CN106932277B - 基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法及加载试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率‑压强关系曲线建立方法及加载试验台，所述加载试验台，包括压力显示器，控制端，示波器，水浸超声波换能器，大圆柱体，小圆柱体，上面板，移动板，压力传感器，下面板，超声波收发器和小圆柱体连接板。本发明的基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率‑压强关系曲线建立方法及加载试验台，与现有的方案相比，能够构建更加准确的超声波反射率‑压强的关系曲线，检测精度高。

Description

基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法及加载试验台

技术领域

本发明涉及超声波检测技术领域，具体说是一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法及加载试验台。

背景技术

界面的性能对机械设备的动态特性、抗振性、运动响应敏捷性等性能有重要影响。随着“中国制造2025”的政策实施，高端装配等也日益以质量为主导。实现对接触界面的检测就变得尤为重要。相关专利公开的结合面压力分布检测方法，大部分是在接触界面内采用压敏膜作为测量接触压强分布的手段，但是，压敏膜本身已经改变了界面条件，最终导致难以分析测量的结果。而超声波检测接触界面的方式是属于无损检测，无需改变界面接触的状态，即可完成检测任务，所以超声波检测接触界面状态这种方式将会是高端装配领域的重点。

而超声波检测方面，现有的曲线构建方法，大部分采用一个区域的平均压强来表征超声波反射率的特征值，在一定程度上对曲线的构建产生了误差，使得最后的测试结果不够精确。而利用圆角平面接触理论，则能利用较为精确的压强分布情况与超声波的反射率相对应，同时利用迭代的方式，进一步消除误差，通过多次消差方式，使得最后获取的超声波反射率-压强关系曲线更加精确，对测量界面的压强分布具有很强的指导意义。

而对于加载试验台，现有的加载试件大部分采用整体式，存在体积大，材料浪费等问题，尤其对于检测材料为钛合金之类的试件，成本较高；同时对于加载中由直线移动误差而导致的偏载没有进行有效的处理，对检测的结果造成一定量的误差。而利用本发明的加载试件设置为组装式，只需要一个

的试件就可实现检测效果；同时压头的设计，采用自平衡的方式，可以有效地减少偏载带来的误差影响。

发明内容

本发明的目的在于克服利用压敏膜检测的不足，以及克服平均压强方式带来的误差，本发明提供了一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法及加载试验台，本发明采用圆角平面接触理论，能够较为精确的了解超声波反射率与压强的对应关系，并且运用同点多次采集取平均的方式减小测量、移动等带来的误差。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，具有如下步骤：

S1、将加载面放在加载系统的中心位置，利用激光探头完成对加载系统位置的确定，以及确定出加载系统的中心位置坐标，得到加载面的中心位置坐标O₁；

所述加载面为圆角平面；

S2、分别在无加载和不同压力下，利用水浸超声波换能器在同一扫描路径下扫描加载面处的情况，得到零点信号与特征信号，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率，然后得到超声波的反射率的分布曲线，如式(1)所示：

R＝f₁(r)                           (1)

其中，r为扫描区域与O₁之间的距离；

R为r所对应的扫描区域的超声波反射率的平均值；

所述扫描路径为放射型路径，包括多条子路径，所述子路径指的是从加载面的中心位置开始，沿直线到达加载面的边界，再从加载面的边界沿直线回到加载面的中心位置结束；

S3、利用超声波反射率的分布呈同心圆的特点，对加载面的中心位置进行重新校正，得到加载面的中心位置坐标O₂，若O₁和O₂重合，则执行步骤S4，若O₁和O₂不重合，则执行步骤S2；

S4、根据超声波反射率的分布情况，确定超声波反射率的分布边界的边界特征值a_i，计算出平均边界特征值a，其中，a_i为超声波反射率的分布边界到O₂之间的距离；

S5、根据圆角平面接触理论，确定出每一扫面区域的压强值，然后得扫描区域与O₂之间的距离r与压强P的对应关系，如式(2)所示：

P＝f₂(r)                           (2)

S6、根据式(1)和式(2)，推导R与P的对应关系，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线，如式(3)所示：

P＝f₃(R)                           (3)

S7、利用式(3)的初始超声反射率-压强关系曲线，计算在不同压力下的压强值P′_i，利用积分的方式，计算出计算总载荷W′_i，

W′_i＝∫P′_idxdy            (4)

利用计算总载荷W′_i与压力传感器测量得到的实际载荷W_i相除，得到对应不同压力的多个修正系数K_i，取其平均值，得到平均修正系数K，

其中，

S8、利用平均修正系数K对初始的反射率-压强关系曲线进行修正，得到最终的反射率-压强关系曲线：

P_i＝K_i×P′_i                (6)。

工作状态下，超声波收发器产生激励，将激励传递给所述水浸超声波换能器，所述水浸超声波换能器产生超声波信号后，分别在无加载和不同压力下，利用水浸超声波换能器在同一扫描路径下扫描加载面处的情况，并接受超声波返回信号，所述水浸超声波换能器将超声波返回信号转化为电压信号，发送给所述超声波收发器，所述超声波收发器将电压信号传递给示波器，所述示波器将电压信号显示并传递给控制端。

所述步骤S2中，零点信号通过以下方式得到：

在无加载的情况下，利用水浸超声波换能器在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为零点信号。

所述步骤S2中，特征信号通过以下方式得到：

在不同压力下，利用水浸超声波换能器在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为特征信号，所述不同压力包括多个逐渐增大的压力，相邻压力的差值的绝对值均相等。

所述步骤S2中，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率指的是：

对零点信号和特征信号进行快速傅里叶变换，同时利用式(7)计算出相应的超声波反射率，获得扫描路径下的反射率分布情况，

其中，式(7)为：

R_i为超声波的反射率，h_i为特征信号的幅值，H_i为零点信号的幅值；

由于所述子路径的特点，加载面的同一位置会扫描两次，取超声波反射率的平均值建立反射率的分布曲线R＝f₁(r)。

所述步骤S6中，R与P的对应关系通过以下方法推导：

利用圆角平面接触理论，利用式(8)以及步骤S4中得到的a，计算出对应压力下，压强的分布曲线，利用超声波反射率的分布曲线与压强的分布曲线相拟合，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线；

其中式(8)为：

其中，

V_i为材料的泊松比，E_i为材料的杨氏模量，a为平均边界特征值，Rc为圆角平面的圆角面的圆角半径，b为圆角平面的平面的半径，s为特性变量。

一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法的加载试验台，包括压力显示器，控制端，示波器，水浸超声波换能器，大圆柱体，小圆柱体，上面板，移动板，压力传感器，下面板，超声波收发器和小圆柱体连接板；

所述大圆柱体，所述小圆柱体和所述加载试验台的轴线位于同一直线上；

所述上面板与所述下面板之间设有两个竖直导柱，所述移动板位于所述上面板与所述下面板之间且与两个所述竖直导柱滑动连接，所述移动板的下表面设有所述压力传感器，所述小圆柱体连接板位于所述移动板与所述上面板之间，所述小圆柱体连接板的下表面设有压头，所述小圆柱体连接板的上表面设有所述小圆柱体，所述移动板的上表面设有连接所述压头的连接槽，所述上面板的下表面设有大圆柱体连接板，所述大圆柱体连接板的下表面设有连接所述大圆柱体的螺纹孔，所述上面板上设有用于所述水浸超声波换能器插入的水槽，所述水槽穿过所述大圆柱体连接板与所述螺纹孔连通；

所述压力显示器与所述压力传感器电连接，所述控制端与所述示波器电连接，所述示波器与所述超声波收发器电连接，所述超声波收发器与所述水浸超声波换能器电连接；

工作状态下，所述超声波收发器产生激励，将激励传递给位于所述水槽内的所述水浸超声波换能器，所述水浸超声波换能器产生超声波信号后扫描所述小圆柱体的上表面，并接受超声波返回信号，所述水浸超声波换能器将超声波返回信号转化为电压信号，发送给所述超声波收发器，所述超声波收发器将电压信号传递给所述示波器，所述示波器将电压信号显示并传递给所述控制端。

所述示波器的型号为TDS3012C，所述水浸超声波换能器的型号为OLYMPUS V312-0.25-10MHz-PTF，所述超声波收发器的型号为PR5700。

所述小圆柱体的上表面具有与所述小圆柱体的侧面连接的圆角面，所述圆角面的圆角半径为1.5mm。

所述螺纹孔与所述大圆柱体之间设有密封圈。

所述示波器与所述控制端通过GPIB线连接。

本发明的基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法及加载试验台，与现有的方案相比，能够构建更加准确的超声波反射率-压强的关系曲线，检测精度高。

基于上述理由本发明可在超声波检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法的加载试验台。

图2是本发明的具体实施方式中大圆柱体与小圆柱体接触加载时的示意图。

图3是本发明的具体实施方式中放射型路径的示意图。

图4是本发明的具体实施方式中压强的分布曲线。

图5是本发明的具体实施方式中反射率-压强关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示，一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，该方法是基于一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法的加载试验台实现的，所述加载试验台包括压力显示器1，控制端2，示波器3，水浸超声波换能器4，大圆柱体5，小圆柱体6，上面板7，移动板8，压力传感器9，下面板10，超声波收发器11和小圆柱体连接板12；

所述大圆柱体5，所述小圆柱体6和所述加载试验台的轴线位于同一直线上；

所述上面板7与所述下面板10之间设有两个竖直导柱13，所述移动板8位于所述上面板7与所述下面板10之间且与两个所述竖直导柱13滑动连接，所述移动板8的下表面设有所述压力传感器9，所述小圆柱体连接板12位于所述移动板8与所述上面板7之间，所述小圆柱体连接板12的下表面设有压头14，所述小圆柱体连接板12的上表面设有所述小圆柱体6，所述移动板8的上表面设有连接所述压头14的连接槽，所述上面板7的下表面设有大圆柱体连接板15，所述大圆柱体连接板15的下表面设有连接所述大圆柱体6的螺纹孔，所述上面板7上设有用于所述水浸超声波换能器4插入的水槽16，所述水槽16穿过所述大圆柱体连接板15与所述螺纹孔连通；

可通过液压缸推动所述压力传感器9，进而推动所述移动板8移动，将所述小圆柱体6压在所述大圆柱体5上。

所述压力显示器1与所述压力传感器9电连接，所述控制端2与所述示波器3电连接，所述示波器3与所述超声波收发器11电连接，所述超声波收发器11与所述水浸超声波换能器4电连接；

所述示波器3的型号为TDS3012C，所述水浸超声波换能器4的型号为OLYMPUSV312-0.25-10MHz-PTF，所述超声波收发器11的型号为PR5700。

所述小圆柱体6的上表面具有与所述小圆柱体6的侧面连接的圆角面17以及平面18，所述圆角面17的圆角半径为1.5mm，所述平面18的直径为10mm。

所述螺纹孔与所述大圆柱体5之间设有密封圈，用于防止水从所述螺纹孔与所述大圆柱体5之间流出。

所述示波器3与所述控制端2通过GPIB线连接。

所述方法具有如下步骤：

S1、将加载面(所述小圆柱体6的上表面，以下同)放在加载系统的中心位置，利用激光探头完成对加载系统位置的确定，以及确定出加载系统的中心位置坐标，得到加载面的中心位置坐标O₁；

所述加载面为圆角平面，所述小圆柱体6的上表面即为圆角平面；

S2、分别在无加载和不同压力下，利用水浸超声波换能器4在同一扫描路径下扫描加载面处的情况，得到零点信号与特征信号，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率，然后得到超声波的反射率的分布曲线，如式(1)所示：

R＝f₁(r)                  (1)

其中，r为扫描区域与O₁之间的距离；

R为r所对应的扫描区域的超声波反射率的平均值；

所述扫描路径为放射型路径，包括八条子路径，如图3中的折返箭头所示，所述子路径指的是从加载面的中心位置开始，沿直线到达加载面的边界，再从加载面的边界沿直线回到加载面的中心位置结束；

S3、利用超声波反射率的分布呈同心圆的特点，对加载面的中心位置进行重新校正，得到加载面的中心位置坐标O₂，若O₁和O₂重合，则执行步骤S4，若O₁和O₂不重合，则执行步骤S2；

S4、根据超声波反射率的分布情况，确定超声波反射率的分布边界的边界特征值a_i，计算出平均边界特征值a，其中，a_i为超声波反射率的分布边界到O₂之间的距离；

S5、根据圆角平面接触理论，确定出每一扫面区域的压强值，然后得扫描区域与O₂之间的距离r与压强P的对应关系，如式(2)所示：

P＝f₂(r)                 (2)

S6、根据式(1)和式(2)，推导R与P的对应关系，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线，如式(3)所示：

P＝f₃(R)                  (3)

S7、利用式(3)的初始超声反射率-压强关系曲线，计算在不同压力下的压强值P′_i，利用积分的方式，计算出计算总载荷W′_i，

W′_i＝∫P′_idxdy                 (4)

利用计算总载荷W′_i与压力传感器9测量得到的实际载荷W_i相除，得到对应不同压力的多个修正系数K_i，取其平均值，得到平均修正系数K，

其中，

S8、利用平均修正系数K对初始的反射率-压强关系曲线进行修正，得到最终的反射率-压强关系曲线(如图5所示)：

P_i＝K_i×P′_i             (6)。

所述步骤S2中，零点信号通过以下方式得到：

在无加载的情况下，利用水浸超声波换能器4在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为零点信号。

所述步骤S2中，特征信号通过以下方式得到：

在不同压力下，利用水浸超声波换能器4在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为特征信号，所述不同压力包括多个逐渐增大的压力，相邻压力的差值的绝对值均相等，本实施例，所述不同压力为200MP、400MP和600MP。

所述步骤S2中，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率指的是：

对零点信号和特征信号进行快速傅里叶变换，同时利用式(7)计算出相应的超声波反射率，获得扫描路径下的反射率分布情况，

其中，式(7)为：

R_i为超声波的反射率，h_i为特征信号的幅值，H_i为零点信号的幅值。

由于所述子路径的特点，加载面的同一位置会扫描两次，取超声波反射率的平均值建立反射率的分布曲线R＝f₁(r)。

所述步骤S6中，R与P的对应关系通过以下方法推导：

利用圆角平面接触理论，利用式(8)以及步骤S4中得到的a，计算出对应压力下，压强的分布曲线，如图4所示，利用超声波反射率的分布曲线与压强的分布曲线相拟合，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线；

其中式(8)为：

其中，

V_i为材料的泊松比，E_i为材料的杨氏模量，a为平均边界特征值，Rc为圆角平面的圆角面的圆角半径，即所述圆角面17的圆角半径；b为圆角平面的平面的半径，即所述平面18的直径，s为特性变量。

工作状态下，所述超声波收发器11产生激励，将激励传递给位于所述水槽16内的所述水浸超声波换能器4，所述水浸超声波换能器4产生超声波信号后，分别在无加载和不同压力下，利用水浸超声波换能器4在同一扫描路径下扫描所述小圆柱体6的上表面，并接受超声波返回信号，所述水浸超声波换能器4将超声波返回信号转化为电压信号，发送给所述超声波收发器11，所述超声波收发器11将电压信号传递给所述示波器3，所述示波器3将电压信号显示并传递给所述控制端2。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、将加载面放在加载系统的中心位置，利用激光探头完成对加载系统位置的确定，以及确定出加载系统的中心位置坐标，得到加载面的中心位置坐标O₁；

所述加载面为圆角平面；

S2、分别在无加载和不同压力下，利用水浸超声波换能器在同一扫描路径下扫描加载面处的情况，得到零点信号与特征信号，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率，然后得到超声波的反射率的分布曲线，如式(1)所示：

R＝f₁(r)                               (1)

其中，r为扫描区域与O₁之间的距离；

R为r所对应的扫描区域的超声波反射率的平均值；

所述扫描路径为放射型路径，包括多条子路径，所述子路径指的是从加载面的中心位置开始，沿直线到达加载面的边界，再从加载面的边界沿直线回到加载面的中心位置结束；

S3、利用超声波反射率的分布呈同心圆的特点，对加载面的中心位置进行重新校正，得到加载面的中心位置坐标O₂，若O₁和O₂重合，则执行步骤S4，若O₁和O₂不重合，则执行步骤S2；

S4、根据超声波反射率的分布情况，确定超声波反射率的分布边界的边界特征值a_i，计算出平均边界特征值a，其中，a_i为超声波反射率的分布边界到O₂之间的距离；

S5、根据圆角平面接触理论，确定出每一扫描区域的压强值，然后得扫描区域与O₂之间的距离r与压强P的对应关系，如式(2)所示：

P＝f₂(r)                               (2)

S6、根据式(1)和式(2)，推导R与P的对应关系，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线，如式(3)所示：

P＝f₃(R)                               (3)

S7、利用式(3)的初始超声波反射率-压强关系曲线，计算在不同压力下的压强值P′_i，利用积分的方式，计算出计算总载荷W_i′，

W_i′＝∫P′_idxdy                      (4)

其中，x，y为加载面上任意一点在x轴上的坐标和在y轴上的坐标，dx和dy表示在x轴上的微元和在y轴上的微元；

利用计算总载荷W_i′与压力传感器测量得到的实际载荷W_i相除，得到对应不同压力的多个修正系数K_i，取其平均值，得到平均修正系数K，

其中，

S8、利用平均修正系数K对初始的反射率-压强关系曲线进行修正，得到最终的反射率-压强关系曲线：

所述步骤S6中，R与P的对应关系通过以下方法推导：

利用圆角平面接触理论，利用式(8)以及步骤S4中得到的a，计算出对应压力下，压强的分布曲线，利用超声波反射率的分布曲线与压强的分布曲线相拟合，得到初始的超声波反射率-压强关系曲线；

其中式(8)为：

其中，

V₁为承载面材料的泊松比，V₂为加载面材料的泊松比，E₁为承载面材料的杨氏模量，E₂为加载面材料的杨氏模量，a为平均边界特征值，Rc为圆角平面的圆角面的圆角半径，b为圆角平面的平面半径，s为特性变量。

2.根据权利要求1所述的基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，其特征在于：所述步骤S2中，零点信号通过以下方式得到：

在无加载的情况下，利用水浸超声波换能器在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为零点信号。

3.根据权利要求1所述的基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，其特征在于：所述步骤S2中，特征信号通过以下方式得到：

在不同压力下，利用水浸超声波换能器在扫描路径下扫描加载面处的情况，得到的超声波返回信号作为特征信号，所述不同压力包括多个逐渐增大的压力，相邻压力的差值的绝对值均相等。

4.根据权利要求1所述的基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法，其特征在于：所述步骤S2中，用特征信号与零点信号的比值计算出超声波的反射率指的是：

对零点信号和特征信号进行快速傅里叶变换，同时利用式(7)计算出相应的超声波反射率，获得扫描路径下的反射率分布情况，

其中，式(7)为：

R_i为超声波的反射率，h_i为特征信号的幅值，H_i为零点信号的幅值；

由于所述子路径的特点，加载面的同一位置会扫描两次，取超声波反射率的平均值建立反射率的分布曲线R＝f₁(r)。

5.基于权利要求1-4中任意一项所述的一种基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率-压强关系曲线建立方法的加载试验台，其特征在于：包括压力显示器，控制端，示波器，水浸超声波换能器，大圆柱体，小圆柱体，上面板，移动板，压力传感器，下面板，超声波收发器和小圆柱体连接板；

所述大圆柱体，所述小圆柱体和所述加载试验台的轴线位于同一直线上；

所述上面板与所述下面板之间设有两个竖直导柱，所述移动板位于所述上面板与所述下面板之间且与两个所述竖直导柱滑动连接，所述移动板的下表面设有所述压力传感器，所述小圆柱体连接板位于所述移动板与所述上面板之间，所述小圆柱体连接板的下表面设有压头，所述小圆柱体连接板的上表面设有所述小圆柱体，所述移动板的上表面设有连接所述压头的连接槽，所述上面板的下表面设有大圆柱体连接板，所述大圆柱体连接板的下表面设有连接所述大圆柱体的螺纹孔，所述上面板上设有用于所述水浸超声波换能器插入的水槽，所述水槽穿过所述大圆柱体连接板与所述螺纹孔连通；

所述压力显示器与所述压力传感器电连接，所述控制端与所述示波器电连接，所述示波器与所述超声波收发器电连接，所述超声波收发器与所述水浸超声波换能器电连接；

工作状态下，所述超声波收发器产生激励，将激励传递给位于所述水槽内的所述水浸超声波换能器，所述水浸超声波换能器产生超声波信号后扫描所述小圆柱体的上表面，并接受超声波返回信号，所述水浸超声波换能器将超声波返回信号转化为电压信号，发送给所述超声波收发器，所述超声波收发器将电压信号传递给所述示波器，所述示波器将电压信号显示并传递给所述控制端。

6.根据权利要求5所述的加载试验台，其特征在于：所述示波器的型号为TDS3012C，所述水浸超声波换能器的型号为OLYMPUS V312-0.25-10MHz-PTF，所述超声波收发器的型号为PR5700。

7.根据权利要求5所述的加载试验台，其特征在于：所述小圆柱体的上表面具有与所述小圆柱体的侧面连接的圆角面，所述圆角面的圆角半径为1.5mm。

8.根据权利要求5所述的加载试验台，其特征在于：所述螺纹孔与所述大圆柱体之间设有密封圈。

9.根据权利要求5所述的加载试验台，其特征在于：所述示波器与所述控制端通过GPIB线连接。

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