CN110088565A - 用于测量钢板的晶粒尺寸的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过使用瑞利波的衰减系数来测量钢板的晶粒尺寸的装置，即使在薄板中这也能够保证足够长的超声波传播距离。根据本发明的实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置可以包括：超声生成单元，其用于将超声波施加至钢板的一个点；超声接收单元，其用于在与钢板的所述一个点间隔开不同距离的两个点处接收经传播的超声波；以及晶粒尺寸计算单元，其用于根据传播至所述两个点的超声波的强度以及取决于两个点之间的距离的衰减系数来计算钢板的平均晶粒尺寸。无论表面特性例如表面反射率、表面粗糙度等如何变化，所述装置都能够计算衰减系数。

Description

用于测量钢板的晶粒尺寸的装置
技术领域
本公开内容涉及用于测量钢板的晶粒尺寸的装置。
背景技术
在无损检验领域中，通常使用超声衰减系数来测量金属的晶粒尺寸。就此而言，当超声波在由晶粒形成的材料例如金属的内部传播时在晶界处发生了超声波的散射，发生了超声振幅的衰减，并且超声波的衰减程度与晶粒的尺寸相关。
钢板在铁厂生产期间取决于产品而具有各种厚度。在钢板中，在电工钢板的情况下，电工钢板的厚度非常小，例如约0.2mm至0.3mm。当使用超声波测量晶粒尺寸时，通常主要使用沿与钢板的表面垂直的方向传播的纵波。
换言之，根据沿钢板内部的厚度方向多次反射的超声波来测量一系列连续信号，然后使用取决于传播距离的信号强度的变化来计算衰减系数，并且使用常数相关性来获得晶粒尺寸。
为了使用如上所述的超声衰减系数来增加晶粒尺寸测量的可靠性，应该在超声波传播路径上提供大量的晶粒。通过由材料吸收超声波、扩散、在晶界处散射等来产生超声衰减。与由于其他效应诸如吸收或扩散而产生的衰减相比，如果在超声路径上提供的晶粒数目少，则由于在晶界处散射而产生的超声衰减相对小。在这种情况下，可能难以根据总衰减系数来计算可靠的晶粒尺寸。
此处，由于钢板厚度减小，因此应该使用具有短波长的高频超声波。然而，可能存在的问题在于：可能由于产品的成本和体积而难以应用于生产。
参照日本特开专利公布第1995-092141号和日本特开专利公布第1996-075713号可以容易地理解这种常规技术。
发明内容
[技术问题]
本公开内容的一个方面可以提供用于使用表面波(瑞利波)的衰减系数来测量钢板的晶粒尺寸的装置，即使在薄板中这也能够保证使用表面波的足够长的超声波传播距离。
[技术方案]
根据本公开内容的一个方面，一种用于测量钢板的晶粒尺寸的装置包括：超声生成单元，其将超声波施加至钢板的一个点；超声接收单元，其在与钢板的所述一个点间隔开不同距离的两个点处接收经传播的超声波；以及晶粒尺寸计算单元，其根据传播至所述两个点的超声波的强度以及取决于所述两个点之间的距离的衰减系数来计算钢板的平均晶粒尺寸。
根据本发明的另一方面，一种用于测量钢板的晶粒尺寸的装置包括：超声生成单元，其将超声波施加至钢板的两个生成点；超声接收单元，其在位于钢板的两个生成点之间的两个接收点处接收经传播的超声波；以及晶粒尺寸计算单元，其根据传播至所述两个接收点的超声波的强度以及取决于所述两个点之间的距离的衰减系数来计算钢板的平均晶粒尺寸。
[有益效果]
根据本公开内容中的示例性实施方式，即使当钢板的厚度较小时也可以计算出可靠的晶粒尺寸。
附图说明
图1是根据实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置的示意图。
图2是示出了由根据实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据在钢板的一个点处通过线性激光脉冲生成的表面波的传播距离来测量强度的示意图。
图3是根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置的示意图。
图4A和图4B是示出了由根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据在钢板的两个点处通过线性激光脉冲生成的表面波的传播距离来测量强度的示意图。
图5是示出了由根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据表面波的传播距离的强度测量结果的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开内容中的示例性实施方式，使得本公开内容所属的技术领域中的技术人员可以容易地实现示例性实施方式。
图1是根据实施方案的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置的示意图。
参照图1，根据实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置可以包括超声生成单元、超声接收单元和晶粒尺寸计算单元。
超声生成单元可以将超声波施加至钢板1的表面上的一个点。
超声生成单元可以使用脉冲激光器将超声波施加至钢板1的表面上的一个点G1。
例如，超声生成单元可以包括：脉冲激光器4；全反射镜7，其对由脉冲激光器4生成的激光脉冲进行反射；以及脉冲会聚头8，其将所反射的激光脉冲会聚至钢板1的一个点G1。
超声接收单元可以接收传播至与钢板1的表面上的一个点G1间隔开预定距离的两个点D1和D2的超声波中的表面波(瑞利波)。
从其生成超声波的一个点G1以及接收表面波的两个点D1和D2可以位于直线上。
超声接收单元可以包括：接收表面波的激光束发射和接收头13和14；以及光纤，所述光纤将所接收到的激光传送至晶粒尺寸计算单元，以接收传播至两个点D1和D2的表面波。
晶粒尺寸计算单元可以根据传播至两个点D1和D2的超声波的强度以及取决于两个点D1与D2之间的距离的衰减系数来计算钢板1的平均晶粒尺寸。为此，晶粒尺寸计算单元可以包括用于测量的激光器和干涉仪10。
图2是示出了由根据实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据在钢板的一个点处通过线性激光脉冲生成的表面波的传播距离来测量强度的示意图。
参照图2，当激光脉冲入射至钢板1的表面的一个点G上时，在体声波(纵波和横波)沿钢板的厚度方向传播的同时，表面波(瑞利波)也沿着钢板的表面传播。瑞利波是可以在钢板的厚度T大于表面波的波长l时生成的一种类型的表面波。
T(钢板的厚度)>l(表面波的波长)＝VR/f (等式1)
在等式2中，VR是瑞利波的速度，并且f是瑞利波的频率。
例如，在电工钢板具有0.2mm的厚度的情况下，为了使瑞利波振荡，瑞利波的波长需要短于0.2mm，因此频率如下所示：
换言之，在超声频率是15MHz或更高并且厚度是0.2mm的钢板中，瑞利波能够振荡。
瑞利波是通过将体声波(纵波和横波)与材料的界面即钢板的表面结合而形成的一种类型的表面波。因此，瑞利波也具有衰减现象。因此，当获得了在钢板1的表面上的两个点D1和D2处测量的超声波的强度以及两个点之间的距离DL时，能够进行衰减系数的测量，并且使用所测量的衰减系数和常数校正曲线来计算平均晶粒尺寸。
如图2所示，当在与超声振荡点G间隔开预定距离的两个点D1和D2处测量表面波时，能够进行瑞利波衰减系数的测量。在这种情况下，为了在两个测量点D1与D2之间包括足够数目的晶粒尺寸，允许两个测量点具有足够的距离，因此可以提高平均晶粒尺寸的测量等级。
如图2所示，通过在钢板的一个点处生成超声波以后在具有固定距离的两个点处测量表面波的强度来计算衰减系数和平均晶粒尺寸的基本前提是在两个点处的超声测量效率应该相同。作为用于非接触式远程超声测量的激光干涉仪的示例，法布里-珀罗激光干涉仪的测量原理如下所示：
1)将用于测量的激光照射至测量点上；
2)收集由测量点反射的激光以入射在形成干涉仪的谐振器(腔)上；
3)谐振器的两端由具有高反射率的部分反射镜构成，并且流入谐振器中的光通过在两端处的镜被反射多次；
4)在谐振器内被反射多次的相应光彼此干涉以确定通过部分反射镜的光的量；
5)当超声波到达用于测量的激光所照射到的位置时，发生了表面位移并且由于多普勒效应发生了所反射的激光的频移；以及
6)由超声波引起的所反射的激光的频移改变了由于谐振器内的多次反射引起的干涉条件，因此引起了所传送光的量的变化并且从所述变化中获得了超声信号。
通过1)至6)的步骤获得的干涉仪的信号的大小通过由超声波引起的频移的量以及在干涉仪中流动的反射光的量来确定。因此，为了在一致的条件下执行超声强度测量，干涉仪流入光量应该始终是常数。当照射至钢板的用于测量的激光的强度保持固定时，干涉仪流入光量由取决于在测量点处的钢板的反射率(＝入射光量－吸收光量)和表面粗糙度的反射模式来确定。
本公开内容的目的是钢板在诸如电工钢板的薄板的真实生产线中被传输的同时在线计算晶粒尺寸。此处，可以容易地改变一种类型的钢以及薄板的成分、取决于表面清洁度的反射率和表面粗糙度。因此，即使当照射在钢板上的激光的强度始终保持不变时，也可以改变在干涉仪中流动的反射光的强度。
图3是根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置的示意图。
参照图3，与图1中的超声生成单元相比，根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置中的超声生成单元还可以包括部分反射镜6和脉冲会聚头9，以将超声波施加至两个生成点G1和G2。
两个生成点G1和G2以及两个接收点D1和D2可以位于直线上。
换言之，从具有短脉冲宽度的脉冲激光器4生成的脉冲光5在部分反射镜6处被划分成两束脉冲光，并且两束脉冲光分别被传送至两个会聚头8和9。会聚头8和9允许脉冲光在钢板的表面上会聚的同时具有适当的尺寸和形状，从而生成超声波。由用于超声测量的激光器10生成的激光通过两个光纤11和12被传送至两个激光束发射和接收头13和14。激光束发射和接收头13和14将激光会聚在钢板的表面上并且同时收集所反射的激光，从而通过光纤11和12将激光传送至用于超声测量的干涉仪10。
超声生成单元的其他配置以及超声接收单元的配置和晶粒尺寸计算单元的配置与图1的描述中的超声生成单元、超声接收单元以及晶粒尺寸计算单元的配置是相同的，因此，将省略其详细描述。
图4A和图4B是示出了由根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据在钢板的两个点处通过线性激光脉冲生成的表面波的传播距离来测量强度的示意图，并且图5是示出了由根据另一实施方式的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置根据表面波的传播距离的强度测量结果的图。
在本公开内容的另一实施方式中，为了根据如上所述的干涉仪中的入射光量的变化来校正误差，如图4A和图4B所示，分别在钢板表面上的彼此间隔开的两个点G1和G2处同时生成超声波(表面波)以在瑞利波的传播路径上包括多个晶粒尺寸，并且分别在位于两个超声生成点之间的两个点D1和D2处测量连续到达的超声波。因此，得到了总计四个表面波信号，并且可以从根本上修正在振荡位置处的超声强度的变化以及在测量点处的激光反射率的变化对衰减系数的计算的影响。
在这种情况下，允许两个测量点具有足够的距离以在两个测量点D1与D2之间包括足够数目的晶粒尺寸，因此可以提高平均晶粒尺寸的测量等级。
在图5中示出了使用图4A和图4B中的每一个所描述的方法测量的表面波的波形。在图5中测量的四个信号如下所示。在图4A和图4B中，假设L1大于L2。
S11：通过由激光束D1测量通过激光脉冲G1生成的超声波而获得的超声信号强度
S22：通过由激光束D2测量通过激光脉冲G2生成的超声波而获得的超声信号强度
S12：通过由激光束D2测量通过激光脉冲G1生成的超声波而获得的超声信号强度
S21：通过由激光束D1测量通过激光脉冲G2生成的超声波而获得的超声信号强度
根据超声波的生成条件和测量条件，测量信号的强度可以被描述为以下等式。
在等式3中，Sij是通过由激光束Dj测量通过激光脉冲Gi生成的超声波而获得的超声信号，Ai是通过激光脉冲Gi生成的表面波的初始强度，Rj是在测量位置Di处的激光反射率，kj是依据在测量位置Di处的表面粗糙度的反射模式因子，a是衰减系数，并且Lij是表面波的传播距离。根据等式3，可以获得两个测量等式。
根据等式4和等式5，可以获得以下等式6。
利用等式6，根据总计四个超声强度信号，无论例如测量点处的反射率、表面粗糙度等钢板表面条件如何，都可以获得准确的超声衰减系数(a)。
如上所述，根据本公开内容，由于在钢板的至少一个点处生成超声波并且在与该点充分间隔开的两个点处测量表面波的强度，测量穿过足够大的晶粒量的表面波的衰减系数，因此即使当钢板的厚度小时也可以计算出可靠的晶粒尺寸。
如上所述的本发明不限于上述实施方式和附图，但是受限于所附权利要求书，并且本领域技术人员将理解在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明的配置进行各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，包括：
超声生成单元，其将超声波施加至所述钢板的一个点；
超声接收单元，其在与所述钢板的所述一个点间隔开不同距离的两个点处接收经传播的超声波；以及
晶粒尺寸计算单元，其根据传播至所述两个点的超声波的强度以及取决于所述两个点之间的距离的衰减系数来计算所述钢板的平均晶粒尺寸。
2.根据权利要求1所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，所述超声接收单元接收从所述钢板的所述一个点传播至所述两个点的所述超声波中的表面波。
3.根据权利要求1所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，在所述超声接收单元的所述两个点处的超声测量效率相同。
4.根据权利要求1所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，所述超声生成单元使用脉冲激光器生成超声波。
5.一种用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，包括：
超声生成单元，其将超声波施加至所述钢板的两个生成点；
超声接收单元，其在位于所述钢板的所述两个生成点之间的两个接收点处接收经传播的超声波；以及
晶粒尺寸计算单元，其根据传播至所述两个接收点的超声波的强度以及取决于所述两个点之间的距离的衰减系数来计算所述钢板的平均晶粒尺寸。
6.根据权利要求5所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，所述超声接收单元接收从所述钢板的所述两个生成点传播至所述两个接收点的所述超声波中的表面波。
7.根据权利要求5所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，所述晶粒尺寸计算单元根据传播至所述两个接收点的四个表面波信号来计算衰减系数。
8.根据权利要求5所述的用于测量钢板的晶粒尺寸的装置，其中，所述超声生成单元包括在所述两个生成点处生成超声波的脉冲激光器。
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