CN111337171B - 一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法。该方法包括：将有机玻璃楔块、发射换能器、接收换能器固定在涂有耦合剂的被测试样表面上，设置示波器的增益参数，当示波器接收信号幅值稳定时，将试样应力为零时，示波器最先接收到的临界折射纵波信号作为基准信号；将试样应力不为零时，示波器最先接收到的临界折射纵波信号作为检测信号，将基准信号、检测信号传输到信号分析系统中；采集激励信号与最先接收到的临界折射纵波信号之间的信号，将其传输到信号分析系统中，得到噪声的最大幅值，将其作为阈值；对基准信号、检测信号进行线性插值，求得基准信号、测量信号幅值上升部分与阈值的交点，两交点对应的时刻差值即为声时差。

Description

一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法。

背景技术

应力的存在直接影响金属零件的安全性和使用寿命，当零件内部应力较大时，会出现开裂、变形等缺陷，影响零件的正常使用。因此，对零件应力进行无损检测非常关键。

超声波应力检测是最具有发展前途的方法之一，与传统应力检测方法(盲孔法、切槽法、X射线衍射法以及磁测法)相比，具有检测成本低、设备轻便，对人体无害，现场使用方便等特点，利用超声波检测应力，最主要的方法是声速测量法。

超声波在固体介质中的传播有多种类型，根据传播介质中质点的振动方向和声波传播方向是否一致，超声波的波形可以分为纵波、横波、表面波和兰姆波，其中纵波对应力变化最敏感。依据声弹性理论，材料中的应力会影响超声波的传播速度，相对于应力为零时超声波的传播速度，当应力方向与纵波传播方向一致时，拉应力使超声纵波速度变慢，压应力使超声纵波传播速度加快。应力作用下超声波的传播速度变化量非常小，一般情况下难以测量，最常用的办法是测量固定距离内超声波传播时间的变化量(声时差)，通过声时差与应力的线性关系来确定应力大小。由此可见，声时差的测量精度直接影响超声波应力检测结果的可靠性。

超声波应力检测中探头发射的激励信号为周期信号，目前，声时差测量方法主要包括互相关法、峰值法以及零点法。互相关法是将两列存在一定延时的周期信号进行相关分析，当互相关函数取得最大值时，所对应的时间即为延时时间。采样信号的长度及被测件厚度会对互相关算法精度产生很大的影响，当采样信号长度小于一周期时，互相关算法误差较大，当被测件厚度较薄时，接收换能器接收到的信号波形会失真。峰值法是将两列具有一定延时的周期信号波峰极值点时刻进行比较，两信号波峰极值点时刻的差值即为声时差。零点法是将两列具有一定延时的周期信号波形相同位置处过零点时刻进行比较，两信号过零点时刻的差值即为声时差。峰值法、零点法精度受噪声影响较大，并且对信号采集仪器的精度要求较高。

解决上述问题，国内外有关的研究人员大多采用先进检测仪器的方法，由于超声波应力检测过程中，零部件应力引起的声时差变化通常为纳秒级，所以使用采样率精确到纳秒的高端示波器，可以提高声时差的测量精度。

采用高端示波器虽然可以提高声时差的测量精度，但由于其价格昂贵以及设备对环境要求高等因素，很难在实际应用中得到推广普及。

发明内容

本发明提供了一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法，采用易于搭建、经济实用、可现场检测的超声波检测系统，使用采样频率仅为100M/s的示波器，利用本发明提供的方法可对声时差进行精确测量，相比于国内外同行采用互相关算法、峰值法以及零点法测量声时差，本发明提供的方法测量声时差误差显著降低。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于超声波应力检测技术的声时差精确测量方法，检测装置包括有发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)、超声波发生器(4)、数字示波器(5)、数据采集模块(6)、计算机(7)以及信号分析系统(8)，该方法包括：

步骤1)、准备两个相同的金属材料试样，分别标记为基准试样和待测试样，对基准试样进行去应力退火处理；

步骤2)、将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的基准试样表面,发射换能器(1)与接收换能器(3)的间距为30mm，设置数字示波器(5)的增益参数，数字示波器(5)上显示的第一次接收的信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波信号，将其作为基准信号s₀(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤3)、将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)及接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的待测试样表面上，发射换能器(1)与接收换能器(3)的间距为30mm，设置数字示波器(5)的增益参数，待数字示波器(5)上显示的第一次接收的信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波信号，将其作为检测信号s₁(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤4)、本发明提供方法测量声时差的原理为：由于基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)均为正弦周期信号，当阈值a的值介于基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)幅值的最大值和最小值之间，则基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)幅值上升部分与阈值a的交点在一周期内只出现一次，即s₀(t₀)＝a，s₁(t₁)＝a，则声时差△t＝t₁-t₀，由于示波器的采样率为100M/S，为了提高声时差测量精度，需要对基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)分别进行线性插值处理，每两个采样点之间插入19个点，使得相邻采样点的间隔精确到0.5纳秒，由理论分析可知，不考虑噪声对基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)的影响时，本发明提供方法测量声时差的最大误差ξ_max为：

其中,sint_i为发射换能器激励信号函数，t_i为插值时间点，δ_t为插值步长，由上式可知，当插值时间点t_i＝0时，采用本发明提供的方法测量声时差的最大误差最小,因此阈值a的取值应当尽量靠近零点，实际检测过程中，噪声是不可避免的，为了最大限度排除噪声的影响，利用数据采集模块(6)采集示波器(5)接收到的激励信号与临界折射纵波信号之间只包含噪声的信号s₂(t)，并传输到信号处理系统(8)中，利用信号分析系统(8),求得只包含噪声的信号s₂(t)最大幅值为A，取阈值a＝A，可最大限度排除噪声的影响，使声时差测量误差显著降低；

步骤5)、利用信号分析系统(8)对基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)分别进行线性插值处理；

步骤6)、利用信号分析系统(8)，求得基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)幅值上升部分与阈值A的交点，即s₀(t₀)＝A，s₁(t₁)＝A，则检测信号s₁(t)与基准信号s₀(t)的声时差△t＝t₁-t₀；

步骤7)、参照国家标准(GB/T 32073-2015无损检测残余应力超声临界折射纵波方法)标定待测试样的声弹性系数为K，根据公式△t＝Kσ，计算出待测试样的应力σ。

本发明的优点在于：

采用易于搭建、经济实用、可现场检测的临界折射纵波应力检测系统对金属零件应力进行无损检测时，采用本发明提供的方法能够对声时差进行精确测量，减小了由于声时差测量不精确所造成的应力检测结果的误差；

相比于采用高端示波器，本发明在经济性方面更具有明显优势。

附图说明

图1为本发明所要用到的临界折射纵波应力检测系统结构示意图；

图2为本发明的一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法流程图；

图3为本发明所要用到的拉伸试样尺寸示意图；

图4为本发明提供方法测量声时差误差分析图；

图5为本发明提供方法测量声时差最大误差与信号插值区间左端点关系图；

图6为在一个实施例中检测316L不锈钢选区激光熔化成型试样应力，当应力为0MPa时，数据采集模块(6)采集到的临界折射纵波信号图；

图7为在一个实施例中检测316L不锈钢选区激光熔化成型试样应力，当应力为100MPa时，数据采集模块(6)采集到的临界折射纵波信号图；

图8为在一个实施例中检测316L不锈钢选区激光熔化成型试样应力，当应力为200MPa时，利用数据采集模块(6)采集激励信号和临界折射纵波信号之间只包含噪声的信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。

应力的存在直接影响金属零件的安全性和使用寿命，当零件内部应力较大时，会出现开裂、变形等缺陷，影响零件的正常使用。因此，提高应力检测的效率以及准确性成为保证零件质量性能和服役寿命的关键。超声波无损检测技术，具有检测成本低，速度快，设备轻便，对人体无害，现场使用方便等特点，因此本发明采用临界折射纵波无损检测技术对零件应力进行检测。

为了便于理解，采用临界折射纵波对金属材料试样的应力进行检测，首先对实施例中所采用的检测装置进行说明。

如图1所示，所述的检测装置包括发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)、超声波发生器(4)、数字示波器(5)、数据采集模块(6)、计算机(7)、信号分析系统(8)；其中，超声波发生器(4)所发射的激励信号通过所述发射换能器(1)将电信号转换为超声波，超声波透过有机玻璃楔块(2)入射到待检测试样表面，在有机玻璃楔块和试样交界处发生折射，产生沿平行于待测试样表面传播的临界折射纵波，临界折射纵波由接收换能器(3)所接收，将其转化为电信号，由数字示波器(5)对接收到的电信号进行显示和记录；所述的数据采集模块(6)对数字示波器(5)所接收的电信号进行采样，并将采样后的电信号传输到计算机(7)中，由信号分析系统(8)根据本发明提供的方法计算出声时差△t，参照国家标准(GB/T 32073-2015)标定待测试样的声弹性系数为K，根据公式△t＝Kσ，可以计算出待测试样的应力σ。

下面结合上述的检测装置，参考图2，详细说明采用临界折射纵波检测金属零件应力时，应用本发明提供方法测量声时差的过程。

在本发明的一个实施例中，采用316L不锈钢金属粉末，利用选区激光熔化技术制备拉伸试样(标记为试样1)，试样1的尺寸，参考图3，对试样1进行去应力退火处理，在下文中，将采用临界折射纵波法检测试样1的应力。

步骤1)、将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)及接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的试样1表面，发射换能器(1)和接收换能器(3)的距离为30mm，设置数字示波器(5)的增益参数，待数字示波器(5)上显示的第一次接收的信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波信号，将其作为基准信号s₀(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤2)、为了获得不同的应力状态，将试样1固定在拉伸实验机上，将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)及接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的试样1表面，发射换能器(1)和接收换能器(3)的距离为30mm，利用拉伸试验机对试样1施加50MPa的应力，设置数字示波器(5)的增益参数，待数字示波器(5)上显示的第一次接收的信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波传播信号，将其作为检测信号s₁(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤3)、利用拉伸试验机对试样1施加100MPa的应力，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波传播信号，将其作为检测信号s₂(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤4)、利用拉伸试验机对试样1施加150MPa的应力，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波传播信号，将其作为检测信号s₃(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤5)、利用拉伸试验机对试样1施加200MPa的应力，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波传播信号，将其作为检测信号s₄(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤6)、如图8所示，拉伸试验机对试样1施加的应力保持200MPa不变，利用数据采集模块(6)采集示波器(5)接收到的激励信号与临界折射纵波信号之间只包含噪声的信号s₅(t)，并传输到信号处理系统(8)中，利用信号分析系统(8),求得只包含噪声的信号s₅(t)的最大幅值为0.1，取阈值a＝0.1；

步骤7)、利用信号分析系统(8)对基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)、检测信号s₂(t)、检测信号s₃(t)、检测信号s₄(t)分别进行线性插值处理；

步骤8)、利用信号分析系统(8)，求得阈值a与基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)、检测信号s₂(t)、检测信号s₃(t)、检测信号s₄(t)幅值上升部分的交点，即s₀(t₀)＝0.1，s₁(t₁)＝0.1，s₂(t₂)＝0.1，s₃(t₃)＝0.1，s₄(t₄)＝0.1，则检测信号s₁(t)、s₂(t)、s₃(t)、s₄(t)与基准信号s₀(t)的声时差分别为△t₁＝t₁-t₀，△t₂＝t₂-t₀，△t₃＝t₃-t₀，△t₄＝t₄-t₀；

步骤9)、参照国家标准(GB/T 32073-2015无损检测残余应力超声临界折射纵波方法)标定试样1的声弹性系数K＝0.0511，根据公式△t＝0.0511σ，可以计算出拉伸试验机加载应力分别为50MPa、100MPa、150MPa、200MPa时，采用临界折射纵波法检测得到的试样1的应力σ。

为验证本发明提供方法测量声时差的精确度，依次采用互相关法、峰值法以及零点法计算基准信号s₀(t)与检测信号s₁(t)的时间差△t₁，基准信号s₀(t)与检测信号s₂(t)的时间差△t₂，基准信号s₀(t)与检测信号s₃(t)的时间差△t₃、基准信号s₀(t)与检测信号s₄(t)的时间差△t₄，根据公式△t＝0.0511σ，可以计算出拉伸试验机加载应力分别为50MPa、100MPa、150MPa、200MPa时，采用临界折射纵波法检测得到的试样1的应力σ，表1为不同声时差测量方法的应力检测结果。

表1不同声时差测量方法的应力检测结果

从表1中的检测结果可以看出，采用临界折射纵波检测316L不锈钢选区激光熔化成型试样应力时，分别用本发明提供方法、互相关法、峰值法以及零点法测量声时差，本发明提供方法应力检测结果的相对误差最小，也就是说在相同的检测条件下，本发明提供方法测量声时差的精度最高。

本实施案例中，采用本发明提供方法测量声时差，可以有效提高临界折射纵波应力检测结果的可靠性，原因在于：本发明提供方法从理论上分析了声时差最大误差的变化规律，通过合理选择阈值，最大限度排除了噪声的影响，使声时差测量误差显著降低。

Claims (1)

1.一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法，该方法采用的检测装置包括发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)、超声波发生器(4)、数字示波器(5)、数据采集模块(6)、计算机(7)以及信号分析系统(8)，该方法操作步骤包括：

步骤1)、准备两个相同的金属材料试样，分别标记为试样1和试样2，对试样1进行去应力退火处理；

步骤2)、将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的试样1表面上,发射换能器(1)与接收换能器(3)之间的距离为30mm，设置数字示波器(5)的增益参数，待数字示波器(5)上显示的第一次接收的信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波信号，将其作为基准信号s₀(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤3)、将发射换能器(1)、有机玻璃楔块(2)、接收换能器(3)固定在涂有TM-100医用耦合剂的试样2表面上，发射换能器(1)与接收换能器(3)之间的距离为30mm，设置数字示波器(5)的增益参数，待数字示波器(5)上显示的第一次接收信号幅值为满屏的80％，利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)最先接收到的临界折射纵波信号，将其作为检测信号s₁(t)，并传输到信号分析系统(8)中；

步骤4)、利用数据采集模块(6)采集数字示波器(5)接收到的激励信号与临界折射纵波信号之间只包含噪声的信号s₂(t)，并传输到信号分析系统(8)中，利用信号分析系统(8)，求得只包含噪声的信号s₂(t)最大幅值为A，取阈值为A，利用信号分析系统(8)，选取了合适的阈值，确定阈值时，通过理论分析，得到测量声时差的最大误差ξ_max为：

其中，sint_i为发射换能器激励信号函数，t_i为插值时间，δ_t为插值步长，由上式可知,当插值时间t_i＝0时，测量声时差的最大误差最小，因此阈值的取值应当尽量靠近零点；

步骤5)、利用信号分析系统(8)对基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)分别进行线性插值处理；

步骤6)、利用信号分析系统(8)，求得基准信号s₀(t)、检测信号s₁(t)幅值上升部分与阈值A的交点，即s₀(t₀)＝A，s₁(t₁)＝A，则检测信号s₁(t)与基准信号s₀(t)的声时差△t＝t₁-t₀；

步骤7)、标定试样2的声弹性系数为K，根据公式△t＝Kσ，计算出试样2的应力σ。

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