CN105136069A - 一种激光超声波技术测量圆柱体内锥形锥尖角度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光超声及光纤技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，包括：（1）建立激光作用下圆柱体内锥形侧面，锥角波的热弹耦合方程。（2）通过求解方程。（3）建立热弹耦合的有限元方程，计算出模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来计算模型中的应变位移场。（4）绘制出激光在不用楔尖角度的楔体上激发产生的锥角波的频散曲线。（5）被测物上锥角波信号的激发和接收；（6）实测信号提取，采用二维傅里叶变换进行信号处理，得到锥角波的频散曲线；（7）通过调节理论模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，直到和实验结果吻合，反演得到实际角度值。本发明较好地测量楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
Description
技术领域
本发明公开了一种用光纤技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法测量圆柱内楔体楔尖即内锥形锥尖角度的方法，属于超声无损检测技术领域。
背景技术
角度测量技术是计量科学的重要组成部分，在光学工程、机械、航空、航天、军事等各个领域有着广泛的应用。角度测量技术按照测量原理可以分为三大类:机械式测角技术、电磁式测角技术和光学测角技术。机械式和电磁式测角技术的研究起步较早,技术也已经非常成熟，属于传统角度测量方法。
光学测角技术是随着新型光电材料和器件的出现而发展起来的，与传统的角度测量方法相比,光学测角法有着非接触式、高测量精度等多方面的优势就目前而言,角度测量的光学方法主要有、圆光栅测量法、光电自准直法、激光干涉法、光学内反射法、环形激光器法、光电编码盘法等方法。
发明内容
为克服现有技术上的不足，本发明的目的是提供一种测量圆柱型楔体楔尖角度的方法，即激光超声技术测量圆柱型楔体楔尖角度的方法，从而更精确地得到楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
为了达到上述目的，本发明主要采取的技术方案有：
一种激光超声技术测量圆柱型楔体楔尖角度的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)基于热弹性理论，建立激光作用于楔体，激发产生锥角波的理论模型。
(2)通过求解方程，了解激光辐照样品产生锥角波的物理过程，以及锥角波的传播特性。
(3)建立热弹耦合的有限元方程，
从热传导方程出发，计算出模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来计算模型中的应变位移场。
(4)数值模拟激光在不同角度楔体中激发产生的锥角波，绘制出激光分别在不用楔尖角度的楔体上激发产生的锥角波频散曲线
(5)被测物上超声导波信号的激发和接收；
(6)实测信号提取，对声波进行信号处理，得到频散曲线；
(7)通过调节理论模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，直到和实验得到的频散曲线吻合，则得到实际角度值。本发明好地测量楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
步骤(1)所述的激发产生锥角波的理论模型中，经典热扩散方程表示为：
步骤(2)在弹性体中，超声波的传播满足Navier-Stokes方程
步骤(5)、(6)圆柱型楔体固定在三维可调的精密平移台上，计算机控制沿周向旋转的电控平移台，使得激光源沿周向移动，实现对圆柱型楔体的周向扫查。通过对探测的实测数据进行二维傅里叶变换分析，得到了沿圆柱型楔体楔尖传播的锥角波的色散曲线。
步骤(7)调整数值模拟的频散曲线，直到和实验的频散曲线吻合，即可得出楔尖角度值。
本发明所达到的有益效果：
本发明公开了一种激光超声技术测量圆柱型楔体楔尖角度的方法。通过改变数值模拟楔尖的角度，直到与实验得到的锥角波频散曲线吻合，从而得到楔尖的角度。通过建立沿圆柱型楔体中传播的锥角波模型，对沿圆柱型楔体中传播的锥角波、锥角波模态以及锥角波模态转换进行了研究，从而更精确地得到楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
附图说明
图1是本发明的实验装置图；
图2是是本发明的激光超声技术测量圆柱体内楔体楔尖角度的方法工作流程图；
图3为本发明的数值模拟激光辐照圆柱体内楔体柱坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1-图3，本发明脉冲激光产生的激光，通过光纤传输引导照射到圆柱型楔体的侧表面上激发超声波，计算机控制沿周向旋转的电控平移台，使得激发线源以1°每步沿周向移动，实现对圆柱型楔体楔尖的周向扫查；在接收端另采用光纤引导检测光信号到干涉仪进行检测；使用二维傅里叶变换进行信号处理，绘制频散曲线。调节数值模拟楔尖的角度，使其频散曲线与实验得出的频散曲线吻合，反演得出圆柱型楔体的楔角。
具体包括以下步骤：
(1)基于热弹性理论，建立激光作用下圆柱体内锥形即圆柱体内楔体的侧面，内楔体的锥角波(圆锥体侧面上的波)的热弹耦合方程。
(2)通过求解方程，了解激光辐照样品产生锥角波的物理过程，以及锥角波的传播特性。
(3)建立热弹耦合的有限元方程，从热传导方程出发，计算出模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来计算模型中的应变位移场。
(4)数值模拟激光在不同楔角楔体中激发产生的锥角波，绘制出激光在不用楔尖角度的楔体上激发产生的锥角波的频散曲线。
(5)被测物上锥角波信号的激发和接收；
(6)实测信号提取，采用二维傅里叶变换进行信号处理，得到锥角波的频散曲线；
(7)通过调节理论模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，直到和实验结果吻合，反演得到实际角度值。本发明较好地测量楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
如图1所示，为本发明的实验装置图。
当脉冲激光辐照在柱状材料表面，一部分被反射，一部分被吸收。由于材料吸收激光能量使表层温度迅速升高而产生将很大的温度梯度，温度梯度引起材料中的应力分布，从而在圆柱中激发出超声波。由于脉冲激光的作用时间短，可以忽略材料与外界的对流和辐射效应，只考虑激光辐照与材料之间以热传导为主的能量交换。建立如图3所示激光辐照圆柱型楔体柱坐标系，公式(1)和(2)分别是柱坐标系下的热传导方程和弹性波动方程：
上述为理论计算的步骤，当上述步骤完成后根据实际的材料参数进行有限元仿真。仿真该模型并设置不同楔角的楔体。利用瞬时傅里叶变换对其执行从时域到频域的变换，然后利用空间傅里叶变换对其变换，得到的不同角度楔体中传播锥角波的色散曲线。
最后进行实际的测量，圆柱体内楔体固定在三维可调的精密平移台上，通过调节三维精密平移台，使圆柱体内楔体位于沿周向旋转的电控平移台中心正上方，且激发线源作用于楔尖。移动探测光源，使得探测点作用于楔尖且位于聚焦的最佳位置。起始激发点与探测点之间的角度为45°。脉冲激光经光纤耦合后探测光经过光纤照射到圆柱型楔体的侧表面上激发超声波，计算机控制沿周向旋转的电控平移台，使得激发线源以1°每步沿周向移动，实现对圆柱型楔体楔尖的周向扫查，接收端另采用光纤引导检测光信号到激光多普勒测振仪探测锥角波，通过感知样品表面反射回的散射光的频移并转换为电信号输入示波器，实现声电转换，探测锥角波信号。
对锥角波信号进行处理，使用二维傅里叶变换，时间间隔为2ns，空间间隔为50μm，采样64组数据，得到频散曲线。通过调节谐数值模拟的楔尖的角度，改变频散曲线，直到和实测得到的频散曲线吻合，通过反演，得到楔尖的角度。
基于上述，本发明采用激光干涉法的光学方法检测圆柱型楔体的楔尖角度，激光器产生激光，通过光纤传输引导照射到圆柱型楔体的侧表面上激发超声波，在接收端另采用光纤引导检测光信号到激光多普勒测振仪探测锥角波。对探测锥角波信号进行信号处理，绘制频散曲线。调节数值模拟楔尖的角度，使其频散曲线与实验得出的频散曲线吻合，反演得出圆柱型楔体的楔角。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于激光超声及光纤传感技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于：其方法如下：
(1)建立脉冲激光，脉冲激光产生的激光通过光纤传输引导照射到圆柱体内楔体即圆柱体内锥形的侧表面上激发超声波即称为锥角波，激发线源以一定的角度沿圆柱体内楔体周向移动，实现对圆柱提内楔体楔尖的周向扫查，获取圆柱体内楔体的实测数据，建立锥角波的理论模型；
(2)通过求解锥角波的理论模型的方程，获知激光辐照样品产生锥角波的物理过程以及锥角波的传播特性；
(3)建立热弹耦合的有限元方程，
式中[C]和[K]分别表示热容及热传导系数矩阵，{T}和分别表示温度矢量以及温升的变化率矢量，{q}为热源向量，[M]和[S]分别表示质量和刚度矩阵，和{U}分别表示加速度和位移矢量，{Fext}是系统受到的外界作用力矢量。计算出圆柱型楔体三维模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来计算模型中的应变位移场；
(4)数值模拟激光在不同角度楔体中激发产生的锥角波，绘制出激光分别在不同楔尖角度的楔体上激发产生的锥角波频散曲线；
(5)被测物即圆柱体上锥角波信号的激发和接收；在接收端另采用光纤引导检测光信号到干涉仪进行检测；
(6)实测上述步骤(5)的光信号提取，获得步骤(1)中实测数据，对实测数据进行二维傅里叶变换分析处理，得到了沿圆柱体内楔体楔尖传播的锥角波的频散曲线；
(7)依据步骤(4)，通过调节数值模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，当得到频散曲线与实测得出的频散曲线吻合时，反演得出实测圆柱型楔体的楔角角度值。
2.根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中激发产生锥角波的理论模型的热扩散方程表示为：
式中,是瞬态的温度分布，k,ρ和cv分别表示热扩散系数、密度和定容比热容，r、φ、z分别是柱坐标系中的三个坐标量。
3.根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在弹性体中，锥角波的传播特性为超声波传播满足Navier-Stokes方程：
其中，表示位移矢量，k,ρ和cv分别表示热扩散系数、密度和定容比热容，β＝(3λ+2μ)αT表示热弹耦合系数，其中αT是线性热膨胀系数，λ和μ是Lamé常数。
4.根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于，上述步骤(5)和步骤(6)中，圆柱体固定在三维可调的精密平移台上，计算机控制沿周向旋转的电控平移台，使得激光源沿周向移动，实现对圆柱体内楔体的周向扫查。
5.根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于，步骤(7)中，改变模拟楔尖的角度，直到理论频散曲线和实验结果吻合，反演得到实测样品的角度。
6.根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，使用计算机控制电控平台上的移动激光源，使得激发线源以1°每步沿圆柱体内楔体周向移动，实现对圆柱型楔体楔尖的周向扫查。
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