CN112858474A - 一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统，所述方法包括：采用应力测量仪，向测试样本发送超声波并接收超声回波，以生成超声波波谱；根据所述超声波波谱，利用绝对值测定法或相对值测定法，得到所述测试样本的测试区域中心点的应力值，进而得到所述测试样本的应力分布图。本发明通过超声波应力准确检测出陶瓷岩板应力分布状态，对岩板进行预先的筛选或者选择适合切割加工的切割方案，同时对于调整岩板的生产工艺与配方调整都有重要的指导作用。

Description

一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及陶瓷应力测试技术领域，尤其涉及一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统。

背景技术

陶瓷岩板是国内近年来陶瓷行业的热门产品。对于岩板的用途已不仅仅作为陶瓷地板砖，其更多地作为一种应用材料，广泛地应用于家具面板、橱柜定制等多个领域，为了满足各种领域使用常常需要进行加工切割、开孔钻孔、倒角、开槽、水刀等处理，这对岩板的可加工性能提出较高的要求。而目前国内的岩板制造厂商都不可避免地遇到了岩板切割裂的问题，这极大地影响了国内岩板市场的发展。造成岩板切割裂问题的主要原因在于大规格岩板产品中残余应力过大而引起切割过程的破坏，因此对于岩板产品的加工可靠性提出了日益严格的要求。这使得在岩板生产、加工过程中对其残余应力进行准确且快捷的检测显得相当必要。

目前测试残余应力的手段主要有两大类：有损检测与无损检测。其中有损检测有钻孔法、环芯法等，这种方法都属于应力释放法，需要对样品进行加工处理。尽管这类方法的精度较高、准确性较高，但存在制样困难且只能单一区域进行检测；

现有技术存在的缺点：

1)钻孔法效率很低，单个点测试就需要贴应变片、打孔、读数，钻孔后会改变整片岩板的应力分布，无法准确测试整块岩板的应力状态。这种测试手段属于破坏性检测，无法做到逐片检测或者抽检合格后投入使用。一般只适用于表面检测而不能进行体应力检测。

2)环芯法需要对样品测试区域进行加环芯槽加工，制样与操作复杂，同时属于部分破坏性测试，改变了样品周围的应力状态。一般用于表面应力测试

3)射线法只能测试结构完整的晶体上的受力情况，无法测试玻璃相应力。而岩板上存在大量玻璃相和晶格不完整的晶体，无法用X射线测试出应力。由于射线的作用深度限制，一般只适用于测几十微米厚度的表面层应力检测。另外，设备成本较高，射线对人体有害。

4)磁性法只针对具有铁磁性的材料，对于岩板等陶瓷材料并不适用。同时该测试方法的可靠性与精度较差，不适用于较高残余应力检测。

综上，无损检测有X射线衍射法、磁性法以及超声法。X射线衍射法与磁性法都对材料有一定的局限且存在成本高昂的问题。

发明内容

本发明目的在于，提供一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统，以解决现有技术测试效率低、测试精度低且多为破坏性测试的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种陶瓷岩板应力的超声测试方法，包括步骤：

采用应力测量仪，向测试样本发送超声波并接收超声回波，以生成超声波波谱；

根据所述超声波波谱，利用绝对值测定法或相对值测定法，得到所述测试样本的测试区域中心点的应力值，进而得到所述测试样本的应力分布图。

在某一个实施例中，所述绝对值测定法包括步骤：

制作与所述测试样本材料相同的零应力标准样本；

采用所述应力测量仪，得到所述标准样本的超声波波谱和超声波初始传输时间t₀；

通过万能试验机在所述标准样本上施加预设应力，得到相位差和应力关系的比例系数K；

根据所述测试样本的超声波接收时间t和所述标准样本的初始传输时间t₀得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀,

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

在某一个实施例中，所述相对值测定法包括步骤：

预先设定相位差和应力关系的比例系数K为任一常数；

将所述测试样本的任一点作为基准点，通过所述应力测量仪测试得到超声波初始传输时间t₀；

根据所述测试样本的其他测试点的超声波接收时间t与所述初始传输时间t₀，得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀，

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

在某一个实施例中，还包括步骤：将所述测试样本进行等距划分为方形测试区域，所述测试区域的中心点为应力测试点。

在某一个实施例中，还包括步骤：利用耦合剂将所述应力测量仪的超声发生探头与所述测试样本表面进行耦合。

在某一个实施例中，所述耦合剂包括水凝胶、机油、有机硅油、变压器油、润滑脂、动植物油、甘油、水玻璃、工业胶水、化学浆糊、自来水和纯净水中的一种或多种。

在某一个实施例中，所述超声发生探头包括超声发送探头和超声接收探头，所述超声发送探头与所述超声接收探头之间的声波传播方向与所述测试样本或标准样本的预设受力方向保持平衡。

在某一个实施例中，所述超声发生探头包括压电陶瓷圆片。

本发明实施例提供还提供一种陶瓷岩板应力的超声测试系统，应用于上述任一实施例中的陶瓷岩板应力的超声测试方法，包括：应力测量仪、万能试验机和处理器；

所述应力测量仪用于生成测试样本的超声波波谱；

所述万能试验机用于对所述测试样本进行拉伸与压缩应力测试；

所述处理器用于根据所述超声波波谱通过绝对值测定法或相对值测定法计算出应力值，以得出应力分布图。

在某一个实施例中，所述应力测量仪包括超声发送探头、超声接收探头和控制器，所述应力测量仪通过所述超声发送探头发出超声信号和所述超声接收探头接收超声信号，并通过所述控制器处理所述超声信号，得到所述超声波波谱。

本发明实施例的一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统中，通过超声波应力准确检测出陶瓷岩板应力分布状态，对岩板进行预先的筛选或者选择适合切割加工的切割方案，同时对于调整岩板的生产工艺与配方调整都有重要的指导作用。使得陶瓷岩板残余应力测试效率快、测试精度高且为无损检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的流程示意图；

图2是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的测试样本结构图；

图3是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的无应力标准件结构图；

图4是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的无应力标准件实体图；

图5是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的应力曲线图；

图6是本发明某一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的应力分布图；

图7是本发明另一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的测试样本结构图；

图8是本发明另一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的应力曲线图；

图9是本发明另一实施例提供的陶瓷岩板应力的超声测试方法的应力分布图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作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。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种陶瓷岩板应力的超声测试方法，包括步骤：

S10、采用应力测量仪，向测试样本发送超声波并接收超声回波，以生成超声波波谱；

S20、根据所述超声波波谱，利用绝对值测定法或相对值测定法，得到所述测试样本的测试区域中心点的应力值，进而得到所述测试样本的应力分布图。

在本实施例中，选择测试样本，将压电陶瓷材料的超声发生探头置于所述测试样本的测试区域的中心位置，然后保证探头与试样表面耦合，最后保证探头接口固定。接口是影响信号传输的关键环节，检测过程中必须保证接头与线缆连接固定。最后测得所述测试样本的超声波波谱，利用绝对值测定法或相对值测定法得到所述测试样本的测试区域中心点的应力值。所述绝对值测定法是通过制作与所述测试样本材料相同的零应力标准样本，通过所述应力测量仪用同样的方法获得所述标准样本的超声波波谱，通过所述测试样本和所述标准样本的超声波波谱，得到二者的超声波波谱的相位差以及相位差和应力关系的比例系数，再根据材料性质有关的修正系数，计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值。所述相对值测定法，则是为了高效快捷地判定岩板上的应力分布，可采用预先设定的默认比例系数，以岩板中心或者任一点作为基准点测试得到初始时间，测试出该点的超声波形后，通过其他测试点和基准点相位差，计算出相对的应力值。根据得到的应力值可得到岩板上4*9区域的应力分布图，按照应力方向进行正负区分，同时对应力的绝对值大小进行颜色深浅划分得到以下图形化应力分布图。然后根据应力分布情况可以直观地分辨岩板各个区域的应力大小，表征岩板测试样本上应力分布均匀性。根据所述测试样本的应力类型以及分布情况可定性或定量地表征岩板试样的切割可靠性，从相对应力的分布图可以看出该岩板上的正负应力分布不对称，且正应力区域较多且数值偏大，切割过程中产生贯穿裂纹。

在某一个实施例中，所述绝对值测定法包括步骤：

制作与所述测试样本材料相同的零应力标准样本；

采用所述应力测量仪，得到所述标准样本的超声波波谱和超声波初始传输时间t₀；

通过万能试验机在所述标准样本上施加预设应力，得到相位差和应力关系的比例系数K；

根据所述测试样本的超声波接收时间t和所述标准样本的初始传输时间t₀得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀,

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

请参阅图2，在本实施例中，选取规格为1.6m*3.2m*6mm的岩板产品为测试样本，首先对岩板的平整度与表观状态进行筛选，保证样品表面平整且无明显的缺陷存在。然后用颜料笔将整块岩板按照等距等宽的划分原则分成4*8即32个方形区域，并在每个方形区域的中心位置做上标记作为应力测试点。然后制备无应力标准件。

确定探头安置位置。将压电陶瓷材料的超声发生探头置于所述测试样本测试区域的中间位置，使声传播方向与试件受力方向保持平行，声波在探头间传播方向是水平的，受力方向也是水平的。然后保证探头与所述测试样本表面耦合。在探头与所述测试样本之间涂上耦合剂甘油，保证接触界面不存在耦合剂以外的异质，压紧探头把多余的耦合剂挤出。最后保证探头接口固定。接口是影响信号传输的关键环节，检测过程中必须保证接头与线缆连接固定。

请参阅图3和图4，制作与所述测试样本相同材料的零应力平板形标准样本。选择间距为15mm的双探头，在零应力状态下测试超声波在所述标准样本上初始传播时间t₀。通过万能试验机对所述标准样本进行拉伸与压缩应力测试，可得到比例系数K值。保证使用的双探头间距同样为15mm。测试时应力仪从一个探头激发出超声信号，另一个探头接收信号，通过芯片和算法处理，得出双探头之间传播的超声波形。通过超声波波谱可计算得到相位差Δt，带入公式σ＝KαΔt，可得到该区域的绝对应力值。然后，重复上述步骤在岩板试样的其它区域进行逐点检测，得到36个相应区域的应力值。

请参阅图5和图6，根据24个相应区域的应力值可得到岩板上4*9区域的应力分布图，按照应力方向进行正负区分，同时对应力的绝对值大小进行颜色深浅划分得到以下图形化应力分布图。然后根据应力分布情况可以直观地分辨岩板各个区域的应力大小，表征岩板试样上应力分布均匀性。根据试样的应力类型以及分布情况可定性或定量地表征岩板试样的切割可靠性，从相对应力的分布图可以看出该岩板上的正负应力分布不对称，且正应力区域较多且数值偏大，切割过程中产生贯穿裂纹。

在某一个实施例中，所述相对值测定法包括步骤：

预先设定相位差和应力关系的比例系数K为任一常数；

将所述测试样本的任一点作为基准点，通过所述应力测量仪测试得到超声波初始传输时间t₀；

根据所述测试样本的其他测试点的超声波接收时间t与所述初始传输时间t₀，得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀，

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

请参阅图7，在本实施例中，选取规格为1.2m*2.4m*6mm的岩板产品为测试样品，首先对岩板的平整度与表观状态进行筛选，保证样品表面平整且无明显的缺陷存在。然后用颜料笔将整块岩板按照等距等宽的划分原则分成4*6即24个方形区域，并在每个方形区域的中心位置做上标记作为应力测试点。确定探头安置位置。将压电陶瓷材料的超声发生探头置于试样测试区域的中间位置，使声传播方向与试件受力方向保持平行。然后保证探头与试样表面耦合。在探头与试样之间涂上耦合剂纯净水，保证接触界面不存在耦合剂以外的异质，压紧探头把多余的耦合剂挤出。最后保证探头接口固定。接口是影响信号传输的关键环节，检测过程中必须保证接头与线缆连接固定。

采用相对法测定岩板上的应力，首先可采用预先设定的默认比例系数K＝5，然后以岩板中心位置作为基准点并测试得到初始时间t₀，测试出该点的超声波形后，通过其他测试点和基准点相位差，计算出相对的应力值。

首先保证使用的双探头间距同样为20mm。测试时应力仪从一个探头激发出超声信号，另一个探头接收信号，通过芯片和算法处理，得出双探头之间传播的超声波形。通过超声波波谱可计算得到相位差Δt，根据公式σ＝KαΔt即可得到该区域的绝对应力值。然后，重复上述步骤在岩板试样的其它区域进行逐点检测，得到24个相应区域的应力值。

请参阅图8和图9，根据24个相应区域的应力值可得到岩板上4*6区域的应力分布图，按照应力方向进行正负区分，同时对相对应力的绝对值大小进行颜色深浅划分得到以下图形化应力分布图。然后根据应力分布情况可以直观地分辨岩板各个区域的应力大小，表征岩板试样上应力分布均匀性。根据所述测试样本的应力类型以及分布情况可定性或定量地表征岩板测试样本的切割可靠性，从相对应力的分布图可以看出该岩板上的正负应力分布较为对称，切割过程中仅仅在边缘处产生微小裂纹。

在某一个实施例中，还包括步骤：将所述测试样本进行等距划分为方形测试区域，所述测试区域的中心点为应力测试点。

在本实施例中，首先需要选取岩板产品为测试样品，首先对岩板的平整度与表观状态进行筛选，保证所述测试样本表面平整且无明显的缺陷存在。然后用颜料笔将整块岩板按照等距等宽的划分原则分成n方形区域，并在每个方形区域的中心位置做上标记作为应力测试点。

在某一个实施例中，还包括步骤：利用耦合剂将所述应力测量仪的超声发生探头与所述测试样本表面进行耦合。

在本实施例中，需要利用耦合剂将所述应力测量仪的超声发生探头与所述测试样本或所述标准样本(待测样本)之间涂上耦合剂甘油，保证接触界面不存在耦合剂以外的异质，压紧探头把多余的耦合剂挤出。

在某一个实施例中，所述耦合剂包括水凝胶、机油、有机硅油、变压器油、润滑脂、动植物油、甘油、水玻璃、工业胶水、化学浆糊、自来水和纯净水中的一种或多种。

在本实施例中，超声耦合剂包括以水凝胶、机油、有机硅油、变压器油、润滑脂、动植物油、甘油、水玻璃、工业胶水、化学浆糊或自来水、纯净水中的一种或者多种混合制成，选择哪种超声耦合剂取决于使用的环境和是否需要高粘度。

在某一个实施例中，所述超声发生探头包括超声发送探头和超声接收探头，所述超声发送探头与所述超声接收探头之间的声波传播方向与所述测试样本或所述标准样本的预设受力方向保持平行。

在本实施例中，将压电陶瓷材料的超声发生探头置于试样测试区域的中间位置，使声传播方向与试件受力方向保持平衡。

在某一个实施例中，所述超声发生探头包括压电陶瓷圆片。

本发明实施例提供还提供一种陶瓷岩板应力的超声测试系统，应用于上述任一实施例中的陶瓷岩板应力的超声测试方法，包括：应力测量仪、万能试验机和处理器；

所述应力测量仪用于生成测试样本的超声波波谱；

所述万能试验机用于对所述测试样本进行拉伸与压缩应力测试；

所述处理器用于根据所述超声波波谱通过绝对值测定法或相对值测定法计算出应力值，以得出应力分布图。

在某一个实施例中，所述应力测量仪包括超声发送探头、超声接收探头和控制器，所述应力测量仪通过所述超声发送探头发出超声信号和所述超声接收探头接收超声信号，并通过所述控制器处理所述超声信号，得到所述超声波波谱。

在本实施例中，一种陶瓷岩板应力的超声测试系统包括应力测量仪、万能试验机和处理器，应力测量仪包括超声发送探头、超声接收探头和控制器，制备好待测样品后，测试采用所述应力测量仪的超声发生探头，所述超声发送探头和所述超声接收探头间距为10～30mm。测试时应力测量仪从一个探头激发出超声信号，另一个探头接收信号，通过接收探头探测到超声波信号的幅值以及接收到信号的时间可得到幅值与接收时间关系的超声波波形，再有所述控制器生成超声波波谱。

超声在物体内传播时速度是恒定的，当物体受到压应力时，超声声速下降，受拉应力时声速提高，声速和应力的变化是线性关系的。声速的变化会缩短或延长接收探头接收到声波的时间(t-t₀,Δt)，体现在图谱上就是超声波谱发生相位偏移，根据接收时间的变化，计算出物体应力σ。

所述应力测量仪是基于超声波声弹性理论，利用了被测对象中超声波速v与应力σ之间的固有关系并将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测。

ρ₀表示受应力前的密度，k₀声弹性系数，λ和μ为二阶弹性常数，l和m为三阶弹性常数在弹性范围内，应力大小与超声波的传播速度呈线性关系(本来是二次方关系，但因为应力值在10⁶-10⁸之间，所以传播速度的部分近似呈线性关系)，即

σ∝(v-v₀)

而当双探头之间的距离固定时，超声波的传播速度可由接收时间t来表示，因此：可表示为

σ∝(t-t₀)

其次，所述万能试验机用于对所述标准样本进行拉伸与压缩应力测试，从而获得相位差和应力关系的比例系数K。

所述处理器则用于陶瓷岩板应力的超声测试方法的应力值计算，并得到应力分布图。

本发明实施例的一种陶瓷岩板应力的超声测试方法及测试系统中，通过超声波应力准确检测出陶瓷岩板应力分布状态，对岩板进行预先的筛选或者选择适合切割加工的切割方案，同时对于调整岩板的生产工艺与配方调整都有重要的指导作用。使得陶瓷岩板残余应力测试效率快、测试精度高且为无损检测。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，包括步骤：

采用应力测量仪，向测试样本发送超声波并接收超声回波，以生成超声波波谱；

根据所述超声波波谱，利用绝对值测定法或相对值测定法，得到所述测试样本的测试区域中心点的应力值，进而得到所述测试样本的应力分布图。

2.根据权利要求1所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，所述绝对值测定法包括步骤：

制作与所述测试样本材料相同的零应力标准样本；

采用所述应力测量仪，得到所述标准样本的超声波波谱和超声波初始传输时间t₀；

通过万能试验机在所述标准样本上施加预设应力，得到相位差和应力关系的比例系数K；

根据所述测试样本的超声波接收时间t和所述标准样本的初始传输时间t₀得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀,

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

3.根据权利要求1所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，所述相对值测定法包括步骤：

预先设定相位差和应力关系的比例系数K为任一常数；

将所述测试样本的任一点作为基准点，通过所述应力测量仪测试得到超声波初始传输时间t₀；

根据所述测试样本的其他测试点的超声波接收时间t与所述初始传输时间t₀，得到相位差Δt，计算公式如下：

Δt＝t-t₀，

计算出所述测试样本的所述测试区域中心点的应力值σ，公式如下：

σ＝KαΔt，

其中，α为与材料性质有关的修正系数。

4.根据权利要求1所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，还包括步骤：

将所述测试样本进行等距划分为方形测试区域，所述测试区域的中心点为应力测试点。

5.根据权利要求1-2任意一项所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，还包括步骤：

利用耦合剂将所述应力测量仪的超声发生探头与所述测试样本表面进行耦合。

6.根据权利要求5所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，所述耦合剂包括水凝胶、机油、有机硅油、变压器油、润滑脂、动植物油、甘油、水玻璃、工业胶水、化学浆糊、自来水和纯净水中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，所述超声发生探头包括超声发送探头和超声接收探头，所述超声发送探头与所述超声接收探头之间的声波传播方向与所述测试样本或标准样本的预设受力方向保持平行。

8.根据权利要求5所述的陶瓷岩板应力的超声测试方法，其特征在于，所述超声发生探头包括压电陶瓷圆片。

9.一种陶瓷岩板应力的超声测试系统，其特征在于，包括：应力测量仪、万能试验机和处理器；

所述应力测量仪用于生成测试样本的超声波波谱；

所述万能试验机用于对所述测试样本进行拉伸与压缩应力测试；

所述处理器用于根据所述超声波波谱通过绝对值测定法或相对值测定法计算出应力值，以得出应力分布图。

10.根据权利要求9所述的陶瓷岩板应力的超声测试系统，其特征在于，所述应力测量仪包括超声发送探头、超声接收探头和控制器，所述应力测量仪通过所述超声发送探头发出超声信号和所述超声接收探头接收超声信号，并通过所述控制器处理所述超声信号，得到所述超声波波谱。

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