CN117269326B - 一种带有温度检测的超声应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有温度检测的超声应力测量方法，涉及超声无损检测技术领域。超声应力测量方法具体包括：将压电片附着在杆类零件或轴类零件的表面；使用所述超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态之前的第一声时值和对应的第一温度并记录；使用所述超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态时的第二声时值和对应的第二温度并记录；根据所述第一温度、所述第二温度、所述第一声时值和所述第二声时值计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力。以解决现有技术中使用声弹性效应对被测机械结构内部应力进行检测时存在检测精度低的技术问题。

Description

一种带有温度检测的超声应力测量方法

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种带有温度检测的超声应力测量方法。

背景技术

在役机械结构指的是已经投入使用的各种机械设备和构件，例如汽车发动机、航空发动机、船舶结构、桥梁和建筑物等。这些机械结构在实际工作中经历各种复杂的力学载荷，如振动、冲击、压力和温度变化等。

由于长时间的使用和外界环境的影响，机械结构可能会受到损伤、疲劳和变形等问题，这些问题可能会导致结构失效和事故发生。通过对在役机械结构进行应力测量，评估结构的安全性、性能和剩余寿命，从而采取必要的维护、修理或更换措施，这有助于制定安全维护和监测计划，以防止事故和结构失效。因此，机械结构应力的高精度测量，对于评估其性能和可靠性至关重要。

基于超声波的声弹性效应，能够对被测机械结构内部应力进行测量，实现无损检测，但是此方法容易受到温度变化的影响，导致测量精度大大降低。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种带有温度检测的超声应力测量方法，以解决现有技术中使用声弹性效应对被测机械结构内部应力进行检测时存在检测精度低的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种带有温度检测的超声应力测量方法，其中超声应力测量方法应用的装置包括：压电片、外壳、上盖、PCB板、弹簧针、温度传感器和连接端子；所述弹簧针与所述PCB板连接，所述温度传感器与所述PCB板连接，所述外壳一侧表面设置有向内凹陷的凹腔，所述PCB板固定在所述凹腔内，所述连接端子固定在所述外壳侧壁开设的通孔中，所述通孔与所述凹腔连通，所述连接端子通过导线与所述PCB板相连，所述上盖与所述外壳一侧表面连接并将所述凹腔覆盖，所述压电片设置在所述外壳的另一侧表面，所述弹簧针与所述压电片的一侧表面接触导通，所述压电片的另一侧表面用于与待测机械结构的表面导通；所述压电片与所述外壳的另一侧表面可分离连接；所述超声应力测量磁吸探头装置还包括环形磁铁，所述环形磁铁设置在所述外壳的另一侧表面处，所述环形磁铁用于吸附在所述待测机械结构的表面，所述压电片设置在所述环形磁铁内并吸附在所述外壳的另一侧表面处；所述外壳另一侧表面开设有环形凹槽，所述环形磁铁固定在所述环形凹槽内；所述连接端子为航空插座，所述航空插座与航空插头连接，所述航空插头用于与检测设备连接；所述压电片通过耦合剂或固持胶固定在所述待测机械结构的表面；所述外壳的另一侧表面开设有安装槽，所述安装槽靠近所述压电片设置，所述温度传感器置于所述安装槽中；

所述超声应力测量方法具体包括：将压电片附着在杆类零件或轴类零件的表面；

使用所述超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态之前的第一声时值和对应的第一温度并记录；

使用所述超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态时的第二声时值和对应的第二温度并记录；

根据所述第一温度、所述第二温度、所述第一声时值和所述第二声时值计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力。

可选地，将压电片附着在所述杆类零件或轴类零件的端面，以检测所述杆类零件或轴类零件的轴向应力中的纵波法应力；

根据所述第一温度、所述第二温度、所述第一声时值和所述第二声时值计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力包括：

使用轴向应力公式：

计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力，其中，

为所述第一声时值，为所述第二声时值，t₀为所述第一温度，t₁为所述第二温度，K_s为应力系数，C₀为标准状态下声速，E为材料弹性模量，r为所述杆类零件或轴类零件的轴向受力长度，R为所述杆类零件或轴类零件的公称直径，σ为所述杆类零件或轴类零件的轴向应力。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明中通过将温度传感器内置到超声应力测量磁吸探头装置内，在使用本发明中的超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构进行检测时，通过连接端子将压电片的激励信号和回波信号，以及温度传感器的信号，传输到相应的检查设备中，实现对被测机械结构不同状态情况下的内部应力进行检测的同时，利用温度传感器获知被测机械结构不同状态情况下的对应温度，并根据被测机械结构不同状态情况下的对应温度，对被测机械结构内部应力的检测进行相应补偿，从而提高超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构内部应力检测的准确性，大幅度降低温度尤其是消除温度变化对前述声弹性效应检测的干扰，实现利用声弹性效应对被测机械结构内部应力的准确检测。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的所述带有温度检测的超声应力测量磁吸探头装置的示意性爆炸结构图；

图2是本发明具体实施方式的所述带有温度检测的超声应力测量磁吸探头装置的外壳的一个示意性结构图；

图3是本发明具体实施方式的所述带有温度检测的超声应力测量磁吸探头装置的外壳的另一个示意性结构图；

图4是本发明具体实施方式的所述带有温度检测的超声应力测量磁吸探头装置的PCB板的示意性结构图；

图5是本发明具体实施方式的所述超声应力测量磁吸探头装置的使用方法的示意性流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的区域。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例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区域。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

对于不涉及本发明改进点的已有部件，将简单介绍或者不介绍，而重点介绍相对于现有技术做出改进的组成部件。

参见图1至图5，本实施例提供了一种带有温度检测的超声应力测量方法，其中超声应力测量方法应用的装置包括：设计超声应力测量磁吸探头装置，磁吸探头装置包括：压电片8、外壳2、上盖7、PCB板5、弹簧针6、温度传感器和连接端子；弹簧针6与PCB板5连接，温度传感器与PCB板5连接，外壳2一侧表面设置有向内凹陷的凹腔，PCB板5固定在凹腔内，连接端子固定在外壳2侧壁开设的通孔中，通孔与凹腔连通，连接端子通过导线与PCB板5相连，上盖7与外壳2一侧表面连接并将凹腔覆盖，压电片8设置在外壳2的另一侧表面，弹簧针6与压电片8的一侧表面接触导通，压电片8的另一侧表面用于与被测机械结构的表面导通。

本发明的发明人通过分析发现，现有技术中，超声应力测量往往是通过超声探头回波信号进行互相关运算得到声时计算出来，但是温度变化会影响声速，进而影响声时计算，从而影响超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构内部应力检测的准确性。

为此，本实施例中通过将温度传感器内置到超声应力测量磁吸探头装置内，在使用本实施例中的超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构进行检测时，通过连接端子将压电片8的激励信号和回波信号，以及温度传感器的信号，传输到相应的检查设备中，实现对被测机械结构不同状态情况下的内部应力进行检测的同时，利用温度传感器获知被测机械结构不同状态情况下的对应温度，并根据被测机械结构不同状态情况下的对应温度，对被测机械结构内部应力的检测进行相应补偿，从而提高超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构内部应力检测的准确性，大幅度降低温度尤其是消除温度变化对前述声弹性效应检测的干扰，实现利用声弹性效应对被测机械结构内部应力的准确检测。

需要说明的是，这里的相应的检查设备可以是超声检测设备。

参见图1至图4，进一步地，压电片8与外壳2的另一侧表面可分离连接。

参见图1至图4，进一步地，超声应力测量磁吸探头装置还包括环形磁铁1，环形磁铁1设置在外壳2的另一侧表面处，环形磁铁1用于吸附在被测机械结构的表面，压电片8设置在环形磁铁1内并吸附在外壳2的另一侧表面处。

参见图1至图4，进一步地，外壳2另一侧表面开设有环形凹槽，环形磁铁1固定在环形凹槽内。

需要说明的是，本实施例中的外壳2、上盖7、PCB板5、弹簧针6、温度传感器和连接端子可以组成探头底座。

首先，利用压电片8与外壳2的另一侧表面可分离连接，使不同尺寸和频率的压电片8都可以与探头底座可分离连接，从而实现仅仅使用一个探头底座便可对多种不同尺寸和频率的压电片8进行匹配的目的。提高了本实施例中的超声应力测量磁吸探头装置的适用范围，并大幅度降低使用和维护成本。

其次，在对金属被测机械结构进行应力测量时，使用环形磁铁1可以直接吸附在被测机械结构的表面，操作简单的同时，也能够避免采用机械固定的方式，如螺纹连接固定的方式，造成的压电片8与被测机械结构表面之间的预紧力变化，而导致的测量误差。从而保证了检测精度。同时，借助环形磁铁1的磁吸力，使压电片8吸附在外壳2的另一侧表面处，使得压电片8与外壳2表面可以快速分离连接，从而简化压电片8与外壳2表面的分离连接方式。

参见图1至图4，进一步地，连接端子为航空插座3，航空插座3与航空插头连接，航空插头用于与检测设备连接。

参见图1至图4，进一步地，压电片8通过耦合剂或固持胶固定在被测机械结构的表面。

在对机械结构进行应力检测时，在待测区域将压电片8通过耦合剂固定，只需一个探头底座，可完成全部检测任务，检测完成后，压电片8回收再利用，从而大幅度节省成本；在对机械结构进行应力监测时，可使用固持胶将压电片8粘贴在被测机械结构表面，能够保证探头与被测机械结构的耦合条件不变，进而保证高精度的应力测量；同时，后期探头维护时仅需更换压电片8即可。

参见图1至图4，进一步地，外壳2的另一侧表面开设有安装槽，安装槽靠近压电片8设置，温度传感器置于安装槽中。

利用安装槽靠近压电片8设置，温度传感器置于安装槽中，从而使温度传感器靠近压电片8设置，使温度传感器检测的温度尽可能接近压电片8处的温度，从而提高对温度检测及相应补偿的准确性。

需要说明的是，本发明的超声应力测量磁吸探头装置是针对超声纵波法检测使用的。

另外，本实施例还提供了一种超声应力测量磁吸探头装置的组装方法，以实现对前述带有温度检测的超声应力测量磁吸探头装置的组装，该组装方法具体包括：

将弹簧针6焊接在PCB板5的孔5-1处；

将温度传感器4的两个引脚焊接在PCB板5的孔5-2处和孔5-3处；

将焊接完成的PCB板5上的弹簧针6穿过外壳2的孔2-1处；

将焊接完成的PCB板5上的温度传感器4穿过外壳2的孔2-2处，将温度传感器4嵌入到外壳2的矩形凹槽2-3处；

使用螺丝将焊接完成的PCB板5通过PCB板5的孔5-4和孔5-5固定在外壳2的螺纹孔2-4和螺纹孔2-5处；

将连接端子3通过螺纹配合固定在外壳2的螺纹孔2-6处；

将连接端子3的1号、2号、3号和4号引脚用导线分别与PCB板5的焊盘R、B、G和Y相连；

将上盖7使用胶水固定在外壳2的圆形凹槽2-6处；

将灌封胶通过外壳2的孔2-7注入，进行灌封；

将环形磁铁1安装在外壳2的圆形凹槽2-8处。

这样，本实施例的超声应力测量磁吸探头装置组装完毕。

另外，该超声应力测量磁吸探头装置使用时，可将的压电片8使用耦合剂或固持胶固定在被测机械结构表面，将探头底座吸附在压电片8上方，弹簧针6与压电片上表面导通，压电片8的下表面与被测机械结构表面接触，进而与磁吸探头外壳2导通，磁吸探头与超声检测设备相连，可以实现信号激励和采集，根据声弹性效应便可实现应力无损测量，通过温度传感器对被测机械结构温度进行检测，可实现温度补偿，实现高精度应力测量。

参见图5，本实施例所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法包括：

将压电片附着在杆类零件或轴类零件的表面；

使用超声应力测量磁吸探头装置检测杆类零件或轴类零件处于工作状态之前的第一声时值和对应的第一温度并记录；

使用超声应力测量磁吸探头装置检测杆类零件或轴类零件处于工作状态时的第二声时值和对应的第二温度并记录；

根据第一温度、第二温度、第一声时值和第二声时值计算杆类零件或轴类零件的轴向应力。

需要说明的是，这里的杆类零件或轴类零件就是前述被测机械结构。

利用温度传感器获知杆类零件或轴类零件处于工作状态之前的第一声时值和对应的第一温度并记录，以及处于工作状态时的第二声时值和对应的第二温度并记录；并根据第一温度、第二温度、第一声时值和第二声时值计算杆类零件或轴类零件的轴向应力，实现对被测机械结构内部应力的检测进行相应补偿，从而提高超声应力测量磁吸探头装置对被测机械结构内部应力检测的准确性，大幅度降低温度尤其是消除温度变化对前述声弹性效应检测的干扰，实现利用声弹性效应对被测机械结构内部应力的准确检测。

进一步地，将压电片附着在杆类零件或轴类零件的端面，以检测杆类零件或轴类零件的轴向应力中的纵波法应力；

根据第一温度、第二温度、第一声时值和第二声时值计算杆类零件或轴类零件的轴向应力包括：

使用轴向应力公式：

计算杆类零件或轴类零件的轴向应力，其中，

为第一声时值，为第二声时值，t₀为第一温度，t₁为第二温度，K_s为应力系数，C₀为标准状态下声速，E为材料弹性模量，r为杆类零件或轴类零件的轴向受力长度，R为杆类零件或轴类零件的公称直径，σ为杆类零件或轴类零件的轴向应力。

对于上述轴向应力公式的获知过程，使用螺栓作为杆类零件或轴类零件，也就是被测机械结构，进行推演。

定义两项材料系数：

K_s＝1/(1+E·K)；和

由于材料声速C₀通常指20℃下超声波在材料中传播的速度，为避免进行声速转化取标准温度t₀＝20℃。根据前述两项材料系数和标准轴向应力计算公式可获得式1：

式中：K_s为应力系数，另外，机械伸长量和声程增加量的比值，在误差许可范围内，该比值为材料系数，与应力无关；

K_t为温度系数，每1℃温度变化引起的声程变化率；

其中，应力系数K_s的物理意义为式2：

考虑声弹性原理如式3：

温度系数K_t的物理意义为式4：

声程为声时与标准声速的乘积。E为材料弹性模量，对于不同螺栓材料，其值变化极小，故工程应用中取E＝210GPa；

K_s、K_t和C₀分别为材料的应力系数温度系数和标准状态下声速，可通过试验分别测得不同材料螺栓的σ、ΔS、和r+D值，通过直线拟合获取；

以上为螺栓拧紧前后温度恒定的情况下，螺栓的轴向应力σ计算公式。式(1)可表示为式5：

式中：分别为螺栓拧紧前后超声传播声时转换到温度为20℃标准状态下的声时值，也就是第一声时值和第二声时值；因此，对于螺栓拧紧前后温度分别为t₀、t₁时，也就是第一温度、第二温度，出(5)式可知，螺栓轴向应力σ可表示为：

对于不同材料分别测定其K_s、K_t和C₀值，则在实测时仅需测量S₁、S₀、t₀、t₁和r+D值，即可由式(6)计算此时螺栓的轴向应力σ。这里的式6也就是最终的轴向应力σ。

进一步地，将压电片附着在杆类零件或轴类零件的径向侧面，以检测杆类零件或轴类零件的径向应力中的纵波法应力；

其中，杆类零件或轴类零件的横截面为方形，杆类零件或轴类零件的横截面为垂直于其轴向的平面。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和区域的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护区域之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求区域和边界、或者这种区域和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，

所述超声应力测量方法应用的装置包括：压电片、外壳、上盖、PCB板、弹簧针、温度传感器和连接端子；所述弹簧针与所述PCB板连接，所述温度传感器与所述PCB板连接，所述外壳一侧表面设置有向内凹陷的凹腔，所述PCB板固定在所述凹腔内，所述连接端子固定在所述外壳侧壁开设的通孔中，所述通孔与所述凹腔连通，所述连接端子通过导线与所述PCB板相连，所述上盖与所述外壳一侧表面连接并将所述凹腔覆盖，所述压电片设置在所述外壳的另一侧表面，所述弹簧针与所述压电片的一侧表面接触导通，所述压电片的另一侧表面用于与待测机械结构的表面导通；

所述压电片与所述外壳的另一侧表面可分离连接；

所述超声应力测量方法具体包括：

将压电片附着在杆类零件或轴类零件的表面；

使用超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态之前的第一声时值和对应的第一温度并记录；

使用所述超声应力测量磁吸探头装置检测所述杆类零件或轴类零件处于工作状态时的第二声时值和对应的第二温度并记录；

根据所述第一温度、所述第二温度、所述第一声时值和所述第二声时值计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力；

将压电片附着在所述杆类零件或轴类零件的端面，以检测所述杆类零件或轴类零件的轴向应力中的纵波法应力；

根据所述第一温度、所述第二温度、所述第一声时值和所述第二声时值计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力包括：

使用轴向应力公式：

计算所述杆类零件或轴类零件的轴向应力，其中，

为所述第一声时值，为所述第二声时值，t₀为所述第一温度，t₁为所述第二温度，K_s为应力系数，C₀为标准状态下声速，E为材料弹性模量，r为所述杆类零件或轴类零件的轴向受力长度，R为所述杆类零件或轴类零件的公称直径，σ为所述杆类零件或轴类零件的轴向应力。

2.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，所述超声应力测量磁吸探头装置还包括环形磁铁，所述环形磁铁设置在所述外壳的另一侧表面处，所述环形磁铁用于吸附在所述待测机械结构的表面，所述压电片设置在所述环形磁铁内并吸附在所述外壳的另一侧表面处。

3.根据权利要求2所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，所述外壳另一侧表面开设有环形凹槽，所述环形磁铁固定在所述环形凹槽内。

4.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，所述连接端子为航空插座，所述航空插座与航空插头连接，所述航空插头用于与检测设备连接。

5.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，所述压电片通过耦合剂或固持胶固定在所述待测机械结构的表面。

6.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的超声应力测量方法，其特征在于，所述外壳的另一侧表面开设有安装槽，所述安装槽靠近所述压电片设置，

所述温度传感器置于所述安装槽中。