CN114034420A - 一种距离和角度同步可调的联动装置及收发模块及平面应力场检测装置及方法 - Google Patents

一种距离和角度同步可调的联动装置及收发模块及平面应力场检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种距离和角度同步可调的联动装置及收发模块及平面应力场检测装置及方法，涉及超声无损检测领域。现有的超声检测领域中对于平面应力的测量的技术手段存在同一检测仅适用于单一材料，并且无法实现收发换能器的偏转角度一致的缺陷。本申请采用包括距离调节丝杠、角度调节丝杠、左连杆、右连杆、轴柱和柱锁设计的联动装置、以联动装置为基础，加入接收端楔块、接收探头、发射端楔块和发射探头设计的收发模块和基于收发模块加入脉冲发射装置、放大装置和数据采集装置设计的应力检测装置，并提供应力检测装置适用的应力检测方法，根据被测零件调整检测装置收发探头的距离和偏转角度。适用于在机械零部件的加工制造过程中的应力测量应用中。

Description

一种距离和角度同步可调的联动装置及收发模块及平面应力 场检测装置及方法
技术领域
涉及超声无损检测领域，具体涉及一种距离和角度同步可调的联动装置及收发模块及平面应力场检测装置及方法。
背景技术
在机械零部件的加工制造以及使用过程中，应力的产生是及其普遍的，应力主要表现为残余应力和结构承力，这些应力的存在不仅会降低工件的疲劳强度，而且会导致结构在循环载荷的作用下产生变形和开裂等工艺缺陷，在使用过程中更是会使这些损伤加剧，从而导致结构强度和稳定性的大幅下降，因此为了保证结构在服役过程中的安全性，对关键结构定期进行应力检测具有重要意义。基于超声波的声弹性效应，可以实现对被测对象内部应力进行无损检测，在各种模式的超声波中，临界折射纵波对其传播方向的应力敏感度最高，而且测量装置简单，可以实现被测对象平面应力场的快速、高精度在役测量。
2017年发明专利CN201710154020.8中公开了“一种测量各向异性材料平面应力的装置”，该方法基于各向异性三向法，设计了正八边形的超声斜入射楔块，采用六个超声换能器组成三个“一发一收”的结构形式，但是这种方法仅适用于单一材料，如果换一种材料，声速发生变化，即需要重新加工具有不同角度的斜入射装置，增加了测量成本。2019年发明专利 CN110231116A中公开了“一种复合材料表面应力超声测量方法”，该方法设计了可变入射角度的超声测量装置，通过调节换能器偏转角度，可以实现在具有各向异性的复合材料的不同方向激励出临界折射纵波，从而大大提高检测装置的适用范围，但是该装置中两个换能器的距离固定，在测量不同材料或者沿复合材料的不同方向测量时，测量适应性较低，对于速度较大的情况，为了有效辨识声时差，发射探头和接收探头之间的距离应较大；但是对于声速较小的情况，可以减小发射探头和接收探头之间的距离，提高应力检测的空间分辨力。同时该方法中发射换能器的入射角度和接收换能器的接收角度需要分别进行调整，无法精准保证两个换能器的偏转角度一致，从而会影响临界折射纵波接收信号的质量，降低应力检测灵敏度。
发明内容
现有的超声检测领域中对于平面应力的测量的技术手段存在同一检测仅适用于单一材料，并且无法实现收发换能器的偏转角度一致的缺陷。针对上述问题，本申请采用的方案为：
一种距离和角度同步可调的联动装置，所述的装置包括：底座、距离调节丝杠1、角度调节丝杠9、左连杆2、右连杆5、轴柱4和柱锁3；所述距离调节丝杠1的螺杆与底座固定连接，所述的轴柱4为长方体，上半部分有长条形通孔，下半部分有圆形通孔，且所述的长条形通孔和圆形通孔的开口方向相互垂直，所述的轴柱4下半部分的圆形通孔套固在所述距离调节丝杠1的螺杆的中间位置，所述螺杆位于轴柱4两侧的螺纹区域的螺纹相反，所述螺杆两侧的螺纹区域分别设置一个螺母；所述的左连杆2和右连杆5结构相同，均为L型板材，其中一端设置有长条形通孔；所述的左连杆2和右连杆5以轴柱4为中心镜像对称设置，其中，柱锁3依次穿过所述的右连杆5、轴柱4和左连杆2上的长条形通孔，固定三者，且所述的右连杆5和所述的左连杆2的折弯处与底座铰接；所述的角度调节丝杠9的螺杆沿中间分为两部分，所述两部分的螺纹相反，所述两部分分别设置一个螺母，所述两个螺母分别与左连杆2和右连杆5的另一端末端铰接。
进一步，所述的装置还包括：距离调节手轮和角度调节手轮8；所述的距离调节手轮用以带动所述的距离调节丝杠1转动；所述的角度调节手轮8用以带动所述的角度调节丝杠9 转动。
一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块，所述的模块包括：联动结构、接收端楔块6、接收探头7、发射端楔块11和发射探头10；所述的联动结构为权利要求 1或2所述的一种距离和角度同步可调的联动装置；所述接收端楔块6和发射端楔块11镜像对称设置在底座上，且分别与距离调节丝杠1的两个螺母固定连接，所述接收探头7和发射探头10镜像对称设置、分别位于接收端楔块6和发射端楔块11上，所述接收探头7的中部与所述的接收端楔块6通过转轴连接，所述的发射探头10的中部与所述的发射端楔块11通过转轴连接；所述的接收探头7和发射探头10的末端分别于角度调节丝杠9上的两个螺母通过转轴连接，接收探头7和发射探头10的发射端朝向底板下方。
进一步，所述的发射探头10和所述的接收探头7的探头部分为凹面形状。
一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置，所述装置包括：收发模块、脉冲发射装置12、放大装置13和数据采集装置14；所述的收发模块为权利要求3所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块；所述的脉冲发射装置12发射脉冲信号给收发模块中的发射探头10；所述的收发模块中的接收探头7输出的信号经过放大装置13放大之后发送给数据采集装置14；所述的数据采集装置14通过串行通信端口与外部处理单元实现数据交互。
一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，所述方法包括：
发射探头10向待检测零件中发射超声波的步骤；
接收探头7采集所述超声波在所述的待检零件内部传播速度v的步骤；
确定接收探头7和发射探头10之间的距离L的步骤；
采集超声波入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤；
采集所述的零件的LCR波信号的步骤；
采集所述的零应力标准件被拉伸时产生的内应力的步骤；
采集回弹超声波信号的步骤；
采集所述的采集的回弹超声波信号和所述的LCR波信号的声时差的步骤；
通过所述的声时差和所述的内应力进行曲线拟合，得到所述的零件的三个方向的声弹性系数K11、K22和K12的步骤；
在超声波的传播角度分别为0°、45°和90°时，采集测量位置的平面应力场的步骤。
进一步，所述的确定距离L的范围为：
L需满足如下公式：
Figure RE-GDA0003335892700000031
其中，v表示无应力时超声波在被测材料内部传播的速度，v1表示有应力时超声波在被测材料内部传播的速度，t表示单通道高速数据采集装置14的时间分辨力。
进一步，所述的采集超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤具体为：
Figure RE-GDA0003335892700000032
其中，
Figure RE-GDA0003335892700000033
表示超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角，v2表示超声波在楔块中的传播速度，v3表示超声波在零件中的传播速度。
进一步，所述的采集测量位置的平面应力场的步骤具体为：
通过如下公式：
Figure RE-GDA0003335892700000034
其中，Δtθ为超声波沿相对全Δtθ局坐标系角度为θ传播时，有应力的传播与无应力传播的声时差，σ11表示x方向主应力，σ22表示y方向主应力，σ12表示xy方向剪切应力。
一种计算机设备，包括储存器和处理器，所述储存器中储存有计算机程序，当所述的处理器运行所述的储存器中储存的计算机程序时，所述的处理器执行根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法。
本申请的有益之处在于：
本发明面向在役平面应力场测量需求，发明了一种距离可调以及超声换能器偏转角度同步可调的临界折射平面应力场检测装置及方法，在现有机械结构方案基础上，创新性地引入了收发探头联动结构和螺纹丝杠结构，通过这个联动结构和螺纹丝杠结构的相互配合，实现发射探头和接收探头的偏转角度同步可调；同时再添加一个螺纹丝杠结构，将收发两端的楔块进行连接，可以进一步实现收发探头之间的传播距离精确可调，通过机械结构的改进，大大提高了发明装置的适用范围，同时利用多角度测量方案，可以实现被测对象平面应力场的精准测量。
本申请中提供的一种距离和角度同步可调的联动装置的有益之处在于：
1.设计了收发探头之间距离可调以及收发探头偏转角度同步可调的装置，通过旋转距离调整丝杠结构，实现临界折射纵波在收发探头之间的传播距离随意调节的功能，旋转角度调节丝杠结构，实现收发探头偏转角度同步调整的功能；解决了现有技术中存在的单一测量装置只能针对一种被检测材料，无法根据被检测材料的参数调节测量装置中收发探头之间的距离和偏转角度，实现了使用一台测量装置就可以完成对多种被测材料的测量。本装置降低了测量成本，并且让测试过程更简单、快捷。
本申请中提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场测量方法及装置的有益之处在于：
1.本申请提供的检测方法及装置加入了距离和角度同步可调的联动装置，能够根据被测对象的纵波速度以及应力检测分辨力，对临界折射纵波的传播距离进行实时调整，保证了不同被测对象都具有最优的空间分辨力；解决了传统的应力测量装置对不同材料的被测对象均为固定空间分辨力的问题；通过角度同步调节丝杠结构，可以解决现有方法收发探头角度调整复杂且分别调整不一致的问题，保证了可以在接收端得到最优的临界折射纵波信号。
适用于在机械零部件的加工制造过程中的应力测量应用中。
附图说明
图1为本申请提供的一种距离和角度同步可调的联动装置安装在适用的测量装置上的示意图。
图2为本申请提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场测量装置的示意图。
图3为实施方式实施中提到的零应力标准件的示意图；其中，W为标准件y轴方向的长度，L为标准件x轴方向的长度，Fx表示拉伸仪施加的x方向的力，Fy表示拉伸仪施加的y方向的力。
其中，1为距离调节丝杠，2为左连杆，3为柱锁，4为轴柱，5为右连杆，6为接收端楔块，7为接收探头，8为角度调节手轮，9为角度调节丝杠，10为发射探头，11为发射端楔块，12为脉冲发射装置，13为放大装置，14为数据采集装置。
具体实施方式
下面参照附图对本申请进行进一步说明：
实施方式一、参见图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种距离和角度同步可调的联动装置，所述的装置包括：底座、距离调节丝杠1、角度调节丝杠9、左连杆2、右连杆5、轴柱4和柱锁3；所述距离调节丝杠1的螺杆与底座固定连接，所述的轴柱4为长方体，上半部分有长条形通孔，下半部分有圆形通孔，且所述的长条形通孔和圆形通孔的开口方向相互垂直，所述的轴柱4下半部分的圆形通孔套固在所述距离调节丝杠1的螺杆的中间位置，所述螺杆位于轴柱4两侧的螺纹区域的螺纹相反，所述螺杆两侧的螺纹区域分别设置一个螺母；所述的左连杆2和右连杆5结构相同，均为L型板材，其中一端设置有长条形通孔；所述的左连杆2和右连杆5以轴柱4为中心镜像对称设置，其中，柱锁3依次穿过所述的右连杆5、轴柱4和左连杆2上的长条形通孔，固定三者，且所述的右连杆5和所述的左连杆2 的折弯处与底座铰接；所述的角度调节丝杠9的螺杆沿中间分为两部分，所述两部分的螺纹相反，所述两部分分别设置一个螺母，所述两个螺母分别与左连杆2和右连杆5的另一端末端铰接。
实施方式二、参见图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的一种距离和角度同步可调的联动装置的进一步限定，所述的装置还包括：距离调节手轮和角度调节手轮 8；所述的距离调节手轮用以带动所述的距离调节丝杠1转动；所述的角度调节手轮8用以带动所述的角度调节丝杠9转动。
实施方式三、参见图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块，所述的模块包括：联动结构、接收端楔块6、接收探头7、发射端楔块11和发射探头10；所述的联动结构为权利要求1或2所述的一种距离和角度同步可调的联动装置；所述接收端楔块6和发射端楔块11镜像对称设置在底座上，且分别与距离调节丝杠1的两个螺母固定连接，所述接收探头7和发射探头10镜像对称设置、分别位于接收端楔块6和发射端楔块11上，所述接收探头7的中部与所述的接收端楔块6通过转轴连接，所述的发射探头10的中部与所述的发射端楔块11通过转轴连接；所述的接收探头7和发射探头10的末端分别于角度调节丝杠9上的两个螺母通过转轴连接，接收探头7和发射探头10的发射端朝向底板下方。
实时方式四、参见图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三提供的一种距离和角度同步可调的中博应力检测装置的收发模块的进一步限定，所述的发射探头10和所述的接收探头7的探头部分为凹面形状。
实施方式五、参见图2说明本实施方式，本实施方式提供了一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置，所述装置包括：收发模块、脉冲发射装置12、放大装置13和数据采集装置14；所述的收发模块为权利要求3所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块；所述的脉冲发射装置12发射脉冲信号给收发模块中的发射探头10；所述的收发模块中的接收探头7输出的信号经过放大装置13放大之后发送给数据采集装置14；所述的数据采集装置14通过串行通信端口与外部处理单元实现数据交互。
具体的：
高频高压负尖波脉冲发射装置12的输出信号与超声发射探头相连接，激励出对应发射探头10中心频率的超声波，根据楔块与被测材料的纵波速度设置超声波的入射角度满足第一临界折射定律时，在被测对象内部产生临界折射纵波；发射探头10与接收探头7的角度是通过角度调整丝杠和收发探头联动机构进行同步调节的，可以精确保证两者偏转角度完全相同，此时接收探头7得到的信号质量最优，接收探头7输出的信号幅值一般为几毫伏甚至更小，所以接收探头7的信号连接到高带宽接收放大装置13，进行一级模拟放大，同时根据目标信号的频率范围，设置低通滤波器和高通滤波器，滤除信号中的杂散噪声；经过预处理的信号连接到单通道高速数据采集装置14，先经过模数转换器，转换为数字信号，然后在主控芯片 FPGA的控制下，通过USB3.0的通信方式将数据实时传输到PC机中进行数据处理，PC机可以选择将信号存储进行离线处理或者对信号进行在线处理。
实施方式六、本实施方式提供了一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，所述方法包括：
发射探头10向待检测零件中发射超声波的步骤；
接收探头7采集所述超声波在所述的待检零件内部传播速度v的步骤；
确定接收探头7和发射探头10之间的距离L的步骤；
采集超声波入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤；
采集所述的零件的LCR波信号的步骤；
采集所述的零应力标准件被拉伸时产生的内应力的步骤；
采集回弹超声波信号的步骤；
采集所述的采集的回弹超声波信号和所述的LCR波信号的声时差的步骤；
通过所述的声时差和所述的内应力进行曲线拟合，得到所述的零件的三个方向的声弹性系数K11、K22和K12的步骤；
在超声波的传播角度分别为0°、45°和90°时，采集测量位置的平面应力场的步骤。
具体的，本实施方式需要提前对零件通过冷热循环时效处理和振动时效反复处理，得到零应力标准件，对零应力标准件进行检测。
实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法的进一步限定，所述的确定距离L的范围为：
L需满足如下公式：
Figure RE-GDA0003335892700000071
v表示无应力时超声波在被测材料内部传播的速度，v1表示有应力时超声波在被测材料内部传播的速度，t表示单通道高速数据采集装置14的时间分辨力。
对零件加工完成后，通过冷热循环时效处理与振动时效反复处理，消除被测对象内部的残余应力，此时可认为被测对象为零应力标准件。
实施方式八、本实施方式是对实施方式六提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法的进一步限定，所述的采集超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤具体为：
Figure RE-GDA0003335892700000072
其中，
Figure RE-GDA0003335892700000073
表示超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角，v2表示超声波在楔块中的传播速度，v3表示超声波在零件中的传播速度。
根据超声波速度与应力的近似关系，以及应力检测的分辨力，通过公式
Figure RE-GDA0003335892700000074
即可计算收发探头之间的近似距离，接下来利用距离调整机构对两者进行精确定位。完成收发探头距离设置后，进行收发探头偏转角度设置，超声波由一种材料通过边界面传播到另一种材料时，会发生模态转换，即入射波为纵波时，折射波既有纵波又有横波，因为纵波的传播速度快，且纵波的振动方向与传播方向一致，纵波对其传播方向的应力敏感度最高，所以根据Snell定律，计算超声波由楔块入射到被测对象时的第一临界折射角。
实施方式九、本实施方式是对实施方式六提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法的进一步限定，所述的采集测量位置的平面应力场的步骤具体为：
通过如下公式：
Figure RE-GDA0003335892700000081
其中，Δtθ为超声波沿相对全局坐标系角度为θ传播时，有应力的传播与无应力传播的声时差，σ11表示x方向主应力，σ22表示y方向主应力，σ12表示xy方向剪切应力。
利用角度同步调整机构，将两个探头的角度调整到实施方式八中提供的公式计算得到的偏转角度。完成上述基本设置后，开始采集零应力标准件的LCR波信号作为参考信号。因为要通过一次测量得到两个平面主应力和一个平面剪切应力，需要列写三个方程，求解三个未知数，所以分别设置超声波传播方向相对全局坐标系的角度θ为0°、45°和90°，测量三种情况下的无应力参考数据。
通过拉伸仪对给被测对象施加外力，使被测对象内部产生均匀的应力场，为了保证声弹性系数标定的准确性，设置不同的拉伸条件进行多次测量，如仅在x方向施加应力，仅在y 方向施加应力，同时在x方向和y方向施加应力，获取实测信号，然后通过互相关算法计算实测信号相对参考信号的声时差，对拉伸产生的内应力和声时差进行曲线拟合，得到被测对象的三个方向的声弹性系数，分别是K11、K22和K12，因为声弹性系数应为常值，所以对多次测量得到的结果取平均，可以提高标定结果的准确性。
根据公式本实施方式中提供的公式，在实际检测时令超声波的传播角度θ分别为0°、 45°和90°时，得到三个与平面应力有关的方程，联立三个方程即可确定测量位置的平面应力场。
实施方式十、本实施方式提供了一种计算机设备，包括储存器和处理器，所述储存器中储存有计算机程序，当所述的处理器运行所述的储存器中储存的计算机程序时，所述的处理器执行根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法。
实施方式十一、参见图3说明本实施方式，本实施方式是对本申请提供的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法提供一个具体的实施方式；
首先根据检测装置目标偏转角度范围和收发探头距离范围设计检测装置的关键零部件，根据装置中使用的弧形楔块的半径，选择合适的凹面换能器，利用凹面换能器自身的聚焦性能，提高临界折射纵波信号发射能量，从而有效保证接收换能器信号的信噪比，将收发换能器与变角度和变距离装置进行组装；
然后集成超声脉冲收发系统，利用单通道高频高压脉冲装置发射负尖波脉冲，激励发射探头10在被测对象内部产生临界折射纵波，将接收通道的探头与高带宽接收放大装置13进行连接，经过一级模拟放大与滤波后，利用单通道高速数据采集装置14对接收信号进行采集，将采集到的信号通过PCIE总线实时发送到PC端进行数据处理；
最后，通过双轴拉伸试验，分别标定两个平面主应力和一个平面剪切应力的声弹性系数，在实际测量时，根据实测信号与参考信号的声时差的变化，完成被测对象的平面应力测量。
具体为：
在常温条件下，超声纵波在有机玻璃楔块中的传播速度为2730m/s，被测对象为铝板，其为各向同性材料，纵波在其内部传播的速度为6300m/s，100MPa的应力大约引起超声波传播速度1％的变化，系统中使用的高速数据采集装置14时间分辨力为1ns，应力检测分辨力为 5MPa，根据实施方式七中提供的公式可以计算收发探头的传播距离最小大约是12.6mm，为了使用方便，距离调整丝杠进行整圈数调整，因此距离调整丝杠的螺纹间距加工为0.1mm，从而通过调整螺纹丝杠结构保证收发探头传播距离为12.6mm。然后根据实施方式八中提供的公式计算此时超声波的第一临界折射角为25.68°，为了降低加工成本，令角度同步调节丝杠和距离调节丝杠1具有相同的螺纹间距，角度同步调节丝杠每次可以进行1/3圈调整，令收发探头联动结构的臂长为20mm，则可以计算上述结构最小可以调整的角度为0.095°，在这个角度范围内，基本可以认为收发探头的偏转角度已经高度一致，从而可以实现在接收端得到最优的临界折射纵波信号。
将高频高压负尖波脉冲发射装置12、发射探头10、接收探头7、高带宽接收放大装置13 以及高速数据采集装置14按照技术方案中的方式连接，设置脉冲发射装置12的脉冲重复频率为100Hz，采集超声波信号时，一般采集10次，然后对采集到的信号进行平滑滤波，降低信号中的高斯白噪声。
利用实际测量时的材料制成如图所示的标准拉伸件，进行相应的零应力处理，先采集零应力标准件不同传播方向的信号，存储起来作为参考信号，接下来利用拉伸仪对零应力标准件进行阶梯式拉伸，设置三种拉伸情况，第一种为在x方向进行拉伸，第二种为在y方向进行拉伸，第三种为在x方向和y方向同时进行拉伸，在每种拉伸情况下，均对标准件进行三个超声波传播角度方向的测量，及相对全局坐标轴分别为0°，45°和90°方向，根据每次测量得到的结果，计算被测材料的声弹性常数，然后对多次测量结果取平均值，得到最终标定的声弹性常数K11，K22和K12。最后对被测对象进行测量时，得到三个方向传播下，被测对象相对零应力标准件的传播声时差，然后建立实施方式九中的三个方程组，联立方程组即可确定测量位置的平面应力场。
本申请提出的距离可调以及角度同步可调测量装置有效保证了不同测量对象的最优空间分辨力，同时解决了超声探头收发角度调整复杂以及角度不一致的问题，有效提高了检测装置的适用范围，而且建立多角度平面应力场测量方法，通过联立三个方程，可以完整得到被测对象的平面应力场。
实施方式十二、参见图1说明本实施方式，本实施方式提供了本申请中提供的一种距离和角度同步可调的联动装置的安装方法及步骤，具体为：
根据偏转角度范围和收发探头距离范围设计检测装置的关键零部件尺寸参数，然后根据角度以及距离的调整精度，确定关键零部件的几何加工精度。在进行零部件装配时，首先将柱锁3安装在底座上，距离调节丝杠1穿过柱锁3，收发端的发射端楔块11和接收端楔块6 通过距离调节丝杠1结构进行连接，发射端楔块11所在丝杠位置加工正向螺纹，接收端楔块 6所在丝杠位置加工反向螺纹，然后朝一个方向旋转丝杠，保证发射端楔块11和接收端楔块 6朝两个不同的方向运动，且两个楔块移动的相对距离相同，确认上述步骤后，继续安装联动结构，联动结构包括：左连杆2、右连杆5、轴柱4和柱锁3；保证联动结构为固定状态，左右侧联动结构为可以自由旋转的状态，确定上述结构无机械干涉后，通过上下移动柱锁3，保证左右两侧的联动结构同步旋转后，下一步安装收发探头7和10，最后利用角度同步调节丝杠9将收发探头串联起来，同样地，发射探头10所在丝杠位置加工正向螺纹，接收探头7 所在丝杠位置加工反向螺纹，通过手轮8使丝杠朝一个方向运动，保证收发探头朝两个方向运动，且相对偏转角度一致后，即可锁定目前楔块位置和探头位置，完成测量装置的装调。
实施方式十三、参见图1说明本实施方式，本实施方式提供了本申请中提供的一种距离和角度同步可调的联动装置的调整方法及步骤，具体为：
本发明的主要优点在于设计了收发探头距离可调以及收发探头偏转角度同步可调的超声应力测量装置，通过距离调整丝杠结构，可以实现临界折射纵波在收发探头之间的传播距离可调，距离调整范围由收发探头联动结构和距离调节丝杠1长度共同决定，可以在实际测量时根据需求进行设计，距离调整精度由螺纹丝杠的加工精度和其旋转角度精度共同决定，假设螺纹丝杠的螺纹间距为L，丝杠最小旋转角度为φ，则距离调整机构的距离步进为：
ΔL＝Lφ/2π
可以根据被测对象的纵波速度以及应力检测分辨力φ，对临界折射纵波的传播距离进行实时调整，保证了不同被测对象可以具有最优的空间分辨力；解决了传统的应力测量装置对不同材料的被测对象均为固定空间分辨力的问题；通过角度同步调节丝杠结构，可以解决现有方法收发探头角度调整复杂且分别调整不一致的问题，保证了可以在接收端得到最优的临界折射纵波信号，收发探头角度调整精度由丝杠间距、丝杠旋转角度以及收发探头联动结构臂的长度共同决定，假设螺纹丝杠的螺纹间距为L，丝杠最小旋转角度为φ，联动结构臂长为 D，则角度调整机构的步进为：
Δθ＝Lφ/(D×2π)
通过设计上述结构的关键参数，可以保证收发探头偏转角度的精准调整，大大提高了两个探头偏角的一致性。在上述两个改进的基础上，大大提高了超声波在役测量的应用范围。同时通过多角度传播方向的声时差测量，建立了一种平面应力场测量方法，分别利用超声波沿三个方向的传播声时差与三个方向应力之间的关系，建立三元一次方程组，联立方程即可得到测量位置的平面应力场。后续可以考虑将现有测量装置集成到六自由度机械臂上，同时机械臂上可以安装线阵CCD传感器，通过CCD传感器可以确定被测对象的三维轮廓信息，然后制定扫描方案，最终实现机械臂辅助的超声平面应力场自动化扫描。
以上通过具体实施方式对本申请进行详细说明，但以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则范围之内所作的任何修改、实施方式的组合、等同替换和改进等，均应当包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种距离和角度同步可调的联动装置，其特征在于，所述的装置包括：底座、距离调节丝杠(1)、角度调节丝杠(9)、左连杆(2)、右连杆(5)、轴柱(4)和柱锁(3)；所述距离调节丝杠(1)的螺杆与底座固定连接，所述的轴柱(4)为长方体，上半部分有长条形通孔，下半部分有圆形通孔，且所述的长条形通孔和圆形通孔的开口方向相互垂直，所述的轴柱(4)下半部分的圆形通孔套固在所述距离调节丝杠(1)的螺杆的中间位置，所述螺杆位于轴柱(4)两侧的螺纹区域的螺纹相反，所述螺杆两侧的螺纹区域分别设置一个螺母；所述的左连杆(2)和右连杆(5)结构相同，均为L型板材，其中一端设置有长条形通孔；所述的左连杆(2)和右连杆(5)以轴柱(4)为中心镜像对称设置，其中，柱锁(3)依次穿过所述的右连杆(5)、轴柱(4)和左连杆(2)上的长条形通孔，固定三者，且所述的右连杆(5)和所述的左连杆(2)的折弯处与底座铰接；所述的角度调节丝杠(9)的螺杆沿中间分为两部分，所述两部分的螺纹相反，所述两部分分别设置一个螺母，所述两个螺母分别与左连杆(2)和右连杆(5)的另一端末端铰接。
2.根据权利要求1所述的一种距离和角度同步可调的联动装置，其特征在于，所述的装置还包括：距离调节手轮和角度调节手轮(8)；所述的距离调节手轮用以带动所述的距离调节丝杠(1)转动；所述的角度调节手轮(8)用以带动所述的角度调节丝杠(9)转动。
3.一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块，其特征在于，所述的模块包括：联动结构、接收端楔块(6)、接收探头(7)、发射端楔块(11)和发射探头(10)；所述的联动结构为权利要求1或2所述的一种距离和角度同步可调的联动装置；所述接收端楔块(6)和发射端楔块(11)镜像对称设置在底座上，且分别与距离调节丝杠(1)的两个螺母固定连接，所述接收探头(7)和发射探头(10)镜像对称设置、分别位于接收端楔块(6)和发射端楔块(11)上，所述接收探头(7)的中部与所述的接收端楔块(6)通过转轴连接，所述的发射探头(10)的中部与所述的发射端楔块(11)通过转轴连接；所述的接收探头(7)和发射探头(10)的末端分别于角度调节丝杠(9)上的两个螺母通过转轴连接，接收探头(7)和发射探头(10)的发射端朝向底板下方。
4.根据权利要求3所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块，其特征在于，所述的发射探头(10)和所述的接收探头(7)的探头部分为凹面形状。
5.一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置，其特征在于，所述装置包括：收发模块、脉冲发射装置(12)、放大装置(13)和数据采集装置(14)；所述的收发模块为权利要求3所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测装置的收发模块；所述的脉冲发射装置(12)发射脉冲信号给收发模块中的发射探头(10)；所述的收发模块中的接收探头(7)输出的信号经过放大装置(13)放大之后发送给数据采集装置(14)；所述的数据采集装置(14)通过串行通信端口与外部处理单元实现数据交互。
6.一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，其特征在于，所述方法包括：
发射探头(10)向待检测零件中发射超声波的步骤；
接收探头(7)采集所述超声波在所述的待检零件内部传播速度v的步骤；
确定接收探头(7)和发射探头(10)之间的距离L的步骤；
采集超声波入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤；
采集所述的零件的LCR波信号的步骤；
采集所述的零应力标准件被拉伸时产生的内应力的步骤；
采集回弹超声波信号的步骤；
采集所述的采集的回弹超声波信号和所述的LCR波信号的声时差的步骤；
通过所述的声时差和所述的内应力进行曲线拟合，得到所述的零件的三个方向的声弹性系数K11、K22和K12的步骤；
在超声波的传播角度分别为0°、45°和90°时，采集测量位置的平面应力场的步骤。
7.根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，其特征在于，所述的确定距离L的范围为：
L需满足如下公式：
Figure RE-FDA0003335892690000021
其中，v表示超声波在被测材料内部传播的速度，v表示无应力时超声波在被测材料内部传播的速度，v1表示有应力时超声波在被测材料内部传播的速度，t表示单通道高速数据采集装置(14)的时间分辨力。
8.根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，其特征在于，所述的采集超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角的步骤具体为：
Figure RE-FDA0003335892690000022
其中，
Figure RE-FDA0003335892690000023
表示超声波由楔块入射到所述的零件时的第一临界折射角，v2表示超声波在楔块中的传播速度，v3表示超声波在零件中的传播速度。
9.根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法，其特征在于，所述的采集测量位置的平面应力场的步骤具体为：
通过如下公式：
Figure RE-FDA0003335892690000031
其中，Δtθ为超声波沿相对全局坐标系角度为θ传播时，有应力的传播与无应力传播的声时差，σ11表示x方向主应力，σ22表示y方向主应力，σ12表示xy方向剪切应力。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括储存器和处理器，所述储存器中储存有计算机程序，当所述的处理器运行所述的储存器中储存的计算机程序时，所述的处理器执行根据权利要求6所述的一种距离和角度同步可调的平面应力场检测方法。
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