CN104764803A - 基于超声波波长变化的材料应力检测技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测领域，涉及到基于超声波波长变化的材料应力检测技术。本发明原理是超声波声弹性原理：在材料中的传播速度c会在一定程度上受材料中应力的影响，根据v＝c/f，当频率f固定时，声速c与波长v成正比，通过检测经过相同路径到达同一个点时的相位，可得到波长的变化，从而得到声速的变化，最终可以得到应力的变化量。该方法与传统超声波测量应力方法相比，具有测量实时性高、适于在线检测、应力的瞬态检测，动态误差小，测量精度高的优点。

Description

基于超声波波长变化的材料应力检测技术

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及到基于超声波波长变化的材料应力检测技术。

背景技术

超声检测是国内外应用最广、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，已经成为材料和结构无损检测与评价的最常用手段之一。它是一种无损检测方法，不会对构件造成损伤，并且不会对外界环境造成污染。超声波穿透能力强，能同时测量构件表面残余应力和内部应力。采用超声波传感器进行超声波的发射和接收，对构件表面质量要求低，可实现非接触测量。超声波受环境影响较小，检测速度快，可靠性好。

传统超声波应力检测方法中是采用时间差法来表征传播速度与应力间的关系，然而传播速度通常非常大，导致相同距离时不同应力作用下传播声时差距很微弱，需要采用较高的采样率，而h＝ct，当h固定时，通常通过检测时间t的变化量△t来测量c，但是c的速度较大，t变化较小，采样率较高，因为h/△t∝c,因此常规方法动态误差大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了基于超声波波长变化的材料应力检测技术，可以减小动态误差，因为固定频率时，速度c与波长λ成正比，应力发生变化，波长v随之发生变化，通过与参考信号的比较可计算出波长v的变化量，进而可求出超声波速度c的变化量，最终求出应力的变化量。

本发明采用的技术方案是：采用超声波探头1作为超声波激励探头，超声波探头2作为超声信号接收探头。用固定频率为f的功率信号连续激励探头1。当被测材料未加载应力时，取探头1与探头2之间的直线距离为单个波长，即h＝v₀＝c₀/f，v₀为未加载应力时的波长，c₀为未加载应力时的声速；定义探头1激励信号的一个最大幅值点与探头2接收信号的最大幅值点的最小相位差Φ₀为参考相位(如图2)。保持距离h和频率f不变，对被测材料加载应力，记此时超声波的波长为v₁，声速为c₁，同样定义激励信号的一个最大幅值点与接收信号的一个最大幅值点的最小相位差Φ₁为计算相位(如图3)；将计算相位Φ₁与参考相位Φ₀作差，得到 $\mathrm{\Δ\Φ}={\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_0=2\mathrm{\π}\·\frac{v_1-v_0}{v_1},$ 可以将其变形为 $\mathrm{\Δv}=\frac{v_0\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}-\mathrm{\Δ\Φ}}$ $(\mathrm{\Δv}=v_1-v_0).$ 由于v＝c/f， $\mathrm{\Δv}=v_1-v_0=\frac{c_1-c_0}{f},$ 频率f固定，△ν与△c成正比， 而△c与△σ成正比例关系(如公式1)，由此可以计算出应力变化量；同时，距离h越大，△Φ的灵敏度越高，使得我们的检测精度越高，误差越小。

本方法包括以下几个步骤：

1.选用固定频率为f的功率信号连续激励探头1，选用专用的耦合剂将探头1和探头2垂直放置在被测材料上；

2.被测材料未加载应力时，取探头1与探头2之间的直线距离为单个波长，h＝v₀＝c₀/f，v₀为未加载应力时的波长，c₀为未加载应力时的声速；定义探头1激励信号的一个最大幅值点与探头2接收信号的最大幅值点的最小相位差Φ₀为参考相位(图2)；

3.保持距离h和频率f不变，对被测材料加载应力时，此时超声波的波长为v₁，同样定义激励信号的一个最大幅值点与接收信号的一个最大幅值点的最小相位差Φ₁为计算相位(图3)；

4.将计算相位Φ₁与参考相位Φ₀作差，得到可以将其变形为 $\mathrm{\Δv}=\frac{v_0\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}-\mathrm{\Δ\Φ}}(\mathrm{\Δv}=v_1-v_0).$ 由于v＝c/f， $\mathrm{\Δv}=v_1-v_0=\frac{c_1-c_0}{f},$ 频率f为固定值，△ν与△c成正比，而△c与△σ成正比例关系(如公式1所示)由此可以计算出应力的改变量。

$\mathrm{\Δ\σ}=\frac{2}{{\mathrm{kc}}_0}\mathrm{\Δc}---\left(1\right)$

其中，k为声弹性系数，且 $\frac{\frac{4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m}{\mathrm{\μ}}+\frac{21-3\mathrm{\λ}-10\mathrm{\μ}-4m}{\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}},$ λ和μ表示媒介的二阶弹性系数，l和m则表示媒介的三阶弹性系数。

本方案与传统超声波测应力方法比较，具有以下优点：

(1)测量实时性高，适于在线检测，能够实现应力的瞬态检测；

(2)采样率不需要太高，对数据采集卡要求不高，节省成本；

(3)动态误差小，测量精度高。

附图说明

图1检测系统结构示意图；

图2无应力时发射信号与接收信号相位差示意图；

图3加载应力时发射信号与接收信号相位差示意图；

图4被测材料无应力时发射信号与接收信号；

图5加载应力时发射信号与接收信号。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

1.取样

在待测材料上延材料长度方向取一个长200-300mm，宽30mm，厚1.28mm的试样。

2.连接设备

将任意波形函数发生器的输出接口和同步输出接口分别与多通道数字示波器的输入通道1和超声波探头1通过同轴电缆相连接；超声波探头2通过同轴电缆与前置放大器相连，经过前置放大器连接到多通道数字示波器的输入通道2；

3.测量

1)打开任意波形函数发生器和多通道数字示波器，选择频率f＝90kHz、周期T＝11.1μs的功率信号连续激发超声波探头1，选用专用的耦合剂将探头1和探头2垂直放置在被测材料上。

2)被测材料未加载应力时，声表面波的速度为c₀＝3800m/s,取探头1与探头2之间的直线距离为单个波长v₀，即 $h=v_0=c_0/f=\frac{3800m/s}{90*{10}^3\mathrm{Hz}}\≈0.04222m;$ 选择激励信号的一个最大幅值点与接收信号的一个最大幅值点的最小相位差为参考相位  ${\mathrm{\Φ}}_0=2\mathrm{\π}\·{\mathrm{\Δt}}_0/T=2\mathrm{\π}\·\frac{-7.271\mathrm{\μs}-(-7.795\mathrm{\μs})}{11.1\mathrm{\μs}}=2\mathrm{\π}\·\frac{0.524}{11.1}\≈0.2963$ (如图4)。

3)保持距离h和频率f不变，对被测材料加载应力时，此时超声波的波长为v₁，选择激励信号的一个最大幅值点与接收信号的一个最大幅值点的最小相位差为计算相位  ${\mathrm{\Φ}}_1=2\mathrm{\π}\·{\mathrm{\Δt}}_1/T=2\mathrm{\π}\·\frac{-3.358\mathrm{\μs}-(-7.796\mathrm{\μs})}{11.1\mathrm{\μs}}=2\mathrm{\π}\·\frac{4.438}{11.1}\≈2.5096$ (如图5)。

4.计算

1)将计算相位Φ₁与参考相位Φ₀作差，得到△Φ＝Φ₁-Φ₀＝2.2133，  $\mathrm{\Δ\Φ}=2\mathrm{\π}\·\frac{v_1-v_0}{v_1}$ 可以将其变形为 $\mathrm{\Δv}=\frac{v_0\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}-\mathrm{\Δ\Φ}}=\frac{0.04222m*2.2133}{2\mathrm{\π}-2.2133}\≈0.02296m.$

2)由于v＝c/f，△c＝△v·f＝0.02296m*90000Hz＝2066.4m/s，△ν与△c成正比，而△c与△σ成正比例关系，由此可以计算出应力的改变量  $\mathrm{\Δ\σ}=\frac{2}{{\mathrm{kc}}_0}\mathrm{\Δc}=\frac{2\×2066.4}{-0.27912\×{10}^{-4}{\mathrm{MPa}}^{-1}\×3800m/s}\≈-3.896\×{10}^4\mathrm{MPa},$ (负数表示拉力， 正数表示压力)。

注： $k=\frac{\frac{4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m}{\mathrm{\μ}}+\frac{2l-3\mathrm{\λ}-10\mathrm{\μ}-4m}{\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}=-0.27912\×{10}^{-4}{\mathrm{MPa}}^{-1},$ 被测材料的二阶弹性系数λ＝11.1×10¹⁰N/m²和μ＝8.21×10¹⁰N/m²，三阶弹性系数l＝-46.1×10¹⁰N/m²和m＝-63.6×10¹⁰N/m²。

Claims (2)

1.一种基于超声波波长变化的材料应力检测技术，其特征在于：包括以下步骤：

(1)选用固定频率为f的功率信号连续激励超声波探头1，超声波探头1和超声波探头2垂直放置在被测材料上；

(2)被测材料未加载应力时，取探头1与探头2之间的直线距离为单个波长，即h＝v₀＝c₀/f，v₀为未加载应力时的波长，c₀为未加载应力时的声速；定义探头1激励信号的一个最大幅值点与探头2接收信号的最大幅值点的最小相位差Φ₀为参考相位；

(3)保持距离h和频率f不变，对被测材料加载应力，记此时超声波的波长为v₁，声速为c₁；同样定义激励信号的一个最大幅值点与接收信号的一个最大幅值点的最小相位差Φ₁为计算相位；

(4)将计算相位Φ₁与参考相位Φ₀作差，得到可以将其变形为 $\mathrm{\Δv}=\frac{v_0\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}-\mathrm{\Δ\Φ}}$ (△ν＝ν₁-ν₀)。由于v＝c/f， $\mathrm{\Δv}=v_1-v_0=\frac{c_1-c_0}{f},$ 频率f固定，△ν与△c成正比，而△c与△σ成正比例关系(如公式1)，由此可以计算出应力改变量。

2.如权利要求1所述的基于超声波波长变化的材料应力检测技术，其特征在于：权利要求(2)中所述的参考相位为不施加应力时的发射信号与接收信号最大幅值点间的最小相位差，计算相位为施加不同应力时的发射信号与接收信号最大幅值点间的最小相位差；以参考相位与计算相位之间的相位差表征应力引起超声信号在被测材料中传播速度的改变量。