CN113739967A - 一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法：超声应力测量系统包括：超声信号发射装置，示波器，超声换能器探头和标准件；超声换能器探头的一端分别超声信号发射装置和示波器的CH1端口相连接，超声换能器探头的另一端与示波器的CH2端口相连接，超声换能器探头放置在标准件上在测得需要做应力测量结构件的声弹性常数后，通过对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，进行波包提取后计算信号频域相位，从而得到该信号由应力引起的相移数值，再代入声弹性方程得到所测表面较为精确的的应力值。

Description

一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测 方法

技术领域

本发明属于超声应力检测技术领域，具体地，涉及一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法。

背景技术

航空航天领域，核工业领域以及交通行业领域等有广泛的应力检测需求，例如飞机机翼的应力检测，核工业关键装置局部应力的检测以及铁路交通的钢轨应力检测，及时对结构件的局部应力进行检测对于评估设备结构寿命情况，避免出现巨大损失或危害有重要的意义。常见的应力检测方法有小孔法，X射线衍射法，中子衍射法，电磁超声法以及超声应力检测法。小孔法是通过在结构件表面钻孔，检测小孔的应变来反映表面的应力大小，这种方法会对结构件表面造成损伤。X射线检测以及中子衍射的方法属于无损检测的方法，应力检测精度高，但是设备装置庞大且造价昂贵，不适合检测在役结构件。电磁超声法是通过电磁效应实现结构件的磁致伸缩，该方法仅适用于铁磁材料。基于声弹性效应的超声应力检测方法是一种方便可行的应力检测方法。材料内部的应力会影响材料晶格的结构，当有声波通过时由于材料微观结构变化会影响声波传播的速度，进而影响声波传播的时间。利用声波的这种性质，通过声弹性方程求解可以得到材料所测位置处的正应力及剪切应力。

超声应力检测由于其是无损检测且检测方便易行，在应力检测领域得到广泛研究和应用。中车青岛四方机车车辆有限公司提出了一种超声波残余应力检测系统及方法一种超声波残余应力检测系统及方法。公开号：CN112697328A。包括设计了一种复杂的机械运动装置通过测量声时差变化来计算焊接零件的残余应力。该方法是基于已知材料的晶粒度，信号衰减度，声弹性系数等一系列参数的前提下，通过特殊的夹持装置对残余应力进行测量的。该方法存在的问题在于：由于夹持装置的特殊性，安装不方便，应用范围有限；该方法主要是针对车辆的焊接残余应力进行检测的，对于常见的钢材铝材，有详细的声弹性常数以及晶粒度可以参考，但是对于在飞机制造等领域，大多数材料是结构复杂、种类繁多的复合材料，没有声弹性参数可以有效参考；该方法只是对两个方向正交的残余应力进行测量，没有给出剪切应力的测量方法，然而对于一些特殊的结构如工字结构的结构件，其弯角位置处的剪切应力检测更为重要。

哈尔滨工业大学深圳研究生院提出了一种基于LCR波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法基于LCR波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法。公开号：CN105203638A。该方法主要是用LCR波测量应力的深度分布情况，该方法的局限性在于测量的材料结构件是钢结构件，且仅能得到深度的应力分布情况，无法得到结构件表面的剪切应力。

华东理工大学提出了一种试样表面残余应力的无损检测方法一种试样表面残余应力的无损检测方法。公开号：CN107328860A。该方法设计了一种超声表面波声速测量系统，包括换能器、试样槽、示波器、电机等，通过测量声表面波波速实现局部残余应力测量。该方法装置相对复杂且需特殊设计的试样槽，且无法测量表面的剪切应力。

哈尔滨工业大学马子奇提出了一种基于临界折射纵波声弹性效应的平面应力测量理论和方法设计了单轴拉伸实验，针对7N01铝合金材料，对临界折射纵波声弹性方程中平行于应力方向和垂直于应力方向传播的波声弹性常数进行了标定，使用信号发生器、示波器、临界折射纵波探头组、数字示波器和计算机搭建了应力测量系统，通过分析时域的超声发射与接收信号完成对应力的检测。该方法仅研究了铝合金这种金属的平面应力。该方法所有的信号分析是在时域上进行的，使用过零阈值点作为计算声时的基准点，由于材料应力引起的声时变化是纳秒级，且测量结果受到示波器的测量误差以及计算误差等影响，由时域信号时间差值计算的应力值会有较高误差。

目前的超声应力检测方法大多数是针对钢材的，且测量装置结构相对复杂，不能普遍适用于大部分特殊材料的结构件，无法得到未知声弹性系数的材料应力，无法测量材料的剪切应力。由于应力引起的声时变化是纳秒级，仅通过测量时域上的声时差会使应力测量结果有较大误差。例如普通钢材，每100MPa的应力对超声声时的影响在10ns～20ns，对于一般的示波器，其采样频率为1GHz,即每1ns采集一个点。对于传统的通过单纯比较时域上的有应力与无应力信号声时差来计算应力的方法，其声时的计算误差至少有1个采样周期即1ns，相应引起的应力计算误差在5MPa～10MPa范围。因此超声应力测量需要一种对大多数材料普遍适用，可以测量表面剪切力且可以对信号进行有效分析，进而获得较为精确应力值的测量方法。

发明内容

针对上述超声应力检测方法的不足，本发明提出了一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法，在测得需要做应力测量结构件的声弹性常数后，通过对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，进行波包提取后计算信号频域相位，从而得到该信号由应力引起的相移数值，再代入声弹性方程得到所测表面较为精确的的应力值。

本发明是通过以下方法实现的：

一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置：

制备一个与待测应力结构件材料相同的零应力标准件4，以标准件4表面中心为原点设置直角坐标系，短边为x轴，长边为y轴；在标准件4表面标定超声发射探头的放置位置S₁和超声接收探头的放置位置S₂，并放置探头；S₁,S₂共有三种放置方式；

超声换能器探头3的一端分别超声信号发射装置1和示波器2的CH1端口相连接，超声换能器探头3的另一端与示波器2的CH2端口相连接，超声换能器探头3放置在标准件4上。

进一步地，S₁,S₂的三种放置方式分别为：

S₁,S₂位于y轴上并关于x轴对称，S₁,S₂位于x轴上并关于y轴对称，S₁,S₂关于原点对称且S₁和原点的连线与y轴正半轴的夹角为θ；

三种方式S₁与S₂的距离均为L。

一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力的检测方法：

步骤一：超声信号发射装置1激励超声波发射探头发射临界折射纵波，经过标准件4的表面被超声波接收探头接收，通过双通道示波器2得到探头的发射信号与接收信号；记录零应力情况下三种探头放置方式的发射信号与接收信号的时间间隔，分别为t₁,t₂,t₃，取均值并定义为零应力声时,再由零应力声时得到零应力声速v₀；

步骤二：

提取双通道示波器2保存的三种探头放置方式对应的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量；对消除直流量的信号进行离散信号的Hilbert变换，得到Hilbert变换的样点-幅值图和样点-相位图；

选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ，则三组数据分别得到初始的相位信息φ₁，φ₂，φ₃；

用拉伸仪夹持标准件，设通过拉伸仪加载在标准件上的拉伸力为F，标准件中部截面的截面面积为S，则截面方向垂直的中部应力σ为：

测量在夹持状态下标准件的三组超声波发射与接收波形数据，保存示波器的三组波形数据信息；

测量在夹持状态下，标准件4三种探头放置方式分别产生的超声波发射与接收的时间间隔，并保存示波器上的超声波发射与接收信号波形数据；

提取示波器保存的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量并对信号进行Hilbert变换，选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ′；三组数据可以得到初始的相位信息φ₁′，φ₂′，φ₃′，分别与φ₁，φ₂，φ₃求差值得到信号频域相移Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃；

时域上的声时差与零应力声时之比转换到频域的相位为：

其中f为计算点的频率，Δφ(f)为计算点频率下的信号相移，v₀为零应力声速，L为探头的放置位置S₁,S₂的距离；

步骤四：根据声弹性方程得到所测表面的应力值；

声弹性方程为：

其中Δt为声时差，t₀为零应力声时，K₁,K₂,K₃为声弹性常数，σ为应力，σ₁₁与σ₂₂分别为x轴方向上的应力与y轴方向上的应力；

σ′₁₁,σ′₂₂,σ′₁₂的计算公式为：

其中应力σ₁₁与σ₂₂为已知量，将Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃代入公式(3)，再代入(4),(5)即可求得声弹性常数K₁,K₂,K₃。

进一步地，在测量待测件弯角处的法向应力与剪切应力时，按照与测量标准件相同的方法得到超声波发射与接收的波形数据，将由标准件测得的声弹性常数与相位变化数值以及零应力声速代入声弹性方程即可求得所测位置区域的法向应力以及剪切应力。

本发明有益效果

(1)本发明通过这种方法可以获得某种材料的声弹性常数，测量一次后普遍可适用于该种材料结构件的应力测量；

(2)本发明的测量方法无需特制的机械装置即可完成测量，测量方法相对简便；

(3)本发明能够测量任一位置的剪切应力；

(4)本发明是将时域的超声信号信息通过Hilbert变换转换到频域求得包络，再通过测量频域信号相位移动来计算应力的。以包络最大值对应的采样点计算可以更有效地定义一个时间计算基准，使得计算更加准确，同时以相位移计算可以减少由于采样率不够导致的计算误差。

附图说明

图1为本发明的标准件拉伸示意图；

图2为本发明的声弹性常数测量示意图；

图3为本发明的超声应力测量系统示意图；其中1超声信号发射激励装置，2双通道示波器，3超声换能器探头，4标准件；

图4为本发明的某一待测件法向应力及剪切应力测量示意图；

图5为二维应力平面及超声测量方向图；

图6为采集到的信号及消除直流偏置的信号；

图7为零应力时信号进行Hilbert变换后的幅值及相位图；

图8为有应力时信号进行Hilbert变换后的幅值及相位图。

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。

结合图1至图8；

一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置

制备一个与待测应力结构件材料相同的零应力标准件4，如图2所示以标准件4表面中心为原点设置直角坐标系，短边为x轴，长边为y轴；在标准件4表面标定超声发射探头的放置位置S₁和超声接收探头的放置位置S₂，并放置探头；S₁,S₂共有三种放置方式；

超声应力测量系统如图3所示，超声换能器探头3的一端分别超声信号发射装置1和示波器2的CH1端口相连接，超声换能器探头3的另一端与示波器2的CH2端口相连接，超声换能器探头3放置在标准件4上。

S₁,S₂的三种放置方式分别为：

S₁,S₂位于y轴上并关于x轴对称，S₁,S₂位于x轴上并关于y轴对称，S₁,S₂关于原点对称且S₁和原点的连线与y轴正半轴的夹角为θ；

三种方式S₁与S₂的距离均为L。

一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力的检测方法，该方法在测得需要做应力测量结构件的声弹性常数后，通过对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，进行波包提取后计算信号频域相位，从而得到该信号由应力引起的相移数值，再代入声弹性方程得到所测表面较为精确的的应力值。

步骤一：超声信号发射装置1激励超声波发射探头发射临界折射纵波，经过标准件4的表面被超声波接收探头接收，通过双通道示波器2得到探头的发射信号与接收信号；记录零应力情况下三种探头放置方式的发射信号与接收信号的时间间隔，分别为t₁,t₂,t₃，取均值并定义为零应力声时,再由零应力声时得到零应力声速v₀；

步骤二：

提取双通道示波器2保存的三种探头放置方式对应的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量；如图6所示。

对消除直流量的信号进行离散信号的Hilbert变换，得到Hilbert变换的样点-幅值图即离散信号的包络线图和样点-相位图；

如图7所示，选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ，则三组数据分别得到初始的相位信息φ₁，φ₂，φ₃；

用拉伸仪夹持标准件，设通过拉伸仪加载在标准件4上的拉伸力为F，图1中标准件中部截面的截面面积为S，根据圣维南原理截面方向垂直的中部应力σ为：

测量在夹持状态下，标准件4按照图2三种探头放置方式分别产生的超声波发射与接收的时间间隔，并保存示波器上的超声波发射与接收信号波形数据。

当拉伸仪夹持标准件两端进行拉伸时，在远离受力点的标准件中部，其所受拉力是均匀的且与拉伸仪所给拉力大小相等，由中部拉力值以及截面面积值可以得到标准件中部的应力值。

提取示波器保存的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量并对信号进行Hilbert变换，选择与图7中包络相似的信号如图8所示。根据Hilbert变换的时移性质，信号在时域上发生移动不会改变其Hilbert变换后的幅值，仅会改变Hilbert变换后的相位，依旧选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ′；三组数据可以得到初始的相位信息φ₁′，φ₂′，φ₃′，分别与φ₁，φ₂，φ₃求差值得到信号频域相移Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃；

时域上的声时差与零应力声时之比转换到频域的相位为：

其中f为计算点的频率，Δφ(f)为计算点频率下的信号相移，v₀为零应力声速，L为探头的放置位置S₁,S₂的距离；

步骤四：根据声弹性方程得到所测表面的应力值；

声弹性方程为：

其中Δt为声时差，t₀为零应力声时，K₁,K₂,K₃为声弹性常数，σ为应力，σ₁₁与σ₂₂分别为x轴方向上的应力与y轴方向上的应力；

σ′₁₁,σ′₂₂,σ′₁₂的计算公式为：

其中应力σ₁₁与σ₂₂为已知量，将Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃代入公式(3)，再代入(4),(5)即可求得声弹性常数K₁,K₂,K₃。

在测量待测件弯角处的法向应力与剪切应力时，按照与测量标准件相同的方法得到超声波发射与接收的波形数据，将由标准件测得的声弹性常数与相位变化数值以及零应力声速代入声弹性方程即可求得所测位置区域的法向应力以及剪切应力。

对于形状结构如图4的结构件，测量其弯角处的法向应力与剪切应力。按照图4方式在结构件表面涂抹耦合剂后摆放超声探头，超声信号发射装置激励超声波发射探头发射临界折射纵波，超声波经过结构件的表面被超声波接收探头接收。通过双通道示波器可以得到探头的发射信号与接收信号，保存三组波形数据。

提取示波器存储的三组离散时域信号，按照上面声弹性常数计算中的数据处理方法对数据进行处理可以得到信号相移Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃。由上面的声弹性常数计算方法可知声弹性常数K₁,K₂,K₃，将Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃,K₁,K₂,K₃代入方程(3),(4),(5)即可得到结构件所测位置处的法向应力σ₁₁,σ₂₂与剪切应力σ₁₂。

以上对本发明所提出的一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法，进行了详细介绍，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 (4)

1.一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置，其特征在于：

制备一个与待测应力结构件材料相同的零应力标准件(4)，以标准件(4)表面中心为原点设置直角坐标系，短边为x轴，长边为y轴；在标准件(4)表面标定超声发射探头的放置位置S₁和超声接收探头的放置位置S₂，并放置探头；S₁,S₂共有三种放置方式；

超声换能器探头(3)的一端分别超声信号发射装置(1)和示波器(2)的CH1端口相连接，超声换能器探头(3)的另一端与示波器(2)的CH2端口相连接，超声换能器探头(3)放置在标准件(4)上。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：

S₁,S₂的三种放置方式分别为：

S₁,S₂位于y轴上并关于x轴对称，S₁,S₂位于x轴上并关于y轴对称，S₁,S₂关于原点对称且S₁和原点的连线与y轴正半轴的夹角为θ；

三种方式S₁与S₂的距离均为L。

3.一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力的检测方法，其特征在于：

步骤一：超声信号发射装置(1)激励超声波发射探头发射临界折射纵波，经过标准件(4)的表面被超声波接收探头接收，通过双通道示波器(2)得到探头的发射信号与接收信号；记录零应力情况下三种探头放置方式的发射信号与接收信号的时间间隔，分别为t₁,t₂,t₃，取均值并定义为零应力声时,再由零应力声时得到零应力声速v₀；

步骤二：对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，计算信号频域相位

提取双通道示波器(2)保存的三种探头放置方式对应的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量；对消除直流量的信号进行离散信号的Hilbert变换，得到Hilbert变换的样点-幅值图和样点-相位图；

选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ，则三组数据分别得到初始的相位信息φ₁，φ₂，φ₃；

步骤三：得到由应力引起的信号频域相移数值；

用拉伸仪夹持标准件，设通过拉伸仪加载在标准件(4)上的拉伸力为F，标准件中部截面的截面面积为S，则截面方向垂直的中部应力σ为：

测量在夹持状态下，标准件(4)三种探头放置方式分别产生的超声波发射与接收的时间间隔，并保存示波器上的超声波发射与接收信号波形数据；

提取示波器保存的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量并对信号进行Hilbert变换，选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ′；三组数据可以得到初始的相位信息φ′₁，φ′₂，φ′₃，分别与φ₁，φ₂，φ₃求差值得到信号频域相移Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃；

时域上的声时差与零应力声时之比转换到频域的相位为：

其中f为计算点的频率，Δφ(f)为计算点频率下的信号相移，v₀为零应力声速，L为探头的放置位置S₁,S₂的距离；

步骤四：根据声弹性方程得到所测表面的应力值；

声弹性方程为：

其中Δt为声时差，t₀为零应力声时，K₁,K₂,K₃为声弹性常数，σ为应力，σ₁₁与σ₂₂分别为x轴方向上的应力与y轴方向上的应力；

σ′₁₁,σ′₂₂,σ′₁₂的计算公式为：

其中应力σ₁₁与σ₂₂为已知量，将Δφ(f)₁,Δφ(f)₂,Δφ(f)₃代入公式(3)，再代入(4),(5)即可求得声弹性常数K₁,K₂,K₃。

4.根据权利要3所述方法，其特征在于：

在测量待测件弯角处的法向应力与剪切应力时，按照与测量标准件相同的方法得到超声波发射与接收的波形数据，将由标准件测得的声弹性常数与相位变化数值以及零应力声速代入声弹性方程即可求得所测位置区域的法向应力以及剪切应力。

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