CN117147026A - 基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置、方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置、方法及设备，涉及单向应力检测领域。该方法包括：获取激励传感器的激发信号；根据所述激发信号，利用第一接收传感器以及第二接收传感器获取待检试件的检测点处的两束超声回波时域信号；将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号；对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量；根据所述幅值谱特征量确定单向应力值。本发明能够提高应力结果的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及单向应力检测领域，特别是涉及一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置、方法及设备。
背景技术
随着经济及工业技术的发展，压力容器、压力管道等工业设施呈现大型化、复杂化等特点。这些工业设施在制造和使用过程中，因内压、承载等复杂受力，易出现应力集中，而应力集中区域在容器过载、交变载荷、温度变化、焊接中氨的渗入以及工作介质的腐蚀等工况下易造成裂纹等缺陷，导致断裂、泄漏等，引发安全事故，造成重大经济损失。因此应力检测是产品质量控制、安全评估、风险防控的关键技术之一。
目前，应力检测方法众多，作为重要的无损检测方法之一，超声波法由于其仪器相对简单、检测速度快、无损无危害等众多优势而受到广泛关注。超声波检测方法理论基础源于声弹性效应，声弹性效应指弹性波在应力存在的固体材料中的传播速度受应力影响。超声波速度变化与应力变化呈近似线性关系，通过测量超声波在无应力构件与含应力构件的速度差值，进而确定构件中的应力。常见的超声应力检测方法都是通过检测声时从而反推应力大小，该方法研究已比较成熟。但由于采用超声波声时法进行应力检测时，波速对应力的变化并不敏感，如在25mm的传播距离内，低碳钢受100MPa单向拉应力时声时比零应力状态时多6ns左右，因此时域特征区分较大，精度难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置、方法及设备，以解决超声声时法对应力的变化灵敏度低以及时域特征区分大导致应力结果检测精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置，包括：激励传感器、第一接收传感器以及第二接收传感器；第一接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线平行于对待检试件施加的单向应力方向；第二接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线垂直于对待检试件施加的单向应力方向；激励传感器用于：向被施加单向应力的待检试件的检测点处发出超声导波作为激发信号；所述第一接收传感器和所述第二接收传感器分别用于采集单向应力状态下的超声回波时域信号；所述第一接收传感器和所述第二接收传感器所采集的超声回波时域信号在叠加后，能够得到干涉的时域信号，所述干涉的时域信号用于进行频谱分析，以确定幅值谱特征量，所述幅值谱特征量用于确定单向应力值。
可选的，激励传感器、第一接收传感器以及第二接收传感器为电磁超声传感器。
可选的，所述第一接收传感器与所述激励传感器之间的距离等于所述第二接收传感器与所述激励传感器之间的距离。
一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，所述单向应力检测方法应用于上述单向应力检测装置，所述单向应力检测方法，具体包括：使用激励传感器发出的激发信号，利用第一接收传感器以及第二接收传感器获取待检试件的检测点处的两束超声回波时域信号；将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号；对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量；根据所述幅值谱特征量确定所述检测点处的单向应力值。
可选的，将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号，具体包括：将相同时刻的所述超声回波时域信号的回波幅值相加，生成相加后的超声回波时域信号；对比所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器的超声回波时域信号，判断所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器之间是否存在有声时差；若是，所述超声回波时域信号叠加过程中，消除所述相加后的超声回波时域信号中的有声时差，确定消除有声时差后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号；若否，确定所述相加后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号。
可选的，对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量，具体包括：采用快速傅里叶变换对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定时域信号频谱图；基于所述频谱图，确定不同梯度的应力下对应的幅值谱第一极小值所出现的极小值位置；基于所述极小值位置，生成应力与幅值谱极小值曲线；根据所述应力与幅值谱极小值曲线确定幅值谱特征量。
可选的，所述极小值位置为：；其中，fmin为极小值位置；为两个方向上的波速传播差；v0为无应力下的波速；/>为传播距离；/>为声弹性系数；/>为单向应力。
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法。
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明根据激发信号，获取两个接收传感器接收到的超声回波时域信号，叠加两束超声回波时域信号，得到干涉的时域信号，基于导波叠加干涉效应，消除有声时差，提高波速对应力变化的灵敏度；此外，利用频谱分析技术，对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量，降低了干涉的时域信号在频域上的差异，且充分利用幅值谱信息，根据幅值谱特征量确定单向应力值，进一步提高了应力结果检测精度。
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为本发明所提供的基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置结构图。
图2为本发明所提供的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法流程图。
图3为本发明所提供的超声回波时域信号叠加示意图。
图4为本发明所提供的时域信号频谱图。
图5为本发明所提供的应力与幅值谱极小值曲线拟合示意图。
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。
本发明的目的是提供一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置、方法及设备，能够提高应力结果的检测精度。
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。
实施例一：如图1所示，本发明提供了一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置，包括：激励传感器以及第一接收传感器以及第二接收传感器；第一接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线平行于对待检试件施加的单向应力方向；第二接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线垂直于对待检试件施加的单向应力方向；激励传感器用于：向被施加单向应力的待检试件的检测点处发出超声导波作为激发信号；所述第一接收传感器和所述第二接收传感器分别用于采集单向应力状态下的超声回波时域信号；所述第一接收传感器和所述第二接收传感器所采集的超声回波时域信号在叠加后，能够得到干涉的时域信号，所述干涉的时域信号用于进行频谱分析，以确定幅值谱特征量，所述幅值谱特征量用于确定单向应力值。
在实际应用中，为避免耦合带来误差，激励传感器、第一接收传感器以及第二接收传感器为电磁超声传感器。
为避免传感器引入误差，需保证激励传感器的正交两个方向激发的导波一致性良好。
为避免传感器及仪器硬件引入误差，对两个接收传感器进行测试，在相同检测装置、相同激励传感器、相同激励信号、相同材料、相同传播距离的情况下，对接收传感器的超声回波时域信号进行比较，若有声时差，记录为Torignal，在后续步骤中进行超声波时域信号的调校。
在实际应用中，所述第一接收传感器与所述激励传感器之间的距离等于所述第二接收传感器与所述激励传感器之间的距离。
该基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置最好具有独立两通道进行超声波接收，若无，可手动分时进行接收。
在实际操作过程中，对待测试件进行标定实验，获取超声导波幅值谱特征量与应力的关系曲线；对待测试件逐级施加单向应力，以10MPa为应力梯度，每个梯度的应力保持一段时间用以进行超声信号采集；在每个梯度的应力保持时间内，激发超声导波，采集并储存相应应力状态下的两个接收传感器接收到的超声回波时域信号。
实施例二：如图2所示，本发明还提供了一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，所述单向应力检测方法应用于上述单向应力检测装置，所述单向应力检测方法，具体包括如下步骤。
步骤201：使用激励传感器发出的激发信号，利用第一接收传感器以及第二接收传感器获取待检试件的检测点处的两束超声回波时域信号。
在实际应用中，假设激发信号为y(t)，则两个接收传感器的接收信号为和/>；其中，/>和/>为两个接收的超声回波时域信号，L为激励传感器与第一接收传感器之间的距离；v1和v2为两个传播路径上的传播速度，t为时间，因受单向应力的影响而导致二者不同；其中，激励传感器与第一接收传感器之间的距离等于激励传感器与第二接收传感器之间的距离。
步骤202：将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号。
在实际应用中，所述步骤202具体包括：将相同时刻的所述超声回波时域信号的回波幅值相加，生成相加后的超声回波时域信号；对比所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器的超声回波时域信号，判断所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器之间是否存在有声时差；若是，所述超声回波时域信号叠加过程中，消除所述相加后的超声回波时域信号中的有声时差，确定消除有声时差后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号；若否，确定所述相加后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号。
在实际应用中，对两个接收传感器接收到的超声回波时域信号进行叠加，将相同时刻的回波幅值相加，，/>为干涉的时域信号。
如测有Torignal，则在时域信号叠加时消除，得到干涉的时域信号，如图3所示，其中，虚线线条分别为两个接收传感器接收的时域信号，实线线条为两束导波叠加后的时域信号。
步骤203：对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量。
在实际应用中，所述步骤203具体包括：采用快速傅里叶变换对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定时域信号频谱图；基于所述频谱图，确定不同梯度的应力下对应的幅值谱第一极小值所出现的极小值位置；基于所述极小值位置，生成应力与幅值谱极小值曲线；根据所述应力与幅值谱极小值曲线确定幅值谱特征量。
对叠加后的时域信号进行频谱分析，如采用FFT变换，，获得时域信号频谱图，幅值大小为，其中，/>为时域信号FFT后的结果，/>为激励信号FFT后的结果，/>为频率，/>为两个方向波速传播差。在频谱图中获取每个梯度的应力下对应的幅值第一极小值出现的极小值位置fmin，/>，如图4所示，v0为无应力下的波速；/>为传播距离；/>为声弹性系数；/>为单向应力，线条为频谱，第一个星号位置为第一极小值。
将不同的应力及其对应的幅值谱极小值进行拟合，采用最小二乘法获取应力与幅值谱极小值曲线及曲线参数（斜率A和截距B），如图5所示，σ=A/fmin+B。
步骤204：根据所述幅值谱特征量确定单向应力值。
在实际应用中，对待检试件进行测试，获取检测点处的超声回波时域信号，采用本发明所提供的上述方法得到幅值谱特征量，代入至σ=A/fmin+B中，获得单向应力的大小。
在常规的超声法测应力的方法中，通常利用声时的变化量反应应力的大小，而声时变化量是个微量变化，如在低碳钢中当声程为25mm时，100MPa引起的声时变化量仅为6ns左右，这对检测装置的硬件指标要求非常高，尤其对采样率。
而本发明利用两束干涉的导波，形成的幅值谱第一频率特征点可反应应力的大小，灵敏度大大提升，且测得的幅值谱特征量为频率，5MPa引起的频率变化量大约为1000Hz，对于检测装置要求低，精度大幅度提升。
实施例三：本发明实施例提供一种电子设备包括存储器及处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例二提供的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法。
在实际应用中，上述电子设备可以是服务器。
在实际应用中，电子设备包括：至少一个处理器（processor）、存储器（memory）、总线及通信接口（Communications Interface）。
其中：处理器、通信接口、以及存储器通过通信总线完成相互间的通信。
通信接口，用于与其它设备进行通信。
处理器，用于执行程序，具体可以执行上述实施例所述的方法。
具体地，程序可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。
处理器可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。电子设备包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个ASIC。
存储器，用于存放程序。存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。
基于以上实施例的描述，本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令可被处理器执行以实现任意实施例所述的方法。
本申请实施例提供的基于超声导波幅值谱的单向应力检测系统以多种形式存在，包括但不限于如下。
（1）移动通信设备：这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供语音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机（例如iPhone）、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。
（2）超移动个人计算机设备：这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网性能。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。
（3）便携式娱乐设备：这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器（例如iPod），掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
（4）其他具有数据交互功能的电子设备。
至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器（CPU）、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器（RAM）和/或非易失性内存等形式，如只读存储器（ROM）或闪存（flash RAM）。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体（transitory media），如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定事务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行事务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置，其特征在于，包括：激励传感器、第一接收传感器以及第二接收传感器；
所述第一接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线平行于对待检试件施加的单向应力方向；所述第二接收传感器与所述激励传感器连成的虚拟直线垂直于对待检试件施加的单向应力方向；
所述激励传感器用于：向被施加单向应力的待检试件的检测点处发出超声导波作为激发信号；
所述第一接收传感器和所述第二接收传感器分别用于采集单向应力状态下的超声回波时域信号；
所述第一接收传感器和所述第二接收传感器所采集的超声回波时域信号在叠加后，能够得到干涉的时域信号，所述干涉的时域信号用于进行频谱分析，以确定幅值谱特征量，所述幅值谱特征量用于确定单向应力值。
2.根据权利要求1所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置，其特征在于，激励传感器、第一接收传感器以及第二接收传感器为电磁超声传感器。
3.根据权利要求1所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测装置，其特征在于，所述第一接收传感器与所述激励传感器之间的距离等于所述第二接收传感器与所述激励传感器之间的距离。
4.一种基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，其特征在于，所述单向应力检测方法应用于权利要求1-3任一项所述的单向应力检测装置，所述单向应力检测方法，具体包括：
使用激励传感器发出的激发信号，利用第一接收传感器以及第二接收传感器获取待检试件的检测点处的两束超声回波时域信号；
将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号；
对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量；
根据所述幅值谱特征量确定所述检测点处的单向应力值。
5.根据权利要求4所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，其特征在于，将两束所述超声回波时域信号进行叠加，得到干涉的时域信号，具体包括：
将相同时刻的所述超声回波时域信号的回波幅值相加，生成相加后的超声回波时域信号；
对比所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器的超声回波时域信号，判断所述第一接收传感器以及所述第二接收传感器之间是否存在有声时差；若是，消除所述相加后的超声回波时域信号中的有声时差，确定消除有声时差后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号；若否，确定所述相加后的超声回波时域信号为所述干涉的时域信号。
6.根据权利要求4所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，其特征在于，对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定幅值谱特征量，具体包括：
采用快速傅里叶变换对所述干涉的时域信号进行频谱分析，确定时域信号频谱图；
基于所述时域信号频谱图，确定不同梯度的应力下对应的幅值谱第一极小值所出现的极小值位置；
基于所述极小值位置，生成应力与幅值谱极小值曲线；
根据所述应力与幅值谱极小值曲线确定幅值谱特征量。
7.根据权利要求6所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法，其特征在于，所述极小值位置为：
；
其中，fmin为极小值位置；为两个方向上的波速传播差；v0为无应力下的波速；/>为传播距离；/>为声弹性系数；/>为单向应力。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求4-7中任一项所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4-7中任一项所述的基于超声导波幅值谱的单向应力检测方法。
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2023
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN117147026B (zh) | 2024-01-05 |
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