CN116295987B - 一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法。当接收空耦换能器与空耦换能器在待测试样的射入及接收之间的距离为L时，记录待测试样进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号F(x)；将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，在根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值；当距离为L+ΔL时，记录待测试样进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号F1(x)；将F1(x)与其无应力状态下相比得到声时差，在根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值；每个运动位置下对应的ΔL位置的应力值即为两者之差。用以解决传统超声应力测量中空间分辨率与测量精度的矛盾关系及耦合剂对测量的影响问题。
Description
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法。
背景技术
高端智能装备部件或结构总是在复杂的应力状态下工作，包括拉应力、压应力及其组合。应力的存在对高端智能装备部件或结构的疲劳寿命、使用安全性和设备维护有很大影响。因此研究能够有效检测出高端智能装备部件或结构应力的无损检测方法，对于及时发现试件应力集中并采取应对措施，延长试件使用寿命，减少社会经济损失，有着重要意义。
到目前为止，国际各国家研究学者已经发展提出了许多无损应力测量方法。作为主要方法之一的衍射法主要关注在原子或晶粒尺度上变化的应力，使用高能束(如X射线、电子或中子)检测布拉格散射角的变化，已确定弹性应变。然而，衍射法要么需要严格的测试环境，要么测试设备或过程非常复杂耗时。此外，基于巴克豪森效应的磁声方法仅限于铁磁材料，应用范围有限。近年来，利用压电换能器的超声方法已被开发用于检测和识别复杂结构中的应力状态。
与其他无损检测方法相比，超声波应力检测具有低成本和高效率的潜力，并且在满足工业应用中的现场测量、动态测量以及在役测量等方面的应力测量也具有良好的前景。本质上，超声应力测量是基于声弹性效应，通过测量应力状态发生变化前后的超声波速度变化来实现应力测量。通常，因临界折射纵波(LCR)比其他超声波对应力更加敏感，故被广泛应用于应力测量。超声检测分为接触式和非接触式。接触式超声检测技术需在超声换能器和待测试样之间用液体作为声耦合剂，以减少超声波在空气中传播的损失。使用耦合剂一方面增加了人为因素对结果的影响，另一方面很难满足工业自动化生产和质量控制的需要，限制了超声检测的适用范围。非接触式无损检测，无需耦合剂，检测过程简单、方便，检测结果可避免人为耦合因素的影响，是快速无损检测技术的主要发展方向之一。对于运行状态的高端智能装备部件或结构的应力检测，只能采用非接触式超声应力检测方式。
随着显微机械加工技术的发展以及高分子材料技术的进步，高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能器的制作取得了较大的突破，加上低噪声、高增益的放大器的研制及计算机信号处理技术的发展，使空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步，并在无损检测领域获得了较好的应用成果。
传统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直接取决于传播距离的大小。传播距离越大，空气耦合超声同侧检测的直达波对有用LCR波信号的影响就越小，声时差测量越准确，从而应力测量越准确；然而，同时会降低应力测量空间分辨率。同时传统应力测量方法无法实现应力的动态测量。
发明内容
本发明提供一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法，用以解决传统超声应力测量中空间分辨率与测量精度的矛盾关系及耦合剂对测量的影响问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法，所述测量方法具体为，在待测试样(3)内激发出LCR波从而确定激励空耦超声换能器发出的激励与接收空耦换能器倾角，再根据倾角组装测量装置；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F(x)；
将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F1(x)；
将F1(x)与其无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值；
每个运动位置下对应的ΔL位置的应力值即为两者之差。
所述测量方法，所述步骤1组装测量装置具体为，在一个包含应力集中区域的待测试样(3)的一侧，按照确定的倾角放置空耦换能器(1)；
所述待测试样(3)的另一端设置接收空耦换能器(2)，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)均在待测试样(3)的一侧；
所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)与待测试样(3)的距离均为LA，确定激励信号周期为N，并选择空耦换能器中心频率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，施加在激励空耦换能器(1)上，在相距为L的接收位置用接收空耦换能器(2)接收回波。
所述测量方法，所述待测试样(3)的运动位置通过光栅位移传感器记录；
并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号。
所述测量方法，所述无应力状态所测声时具体为，使用令无应力试块进行一个周期的周期运动，通过光栅位移传感器记录无应力试块L传播距离和L+ΔL传播距离的运动位置，并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号，记为t1,0和t2,0。
所述测量方法，所述每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值具体为，将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值。
所述测量方法，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL具体调整为，保持激励空耦换能器(1)位置不变，移动接收空耦换能器(2)使两者距离变为L+ΔL。
所述测量方法，所述每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值具体为，将F1(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值。
所述测量方法，所述LCR波超声应力检测具体为，通过将材料本构模型引入基于有限变形理论的超声传播动力学方程，声弹性方程为，
式中，δIK为Kronecker函数，ρ为初始构型的材料密度，XJ为初始构型中点的空间位置，uK为XK方向的位移，CIJKL为Cathy应力场的弹性常数；
当平面波在固体材料中传播时，粒子振动可以表示为，
uI＝UIexp[jK(NJXJ-Vt)] (2)
式中，UI为方向的极化幅度，NJ为超声波传播方向的方向余弦，K为超声波的波数，V为超声波的传播速度；
超声波在应力材料中传播的特征方程通过公式(1)和(2)联立可得
对于各向同性材料，当纵向弹性波沿单轴应力方向传播时，纵向速度V和应力大小σ可以表示为
式中，λ和μ为Lame常数，l和m为Murnaghan常数。
所述测量方法，如果超声波的入射角为第一临界角，将产生LCR波，第一临界角θ可以根据Snell定律得到，
式中，VA为空气中的超声波传播速度，VM为被测材料中的超声波传播速度；
为了接收LCR波，接收空耦换能器需要与激励空耦换能器对称放置，根据公式(4)可得到LCR波速度VM与应力σ的关系为，
式中，VM0为被测材料无应力状态下的超声波传播速度；
对于超声波在被测材料中的传播距离为L，推导可得声时差Δt＝t-t0与应力σ的关系为，
式中，t0＝L/VM0为被测材料无应力状态下的飞行时间TOF，t＝L/VM为被测材料应力状态下的飞行时间TOF，K为应力系数，表示被测材料应力与声时差的线性关系，实际中由实验标定获得。
本发明的有益效果是：
本发明使用空耦超声激励LCR波实现高端智能装备部件或结构的动态测量，通过高端智能装备部件或结构的周期运动的不同周期内改变两空耦换能器的检测距离，克服传统超声应力测量中空间分辨率与测量精度的矛盾关系，在保证测量精度的同时，提高应力测量空间分辨率。同时消除了耦合剂的影响，增强了检测的灵活性、提高了检测效率，更好地实现应力的高空间分辨率动态定性定量表征。
本发明采用空气耦合LCR波超声检测，在检测过程中以空气作为传输媒质代替了传统超声无损检测中的耦合剂，因而可以从根本上避免耦合材料对待测件带来的二次污染问题，使得在检测过程中具有完全无接触、无侵入和无损害的优势，也可大大延长空耦换能器的使用寿命，使得空气耦合LCR波检测实现在线快速检测，适用于高端智能装备部件或结构的应力动态测量。本发明利用光栅位移传感器记录被测材料周期运动的位置信息并控制高速采集板卡获得当下位置的接收回波信号。通过高端智能装备部件或结构的周期运动的不同周期内改变两空耦换能器的检测距离，克服传统超声应力测量中空间分辨率与应力分辨力的矛盾关系，提高应力检测空间分辨率。同时消除了耦合剂的影响，增强了检测的灵活性、提高了检测效率，更好地实现应力的高空间分辨率动态定性定量表征。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
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。
一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法，所述测量方法具体为，在待测试样(3)内激发出LCR波从而确定激励空耦超声换能器发出的激励与接收空耦换能器倾角，再根据倾角组装测量装置；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F(x)；
将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F1(x)；
将F1(x)与其无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值；
每个运动位置下对应的ΔL位置的应力值即为两者之差。从而实现高端智能装备部件或结构的高空间分辨率应力动态测量。
所述测量方法，所述步骤1组装测量装置具体为，在待测试样(3)内激发出LCR波，需要利用被测材料声速以及空气声速并结合Snell定律确定激励与接收空耦换能器(1)的倾角；
在一个包含应力集中区域的待测试样(3)的一侧，按照确定的倾角放置空耦换能器(1)；
所述待测试样(3)的另一端设置接收空耦换能器(2)，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)均在待测试样(3)的一侧；
所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)与待测试样(3)的距离均为LA，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，施加在激励空耦换能器(1)上，在相距为L的接收位置用接收空耦换能器(2)接收回波。
所述测量方法，所述待测试样(3)的运动位置通过光栅位移传感器记录；
并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号。
所述测量方法，所述无应力状态所测声时具体为，使用令无应力试块进行一个周期的周期运动，通过光栅位移传感器记录无应力试块L传播距离和L+ΔL传播距离的运动位置，并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号，记为t1,0和t2,0。
所述测量方法，所述每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值具体为，将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值。
所述测量方法，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL具体调整为，保持激励空耦换能器(1)位置不变，移动接收空耦换能器(2)使两者距离变为L+ΔL。
所述测量方法，所述每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值具体为，将F1(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值。
所述测量方法，所述LCR波超声应力检测具体为，通过将材料本构模型引入基于有限变形理论的超声传播动力学方程，声弹性方程为，
式中，δIK为Kronecker函数，ρ为初始构型的材料密度，XJ为初始构型中点的空间位置，uK为XK方向的位移，CIJKL为Cathy应力场的弹性常数；
当平面波在固体材料中传播时，粒子振动可以表示为，
uI＝UIexp[jK(NJXJ-Vt)] (2)
式中，UI为方向的极化幅度，NJ为超声波传播方向的方向余弦，K为超声波的波数，V为超声波的传播速度；
超声波在应力材料中传播的特征方程通过公式(1)和(2)联立可得
对于各向同性材料，当纵向弹性波沿单轴应力方向传播时，纵向速度V和应力大小σ可以表示为
式中，λ和μ为Lame常数，l和m为Murnaghan常数。
所述测量方法，如果超声波的入射角为第一临界角，将产生LCR波，第一临界角θ可以根据Snell定律得到，
式中，VA为空气中的超声波传播速度，VM为被测材料中的超声波传播速度；
为了接收LCR波，接收空耦换能器需要与激励空耦换能器对称放置，如附图1所示，根据公式(4)可得到LCR波速度VM与应力σ的关系为，
式中，VM0为被测材料无应力状态下的超声波传播速度；
对于超声波在被测材料中的传播距离为L，推导可得声时差Δt＝t-t0与应力σ的关系为，
式中，t0＝L/VM0为被测材料无应力状态下的飞行时间TOF，t＝L/VM为被测材料应力状态下的飞行时间TOF，K为应力系数，表示被测材料应力与声时差的线性关系，实际中由实验标定获得。
Claims (7)
1.一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法，其特征在于，所述测量方法具体为，在待测试样(3)内激发出LCR波从而确定激励空耦超声换能器发出的激励与接收空耦换能器倾角，再根据倾角组装测量装置；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F(x)；
将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值；
当接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL时，记录待测试样(3)进行一个周期的周期运动的运动位置及当下位置的接收回波信号记为F1(x)；
将F1(x)与其无应力状态下相比得到声时差，再根据声时差计算得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值；
每个运动位置下对应的ΔL位置的应力值即为两者之差；
所述LCR波超声应力检测具体为，通过将材料本构模型引入基于有限变形理论的超声传播动力学方程，声弹性方程为，
式中，δIK为Kronecker函数，ρ为初始构型的材料密度，XJ为初始构型中点的空间位置，uK为XK方向的位移，CIJKL为Cathy应力场的弹性常数；
当平面波在固体材料中传播时，粒子振动可以表示为，
uI＝UIexp[jK(NJXJ-Vt)] (2)
式中，UI为方向的极化幅度，NJ为超声波传播方向的方向余弦，K为超声波的波数，V为超声波的传播速度；
超声波在应力材料中传播的特征方程通过公式(1)和(2)联立可得
对于各向同性材料，当纵向弹性波沿单轴应力方向传播时，纵向速度V和应力大小σ可以表示为
式中，λ和μ为Lame常数，l和m为Murnaghan常数；
如果超声波的入射角为第一临界角，将产生LCR波，第一临界角θ可以根据Snell定律得到，
式中，VA为空气中的超声波传播速度，VM为被测材料中的超声波传播速度；
为了接收LCR波，接收空耦换能器需要与激励空耦换能器对称放置，根据公式(4)可得到LCR波速度VM与应力σ的关系为，
式中，VM0为被测材料无应力状态下的超声波传播速度；
对于超声波在被测材料中的传播距离为L，推导可得声时差Δt＝t-t0与应力σ的关系为，
式中，t0＝L/VM0为被测材料无应力状态下的飞行时间TOF，t＝L/VM为被测材料应力状态下的飞行时间TOF，K为应力系数，表示被测材料应力与声时差的线性关系，实际中由实验标定获得。
2.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述组装测量装置具体为，在一个包含应力集中区域的待测试样(3)的一侧，按照确定的倾角放置空耦换能器(1)；
所述待测试样(3)的另一端设置接收空耦换能器(2)，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)均在待测试样(3)的一侧；
所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)与待测试样(3)的距离均为LA，确定激励信号周期为N，并选择空耦换能器中心频率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，施加在激励空耦换能器(1)上，在相距为L的接收位置用接收空耦换能器(2)接收回波。
3.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述待测试样(3)的运动位置通过光栅位移传感器记录；
并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号。
4.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，所述无应力状态所测声时具体为，使用令无应力试块进行一个周期的周期运动，通过光栅位移传感器记录无应力试块L传播距离和L+ΔL传播距离的运动位置，并在每个运动位置下产生触发信号，使用高速数据采集板卡采集当下位置的接收回波信号，记为t1,0和t2,0。
5.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值具体为，将F(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L传播距离的平均应力值。
6.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，所述接收空耦换能器(2)与空耦换能器(1)在待测试样(3)的射入及接收之间的距离为L+ΔL具体调整为，保持激励空耦换能器(1)位置不变，移动接收空耦换能器(2)使两者距离变为L+ΔL。
7.根据权利要求6所述测量方法，其特征在于，所述每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值具体为，将F1(x)与无应力状态下相比得到声时差，将声时差结合应力与声时差的线性关系系数即可得到每个运动位置下对应的L+ΔL传播距离的平均应力值。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 临界折射纵波检测残余应力的关键影响因素研究;杨顺民;《中国博士学位论文全文数据库》;全文 * |
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