CN116358747B - 一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法 - Google Patents

一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法。本发明提出了双晶换能器的设计，传统的应力测量方法利用传播距离获得应力系数，应力测量存在空间分辨率与测量精度存在矛盾的问题，利用双晶换能器测量应力可以实现空间分辨率和测量精度的双重保证，它是利用双晶换能器两晶元间的距离获得对应被测件平面上距离为ΔL的应力系数，因此空间分辨率只与双晶换能器的结构有关，当需要消除直达波干扰以提高测量精度时，测量精度只与激励换能器与双晶换能器的距离有关，因此双晶换能器的设计，使应力测量能够同时实现高分辨率和高精度。同时可以利用此装置通过网格扫描的方式实现二维平面的应力测量。

Description

一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，主要涉及一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法。
背景技术
复合材料具有比强度高(强度极限与相对密度的比值)、比模量高(弹性模量与相对密度的比值)、耐腐蚀、比重小等特点。其中碳纤维材料的特性尤为突出(碳纤维复合材料强度极限是一般钢材料强度极限的5倍多)，在航空航天领域应用广泛。碳纤维复合材料应用于飞机可以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能。
复合材料中的应力主要表现为残余应力和结构承力，随着使用时间的增长，飞机结构这些应力和外界作用下的，容易出现裂纹、铆钉松动、蒙皮鼓动等损伤。这些损伤降低了飞机结构的强度和刚度，影响了飞机的飞行性能和飞行安全，因此需要对机身复合材料进行应力检测，对其应力状态及时进行快速，精确的测量，保证飞机的使用寿命和用户的使用安全。
传统超声检测由于价格低、操作简易而成为最为广泛的应用技术。但目前在该技术自动化的道路上，耦合剂的使用是一个不可避免的障碍，因其需要花费巨大的资源才能自动地连续提供耦合剂和自动清洁这两个功能集成在系统中。因此非接触式测量在工业应用中的意义非常重要，非接触式超声测量技术分为空气耦合超声和激光超声两种模式。激光超声检测通过激励纳秒级的激光脉冲，在材料表面产生烧灼或热弹性效应激励超声波，存在烧蚀样品的风险。空气耦合超声检测技术以空气为耦合剂，主要有两大优势：一是非接触、非浸入、完全无损的特点。空耦超声换能器工作时以空气为传输媒介，不会对被测材料造成污染或损坏。尤其对于复合材料，其声阻抗更接近于空气的声阻抗，更容易在复合材料板中激励产生模态单一的Lamb波。通过对Lamb波的激励与接受实现应力的测量。
传统的基于声时差的应力测量方法，是获得的固定传播距离下的平均应力，应力测量的空间分辨率取决于传播距离的大小。然而，为了实现碳纤维复合材料板的原位应力测量，空耦超声换能器对需采用同侧俯仰式进行Lamb波的激励与接受。为了消除直达波对Lamb波信号的干扰，需要保证两个空耦超声换能器之间具有足够长的距离，这种方法虽然能提高应力测量的精度，却由于传播距离变长降低了应力测量的空间分辨率。因此，针对空耦超声Lamb应力测量方法存在测量精度与空间分辨率存在矛盾的问题，本发明提出了一种基于双晶空耦超声换能器的应力测量方法，在消除直达波干扰保证测量精度的同时，实现高空间分辨率应力测量。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法，所述方法具体为：
利用对应Lamb波模态的相速度以及空气声速并结合Snell定律确定激励与接收空耦超声换能器倾角，在一个包含应力集中区域的待测试样的一侧，按照确定好的倾角放置空耦换能器，为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期N，选择换能器中心频率f,采用任意信号函数发生器产生N周期、Hanning窗调制、频率为f的正弦脉冲信号作为激励信号，经过50Ω负载进行阻抗匹配，经过低通滤波器后输入空耦超声换能器作为激励信号，用双晶空耦超声换能器作为接收换能器；设置激励空耦超声换能器与双晶空耦换能器的一个晶元距离使Lamb波的传播距离为L0，来消除直达波的干扰；测量此时的声时差并代入利用标定的应力系数/>获得L0段的平均应力/>那么，设置双晶换能器两个晶元之间的距离d在测量角度θ下对应被测件平面上距离为ΔL，则此时Lamb波的传播距离为L1＝L0+ΔL；由于应力系数与传播距离成线性关系，故Lamb波的传播距离为L1的应力系数测量此时的声时差/>并代入利用应力系数/>获得L1段的平均应力/>通过/>以及双晶换能器距离ΔL段的应力值σΔL的关系可以得出
进一步地，设双晶空耦换能器的两晶元距离激励空耦换能器的距离分别为L1、L2，双晶换能器两晶元间距离为d，工作角度为θ，则ΔL＝d/cosθ，L1、L2满足L2＝L1+ΔL则应力系数K2＝L2/L1·K1，测量此时的声时差代入声时差与应力的关系式利用应力系数K1、K2获得L1、L2段的平均应力/>由此得以下关系式：
联立(4)～(5)得ΔL段的平均应力σΔL：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
首先本发明采用空气耦合超声检测，以空气为传播媒介，与传统超声相比实现了无接触测量。同时，Lamb波在传播过程中能量衰减小，传播距离远，能满足多种环境下的应力测量。因此，本发明解决了传统超声耦合剂对被测件的污染问题，实现非接触、非浸入、完全无损的测量。本发明还提出了双晶换能器的设计，传统的应力测量方法利用传播距离获得应力系数，应力测量存在空间分辨率与测量精度存在矛盾的问题，利用双晶换能器测量应力可以实现空间分辨率和测量精度的双重保证，它是利用双晶换能器两晶元间的距离获得对应被测件平面上距离为ΔL的应力系数，因此空间分辨率只与双晶换能器的结构有关，当需要消除直达波干扰以提高测量精度时，测量精度只与激励换能器与双晶换能器的距离有关，因此双晶换能器的设计，使应力测量能够同时实现高分辨率和高精度。同时可以利用此装置通过网格扫描的方式实现二维平面的应力测量。
附图说明
图1是基于双晶空耦超声换能器的高分辨率应力测量方法示意图。
图2是双晶空耦超声换能器的内部结构示意图。
图3是二维平面应力测量方法示意图。每个网格的单位长度为ΔL。
图中件号：1-接收双晶空耦超声换能器，2-激励空耦超声换能器，3-碳纤维复合材料板，4、5-两侧加有电极层的压电材料，6-匹配层。
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。
为了在碳纤维复合材料板内激励出相对纯净的单一Lamb波，本发明提出一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法，所述方法具体为：
利用对应Lamb波模态的相速度以及空气声速并结合Snell定律确定激励与接收空耦超声换能器倾角，在一个包含应力集中区域的待测试样的一侧，按照确定好的倾角放置空耦换能器，为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期N，选择换能器中心频率f,采用任意信号函数发生器产生N周期、Hanning窗调制、频率为f的正弦脉冲信号作为激励信号，经过50Ω负载进行阻抗匹配，经过低通滤波器后输入空耦超声换能器作为激励信号，用双晶空耦超声换能器作为接收换能器；设置激励空耦超声换能器与双晶空耦换能器的一个晶元距离使Lamb波的传播距离为L0，来消除直达波的干扰；测量此时的声时差并代入利用标定的应力系数/>获得L0段的平均应力/>那么，设置双晶换能器两个晶元之间的距离d在测量角度θ下对应被测件平面上距离为ΔL，则此时Lamb波的传播距离为L1＝L0+ΔL；由于应力系数与传播距离成线性关系，故Lamb波的传播距离为L1的应力系数测量此时的声时差/>并代入利用应力系数/>获得L1段的平均应力/>通过/> 以及双晶换能器距离ΔL段的应力值σΔL的关系可以得出
超声应力测量原理
声时差T与应力的关系：
式中，K1为应力系数，K11为声弹性系数。
通过实验标定获得应力系数K1，即可实现碳纤维复合材料板x1轴上的单轴应力场的应力测量。
由式(1)可以得出应力系数：
可知，当传播距离L增大时，应力系数K1会随之增大。
由误差理论得：
可知，当应力系数K1增大时，分辨率会减小。
而从直达波干扰的方向去考虑，传播距离L的增大，会使测量的精度提高，减小误差。因此传统的测量方法存在精度与分辨率的矛盾。针对此问题，本发明提出了以下改变方法：
结合图1，设双晶空耦换能器的两晶元距离激励空耦换能器的距离分别为L1、L2，双晶换能器两晶元间距离为d，工作角度为θ，则ΔL＝d/cosθ，L1、L2满足L2＝L1+ΔL则应力系数K2＝L2/L1·K1，测量此时的声时差代入(1)利用应力系数K1、K2获得L1、L2段的平均应力/>由此得以下关系式：
联立(4)～(5)得ΔL段的平均应力σΔL：
由上式可以将精度与分辨率的矛盾化解，将分辨率与ΔL的大小联系起来，通过改变双晶换能器的尺寸来改变应力测量的分辨率，同时也可以通过改变双晶换能器与激励空耦换能器的距离来消除直达波的干扰，提高精度，做到了在保证精度的同时拥有较高的分辨率。
结合图3具体说明基于双晶空耦换能器的高空间分辨率二维应力测量实施过程。为在碳纤维复合材料板内激发出相对纯净的单一Lamb波模态，需要利用对应Lamb波模态的相速度以及空气声速并结合Snell定律确定激励与接收空耦超声换能器倾角。在一个包含应力集中区域的待测试样的一侧，按照之前确定好的倾角放置空耦超声换能器。为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期为N，并选择合适空耦超声换能器中心频率f，采用任意信号函数发生器产生N周期、Hanning窗调制、频率为f的正弦脉冲信号作为激励信号，经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，施加在激励空耦超声换能器上，用双晶空耦换能器接收。
设置双晶空耦换能器的中心晶元间距对应测量平面的距离为ΔL，将二维平面分成若干个网格结构，每个网格的边长为ΔL，此时在平面上双晶空耦换能器以ΔL为步长扫描整个平面即可得出整个平面以ΔL2为单位面积的若干个平均应力。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双晶空耦换能器的高空间分辨率平面应力测量方法，其特征在于：所述方法具体为：
利用对应Lamb波模态的相速度以及空气声速并结合Snell定律确定激励与接收空耦超声换能器倾角，在一个包含应力集中区域的待测试样的一侧，按照确定好的倾角放置空耦换能器，为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期N，选择换能器中心频率f,采用任意信号函数发生器产生N周期、Hanning窗调制、频率为f的正弦脉冲信号作为激励信号，经过50Ω负载进行阻抗匹配，经过低通滤波器后输入空耦超声换能器作为激励信号，用双晶空耦超声换能器作为接收换能器；设置激励空耦超声换能器与双晶空耦换能器的一个晶元距离使Lamb波的传播距离为L0，来消除直达波的干扰；测量此时的声时差并代入利用标定的应力系数/>获得L0段的平均应力/>那么，设置双晶换能器两个晶元之间的距离d在测量角度θ下对应被测件平面上距离为ΔL，则此时Lamb波的传播距离为L1＝L0+ΔL；由于应力系数与传播距离成线性关系，故Lamb波的传播距离为L1的应力系数测量此时的声时差/>并代入利用应力系数/>获得L1段的平均应力/>通过/> 以及双晶换能器距离ΔL段的应力值σΔL的关系可以得出
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：设双晶空耦换能器的两晶元距离激励空耦换能器的距离分别为L1、L2，双晶换能器两晶元间距离为d，工作角度为θ，则ΔL＝d/cosθ，L1、L2满足L2＝L1+ΔL则应力系数K2＝L2/L1·K1，测量此时的声时差代入声时差与应力的关系式利用应力系数K1、K2获得L1、L2段的平均应力/>由此得以下关系式：
联立(4)～(5)得ΔL段的平均应力σΔL：
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