CN114112132B - 一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法，系统包括激光光源模块、波长调制模块、信号检测处理模块和机械运动模块，所述激光光源模块，用于产生测量用激光；所述波长调制模块，用于调制所述激光生成不同深度的表面波；信号检测处理模块，用于利用所述表面波测量梯度残余应力；所述机械运动模块，用于精确控制超声信号接收位置，所述激光光源模块分别与所述波长调制模块、所述信号检测处理模块连接，所述信号检测处理模块和所述机械运动模块连接。本发明能够进行梯度分布残余应力的精细测量，提高了检测的精度和适用范围。

Description

一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法

技术领域

本发明涉及残余应力测量技术领域，特别是涉及一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法。

背景技术

残余应力的大小以及分布规律直接影响到航天航空、航海、能源、化工等领域工业产品的质量和使用寿命，因此对残余应力的快速、准确、精细检测十分重要。现有的残余应力测试方法大致可分为物理测试法和机械测试法两大类。机械测试法包括切槽法、钻孔法、剥层法等，原理是把材料中具有残余应力的部分用机械的方法进行切割和分离，测量残余应力释放而产生的弹性变形，然后根据弹性力学知识求得残余应力的分布和大小。物理测试法主要包括X射线衍射法、磁性法、超声波法，原理是测量残余应力所引起的某些间接物理量的变化，然后根据相关知识(布拉格衍射效应、磁致伸缩效应、声弹性理论)求得残余应力的分布和大小。

但是，机械测试法实时性较差，并且不可避免的对被测样品造成一定的破坏。X射线的穿透深度有限，在测量内部残余应力时必须破坏材料进行剥层。磁性法的可靠性和测量精度比较差，仅适用于铁磁材料且对材料有磁污染。超声法需要耦合剂，且不适合高温环境和复杂曲面构件的残余应力检测。上述方法均无法实现梯度分布残余应力的精细测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够进行梯度分布残余应力的精细测量，提高了检测的精度和适用范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于：包括激光光源模块、波长调制模块、信号检测处理模块和机械运动模块，

所述激光光源模块，用于产生测量用激光；

所述波长调制模块，用于调制所述激光生成不同深度的表面波；

信号检测处理模块，用于利用所述表面波测量梯度残余应力；

所述机械运动模块，用于精确控制超声信号接收位置；

所述激光光源模块分别与所述波长调制模块、所述信号检测处理模块连接，所述信号检测处理模块和所述机械运动模块连接。

可选地，所述激光光源模块包括激光装置、控制单元、光电探测器、激光线反射镜、平凸柱面透镜，所述激光装置与所述控制单元连接，所述激光装置的输出端与所述激光线反射镜的输入端连接，所述所述激光装置的输出端还与所述光电探测器连接，所述激光线反射镜的输出端与所述平凸柱面透镜的输入端连接，所述所述光电探测器与所述信号检测处理模块连接。

可选地，所述波长调制模块包括激光光栅。

可选地，所述信号检测处理模块包括激光多普勒振动装置、探头和数字示波装置，所述激光多普勒振动装置分别与所述探头、所述数字示波装置连接，所述探头还与所述机械运动模块连接。

可选地，所述机械运动模块包括运动控制单元、运动控制单元平台和上位机，所述运动控制单元分别与所述运动控制单元平台、所述上位机连接，所述所述运动控制单元平台还与所述探头连接。

可选地，所述激光装置采用Nd：YAG激光器。

还提供一种激光超声测量梯度残余应力的方法，包括以下步骤：

激光光源模块生成激光；

改变波长调制模块的狭缝宽度，调节所述激光，获得不同波长的表面波；

基于所述表面波，检测梯度残余应力。

可选地，所述狭缝宽度与所述超声波的波长相等。

可选地，基于所述表面波，检测梯度残余应力包括：

计算所述表面波的频率，如式(1)所示：

c＝λf (1)

其中，c为表面波的波速，λ为表面波的波长，f为表面波的频率；

基于所述频率，计算所述表面波的入射深度，如式(2)所示：

h＝αf^-0.96 (2)

其中，h为表面波的入射深度(mm)，α为修正系数，f为表面波的频率(MHz)；

基于所述入射深度，结合声弹性理论，检测所述残余应力。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种激光超声测量梯度残余应力的系统和方法，运用不同狭缝宽度的激光光栅，将原始激光转化为窄带宽激光，对激光激发的表面波波长进行调控，得到可调控入射深度的表面波，利用不同入射深度的表面波，对不同深度的残余应力进行检测，采用逐差法，得到材料内部精细准确的梯度残余应力分布，实现了对梯度分布残余应力精细测量，并且该方法无损、非接触、可适性强、精度高。

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为本发明实施例中激光超声测量梯度残余应力系统的结构示意图；

图2为激光光栅的工作原理示意图；

图3为本发明实施例中激光超声测量梯度残余应力的方法流程示意图；

图4为本发明实施例中检测待测试件内部的三层梯度残余应力示意图。

其中，1为Nd:YAG激光器，2为控制板，3为光电探测器、4为Nd:YAG激光线反射镜、5为平凸柱面透镜、6为激光光栅，7为激光多普勒振动计，8为探头，9为数字示波器，10为运动控制器，11为运动平台，12为控制计算机，13为检测待测试件。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种激光超声测量梯度残余应力的系统，如图1所示该系统包括激光光源模块、波长调制模块、信号检测处理模块和机械运动模块，激光光源模块、波长调制模块、信号检测处理模块和机械运动模块，激光光源模块分别与波长调制模块、信号检测处理模块连接，信号检测处理模块和机械运动模块连接。

激光光源模块，用于产生检测所用的激光。激光光源模块包括Nd:YAG激光器1、控制板2、光电探测器3、Nd:YAG激光线反射镜4、和平凸柱面透镜5，Nd:YAG激光器1与控制板2连接，控制板2用于控制Nd:YAG激光器1的工作状态，Nd:YAG激光器1的输出端与Nd:YAG激光线反射镜4的输入端相连，Nd:YAG激光器1产生的激光经Nd:YAG激光线反射镜4反射后经过平凸柱面透镜5进入波长调制模块，光电探测器3对Nd:YAG激光器1激发的激光进行实时监测，获得激光超声的同步参考信号，并将信号传输至信号检测处理模块，结合探头8探测得到的超声波信号，计算得到表面波传播速度，进而依据声弹性理论计算残余应力。

波长调制模块，用于对激光进行调节，生成不同深度的表面波。波长调制模块包括激光光栅6，激光通过激光光栅6最终在待测试件13的表面激发超声波，从而生成检测用的表面波。为调整激发的超声波的波长，本实施例中，选取不同狭缝宽度的激光光栅6。Nd:YAG激光器1激发的激光通过激光光栅6的作用，在待测试件13表面激发波长可调的超声波，即可在待测试件13表面生成不同入射深度的表面波，如图2所示。相邻两支窄带宽激光的中心间距即为其激发表面波的波长λ，该波长λ与激光光栅的狭缝宽度相等。

信号检测处理模块包括激光多普勒振动计7、探头8和数字示波器9，激光多普勒振动计7分别与探头8、数字示波器9连接，在本实施例中，数字示波器9包括2个通道，激光多普勒振动计7与数字示波器的通道2相连，数字示波器的通道1与光电探测器3连接。探头8还与机械运动模块连接，探头8用于调整并发射探测激光，检测被测试样表面的超声信号，结合光电探测器3提供的激光超声同步参考信号，计算得到表面波传播速度，进而依据声弹性理论计算残余应力。

机械运动模块包括运动控制器10、运动平台11和控制计算机12，运动平台11、运动控制器10、控制计算机12依次连接，运动平台11上固定设置探头8，控制计算机12发出运动指令，运动控制器10接受运动指令并完成信号转换对运动平台11实施运动控制，探头8随云动平台11横向移动，对被测试样表面目标位置的超声信号进行检测。

利用激光超声测量梯度残余应力系统进行梯度残余应力检测的方法包括以下步骤，如图3所示：

S1、利用激光激发模块，产生用于检测的激光。

S2、采用不同狭缝宽度的激光光栅6，利用激光，在待测试件13的表面生成不同深度的表面波。

S3、利用不同深度的表面波，对待测试件13内部的残余应力进行检测。

在表面波的波长已知时，表面波的波速、波长、频率的关系为

c＝λf (1)

式中，c为表面波的波速(m/s)，λ为表面波的波长(nm)，f为表面波的频率(MHz)，按照式(1)可获得表面波的频率，

根据表面波的频率，表面波的入射深度如式(2)所示：

h＝αf^-0.96 (2)

式中，h为表面波的入射深度(mm)，α为修正系数，f为表面波的频率(MHz)。

结合声弹性理论，根据不同入射深度的表面波，对待测试件13的不同深度残余应力进行检测。

根据声弹性理论，材料内部的残余应力与表面波的理论波速、表面波的实际波速满足的关系为如式(3)-(4)所示：

式中v₀为无应力状态下表面波的理论波速，下标1、2表示材料的主应力方向，v₁和v₂分别为两个主应力方向的表面波波速，A₁和A₂分别为两个方向的声弹性常数，σ₁和σ₂分别为两个方向的材料内部残余应力。

采用多点平均逐差法，对材料内部的表面波波速进行检测。

如图4所示，本实施例中，在待测试件13表面激发波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的三种模态的表面波，h₁、h₂、h₃分别为三种表面波的入射深度。根据声弹性理论，即可分别测得待测试件13内部三种深度的残余应力σ₁、σ₂、σ₃。对三种入射深度h₁、h₂、h₃的残余应力进行逐差处理，即可分别得到h₁、h₂-h₁、h₃-h₂-h₁各梯度深度的残余应力，分别为σ₁、σ₂-σ₁、σ₃-σ₂-σ₁。

本发明使用不同狭缝宽度的激光光栅，得到不同入射深度的表面波，结合声弹性理论，即实现可调控的残余应力的梯度检测，得到材料内部精细准确的残余应力场分布。

本发明的激光超声测量梯度残余应力的系统，使用波长调制模块，改变超声激发激光几何与物理特性，进而产生不同入射深度的表面波，为梯度分布残余应力测试提供有效的实验方法。同时本发明所述的梯度分布残余应力的计算方法，也是实现梯度分布残余应力声弹性表征与反演的关键方法。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于：包括激光光源模块、波长调制模块、信号检测处理模块和机械运动模块，

所述激光光源模块，用于产生测量用激光；

所述波长调制模块，用于调制所述激光生成不同深度的表面波，包括若干激光光栅(6)，所述激光光栅(6)的狭缝宽度不同；

信号检测处理模块，用于利用所述表面波测量梯度残余应力；

所述机械运动模块，用于精确控制超声信号接收位置；

所述激光光源模块分别与所述波长调制模块、所述信号检测处理模块连接，所述信号检测处理模块和所述机械运动模块连接。

2.根据权利要求1所述的激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于，所述激光光源模块包括激光装置、控制单元、光电探测器(3)、激光线反射镜、平凸柱面透镜(5)，所述激光装置与所述控制单元连接，所述激光装置的输出端与所述激光线反射镜的输入端连接，所述激光装置的输出端还与所述光电探测器(3)连接，所述激光线反射镜的输出端与所述平凸柱面透镜(5)的输入端连接，所述光电探测器(3)与所述信号检测处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于，所述信号检测处理模块包括激光多普勒振动装置、探头(8)和数字示波装置，所述激光多普勒振动装置分别与所述探头(8)、所述数字示波装置连接，所述探头(8)还与所述机械运动模块连接。

4.根据权利要求3所述的激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于，所述机械运动模块包括运动控制单元、运动控制单元平台和上位机，所述运动控制单元分别与所述运动控制单元平台、所述上位机连接，所述运动控制单元平台设置所述探头(8)，所述运动控制单元与所述探头(8)连接。

5.根据权利要求2所述的激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于，所述激光装置采用Nd:YAG激光器。

6.一种激光超声测量梯度残余应力的方法，利用所述权利要求1-5任一所述激光超声测量梯度残余应力的系统，其特征在于，包括以下步骤:

激光光源模块生成激光；

改变波长调制模块的狭缝宽度，调节所述激光，获得不同入射深度的表面波；

基于所述表面波，检测梯度残余应力。

7.根据权利要求6所述的激光超声测量梯度残余应力的方法，其特征在于，所述狭缝宽度与所述表面波的波长相等。

8.根据权利要求6所述的激光超声测量梯度残余应力的方法，其特征在于，基于所述表面波，检测梯度残余应力包括：

计算所述表面波的频率，如式(1)所示：

c＝λf (1)

其中，c为表面波的波速，λ为表面波的波长，f为表面波的频率；

基于所述频率，计算所述表面波的入射深度，如式(2)所示：

h＝αf^-0.96 (2)

其中，h为表面波的入射深度(mm)，α为修正系数，f为表面波的频率(MHz)；

基于所述入射深度，结合声弹性理论，检测所述残余应力。

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