制。

通过多踪示波器同时查看三路信号的波形，将采集到的数据信号输送到计算机中，进行数字信号的处理，经过中值滤波再经过卷积运算后，取出峰值得发射信号与接收信号的时间差值，再通过本发明推导出来了公式，即可得到了待测钢板的主应力的数值与方向。

Claims (4)

1.一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法，其特征是：该分离方法：首先开启测量装置，在待测物体表面涂抹机油作为耦合剂，将超声换能器组放置在待测物体表面并固定，分别利用超声换能器组中的三组超声换能器对测点的超声表面波进行采样、预处理、存储和分析，计算超声表面波的传播速度变化量，从而获得物体表面的平面二维应力，并进行主应力方向角的测量以及主应力的分离；超声表面波的声弹性公式可表示为：

Δt＝K₃σ'₃₃+K₁σ'₁₁              (1)

其中Δt为超声波在应力和无应力状态下在一定声程内的传播时间差，σ'₃₃、σ'₁₁为任一检测方向的正应力，K₃，K₁为弹性体对应的表面波声弹性系数；

探头沿着3方向放置，表面波的传播时间与平行和垂直与探头方向的应力关系：

$\mathrm{\Δ}{t}_1=K_3(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))+K_1(\frac{{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1}{2}\cos (-2\mathrm{\θ}))---\left(2\right)$

(2)式中含有σ₃、σ₁、θ三个未知数，三个未知数σ₃、σ₁、θ分别为主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ，在检测过程中通过不同方向的三组探头可得到三个方程，联立求解主应力值和方向角，进行主应力分离；三组检测探头分别沿3个方向放置，方向夹角为120°；

由(2)式可得3个方程如下：

解此方程，即可得到主应力大小σ₃、σ₁和方向角θ：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\Δ}{t}_3+\mathrm{\Δ}{t}_1-2\mathrm{\Δ}{t}_2}{\mathrm{\Δ}{t}_3-\mathrm{\Δ}{t}_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{1}{2}[\frac{\mathrm{\Δ}{t}_3+\mathrm{\Δ}{t}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4\mathrm{\Δ}{t}_2-\mathrm{\Δ}{t}_3-\mathrm{\Δ}{t}_1)}^2+{(3\mathrm{\Δ}{t}_1-\mathrm{\Δ}{t}_3)}^2}}{K_3-K_1}]---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{1}{2}[\frac{\mathrm{\Δ}{t}_3+\mathrm{\Δ}{t}_1}{K_3+K_1}+\frac{\sqrt{{(4\mathrm{\Δ}{t}_2-\mathrm{\Δ}{t}_3-\mathrm{\Δ}{t}_1)}^2+{(3\mathrm{\Δ}{t}_1-\mathrm{\Δ}{t}_3)}^2}}{K_3-K_1}]---\left(6\right).$

2.使用权利要求1所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离方法的装置，其特征是：该分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分析系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离装置，其特征是：所述的超声换能器组包括：超声换能器、试验钢板、固定端盖、吸收块、声楔和压电晶体；超声换能器放置在试验钢板上，超声换能器底部有多个独立的盒子，在每一个盒子里有吸收块、声楔和压电晶体，上超声换能器上端连接有固定端盖。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离装置，其特征是：所述的超声脉冲发射接收器包括：三组超声换能器组、多路分配器、脉冲发生器、控制器、多路选择器、放大器、滤波器和示波器；控制器的输出端同时与二个多路分配器和一个多路选择器连接，脉冲发生器通过第一多路分配器与三组超声换能器组的输入端连接，三组超声换能器组的输出端通与多路选择器的输入端连接，多路选择器的输出端与放大器、滤波器、放大器、第二多路分配器的输入端连接，第二多路分配器的输出端与示波器连接。