（精密仪器及机械专业论文）基于传播声时的LltCRgt波切向应力测量系统实验研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 零件的应力状况能够反映机械构件的工作状态，对它的有效检测和评估为 提高产品的安全性、可靠性和稳定性提供了保障。超声波技术作为最有潜力的 实验应力测量技术之一，近年来得到了广泛的发展和应用，然而超声体波与表 面波由于其自身的限制性，均无法从表面测量内部的切向应力状况，在许多场 合下无法有效进行机械构件工作状态的评估。 本文基于临界折射纵波( c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l ，l c r ) 应力测量 模型，研究采用l c r 波测量零件中切向应力的关键技术，包括l c r 波的产生、 接收和后续处理，设计并制作了基于传播声时的应力检测实验系统，通过测量 l c r 波在材料内部传播声时的改变，评估被测物体中的应力情况。 传播声时是整个测量系统中的关键量，其测量水平决定应力的测量精度， 对此本文采用时间数字转换器( t i m et od i g i t a lc o n v e r t o r ，t d c ) 完成高精度 时间间隔测量，在实现过程中又分别采用“单端发射双端接收”的探头布局模 式和“过零检测”手段来降低系统检测误差。温度的变化也会对系统测量造成 一定的影响，温度补偿模块能够实时监测系统工作的环境温度，从而校正应力 检测的结果。 定性实验与定量实验显示，l c r 波传播声时与加载应力具有良好的线性关 系，实验结果与理论基本相符，达到了预定要求，也初步验证了基于t d c 声时 测量的l c r 波应力检测方法的可行性。 关键词：应力检测；l c r 波；声弹性理论：时间数字转换器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sc a l lb ei n d i c a t e db yt h e i r s t r e s ss t a t e s ，w h o s em e a s u r e m e ma n de v a l u a t i o nc a na l s oi m p r o v et h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep r o d u c t s a so n eo ft h em o s tp o t e n t i a le x p e r i m e n t a l s t r e s sm e a s u r e m e n t ，u l t r a s o n i ct e c h n i q u ew a sw i d e l yd e v e l o p e da n da p p l i e di n r e c e n ty e a r s l i m i t e db yt h e i ro w nc h a r a c t e r s ，b u l kw a v ea n ds u r f a c ew a v ei n u l t r a s o n i cf r e q u e n c ya red i f f i c u l tt ob eu s e dt om e a s u r et h ei n t e r n a lt a n g e n ts t r e s s c o n d i t i o nf r o mt h es u r f a c eo fm e d i u m i nm a n yo c c a s i o n s ，t h e yw i l ln o tb ea b l et o e v a l u a t et h ew o r k i n gc o n d i t i o no fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s e f f e c t i v e l y b a s e do nt h es t r e s sm e a s u r e m e mm o d e lu s i n gt h e c r i t i c a l l y r e f r a c t e d l o n g i t u d i n a l ( l c r ) w a v e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ek e yt e c h n i q u e so fm e a s u r i n gt h e s t r e s si na c c e s s o r i e s ，w h i c hi n c l u d e st h e g e n e r a t i o n ，r e c e i v i n ga n da f t e r w a r d s m a n a g e m e n to fl c rw a v e a ne x p e r i m e n t a ls t r e s sm e a s l l r e m e n ts y s t e mb a s e do n t i m ew a sa l s od e s i g n e da n dc o n s t r u c t e di nt h i sp r o j e c t ，b ym e a s u r i n gt h et r a v e lt i m e o fl c rw a v ei nt h em e d i u m ，t h es t r e s ss t a t eo f t e s t i n go b j c o tc a l lb ew e l le v a l u a t e d t r a v e lt i m ei st h ek e yp o i n to fs y s t e m ，i t sm e a s u r eq u a l i t yd e c i d e st h es u r v e y p r e c i s i o no ft h es t r e s s t i m et od i g i t a lc o n v e r t o r ( t d c ) w a sa p p l i e dt oa c c o m p l i s h t h ep r e c i s i o nt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t a tt h es a m et i m e ，o n et r a n s m i t t e r - t w o r e c e i v e r sp r o b ea r r a n g e m e n ta n dz e r o c r o s s i n gd e t e c t i n gm e t h o dw e r ea l s oa p p l i e d t or e d u c et h ee r r o r si nm e a s u r e m e n t f u r t h e r m o r e ，c h a n g eo f t e m p e r a t u r em a ya f f e c t t h em e a s u r i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm o d u l ei su s e dt om o n i t o rt h e a m b i e n tt e m p e r 砷u eo fs y s t e ma n dc o r r e c tt h er e s u l to fs t r e s sm e a s u r e m e n t t h et r a v e lt i m eo fl c rw a v ea n da p p l i e ds t r e s ss h o w e dw e l ll i n e a rr e l a t i o n s h i p i 1 1t 1 1 eq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ee x p e r i m e n t s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l tm a t c h e dw i t ht h e t h e o r y , a c h i e v e dt h ea n t i c i p a t i v er e q u i m m e m s t h e s ee x p e r i m e n t sv a l i d a t e dt h e f e a s i b i l i t y o fe v a l u a t i n gt h es t r e s sw i t hl c rw a v eb a s e do nt d ct r a v e lt i m e m e a s u r e m e n tp r e l i m i n a r i l y k e y w o r d s ：s t r e s sm e a s u r e m e n t ，l c rw a v e ，a c o u s t o e l a s t i ct h e o r y , t d c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：矽多年弓月矽日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：墨聋 日期：厕年乡月矽e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 应力的检测和分析一直是工程结构中不可缺少的重要环节，它们在工业生 产，尤其是国防、航空航天以及交通运输等领域中具有十分重要的作用，小到 金属螺栓，大到钢轨、桥梁，甚至飞机两翼，它们的安全状态都可以通过其内 部的应力状况反映出来。 与结构应力密切相关的一个典型例子是目前铁路中广泛使用的无缝钢轨， 由于长期暴露在野外较为恶劣的环境下，加上温度变化和列车通过时所引起的 动载荷，钢轨内部往往存在较大的应力，过大的应力会造成钢轨的弯曲变形甚 至断裂，极易导致列车的脱轨事故，严重威胁到铁路运营的安全。因此，高测 量精度、高可靠性的应力测量装置对工业各部门的安全生产有着重大的意义。 多年来国内外各研究单位一直致力于工程结构应力检测和分析领域的研 究，不少应力检测技术已经应用到实际工程应用当中。 1 2 应力检测方法 随着科学技术的飞速发展，计算机在应力状况的理论分析计算方面得到了 广泛的应用，并逐步发展了一大批工程程序和计算方法，计算精度也大大提高。 然而，许多实际情况和问题很难通过理论计算与分析完全解决，这时就需要依 靠实验应力检测技术提供依据。因此，近几年来，人们将目光较多地转移到实 验应力检测的方法研究上来，并形成了- - l - j 学科，发展迅速，在国内外相关领 域中得到了广泛的应用。 1 2 1 实验应力分析方法 所谓实验应力分析( e x p e r i m e n t a ls t r e s sa n a l y s i s ) ，是指采用实验的方法，利 用实验过程中某个物理量的变化来测定指定目标中的应力。它既可用于研究固 体力学的基本规律，为发展新理论提供依据，又是提高工程设计质量，进行失 效分析的重要手段1 1 。 电子科技大学硕士学位论文 按照测量方式的不同，实验应力检测方法可以分为电学方法、光学方法、 声学方法和其他方法等四大类。 电学方法 电学方法是以应变计为传感元件，把被测物体的应变量转换为应变计相应 物理量的变化，再通过电学方法进行测量，从而反映被测物体应力状况的一种 方法。电学方法主要包括电阻应变计、电容应变计等几种方法。是一种应用广 泛、使用经验丰富的成熟方法。 光学方法 光学方法是利用光弹性原理，将构件的力学问题转化为同条件下光学问题， 再用光学原理对构件应力状况进行评估的一种方法。该方法能有效地解决几何 形状和载荷条件都较复杂的二维和三维应力问题，发展较快，应用形式较多。 主要包括光弹性法、光弹涂层法等等。 声学方法 声学方法是利用声弹性效应，通过测量由于构件中应力所引起的声波的参 量变化来反映应力情况。此方法近年来发展较快，其中部分方法已经成为较成 熟的技术，应用在工程中。声学方法主要包括超声波法、声发射法等等。 其他方法 除了以上介绍的几种应力检测方法之外，较常见的实验应力分析方法还有 x 射线法、巴克豪森法、脆性涂层法、热弹性效应法等等。 下面简要介绍几种工程中常用的应力分析方法。 1 电阻应变计法 电阻应变计是一种把被测工件的应变量转换为电阻变化量的传感器，其敏 感部分由金属材料制成，利用金属应变与电阻之间的函数关系( 电阻应变效应) ， 将应变转换为电量变化，再用电学方法进行测定，从而达到测量工件应力的目 的。电阻应变计结构如图1 1 所示。 图1 1 电阻应变计 2 第一章绪论 采用电阻应变计测量工件应力时，需要将其固定在被测工件表面，当构件 受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使应变计产生电阻变 化，其变化率和应变计所在处构件的应变成正比。测出电阻变化，即可按公式 算出该处构件表面的应变，并算出相应的应力。 采用这种方法测量应力，能够达到较高的测量精度和灵敏度，频率响应好， 测量范围广，并且易于实现，可以用于各种复杂环境下测量多种力学参数。但 是它只能测定工件表面一点在某个方向上的应力，不能直观得出构件应力分布 的全貌，并且应变片必须与工件接触，不宜实现动态在线检测，且所测得的应 力只是相对应力，无法直接测量绝对应力。因此使用领域受到很大的局限。 2 光弹性法 光弹性法是一种光学应力测量的模型实验方法。测量时先将具有双折射性 能的透明材料制成与实际工件形状相似的模型，并将其置于偏振光场中，施加 与原型相似的载荷，获得干涉条纹。测定这些干涉条纹，根据光弹性原理，即 可算出模型上各点的应力大小和方向。再由模型相似理论将模型应力换算为原 型应力1 2 】o 其测量原理如图1 2 所示。 图1 - 2 光弹性法 光弹性法的特点是通过干涉条纹可以直接观察和测量零件中的应力分布， 直观性强i 是一种全场应力测量法。它能提供零件高应力区的位置和大小，给 出表面和内部各点应力的峰值，同时，它也指出零件中材料没有充分发挥作用 的低应力区。 用光弹性法能够分析几何形状和载荷条件都比较复杂的二维和三维应力问 题，特别是可以用来测量其他方法难以解决的应力集中及内部应力问题。利用 光弹性贴片法，还可以在实际零件上直接测取应力。也可以扩展到动态应力、 热应力、各向异性以及非弹性体等问题的研究。 电子科技大学硕士学位论文 3 超声波法 超声波法是通过测量超声波在材料中的传播速度来测量内应力大小的。当 工件受到应力载荷时，其内部材料的特性也发生变化，从而影响超声波在其中 传播的速度，通过测量速度的变化( 通常使用间接手段) ，即可评估工件中应力 的状况。超声波法的测量原理如图1 3 所示。 发射探头 试块 接收探头 嘲一一努露嘲 毖缢誓必盔澎毖边缓进缢蛰 图1 3 超声波法 这种方法的特点是测量时间短，测量仪器相对简单，因而在近年来得到了 广泛的发展和应用，测量手段和仪器也层出不穷，是目前使用最广泛的无损检 测手段之一。 4 x 射线法 组成金属材料的晶格是由一定晶体结构的无数晶胞组成的，当金属受到力 的作用时就会发生应变，晶格中各晶面的距离也随之发生变化，只要知道晶格 内特定晶面族的面间距变化就可以得出应力值。x 射线法就是利用x 射线穿透 金属晶格时发生衍射的原理，测量金属材料或构件的表面层由于晶格间距所产 生的应变，从而计算出应力的一种方法【3 1 。如图1 4 所示。 图1 - 4 射线法 x 射线法具有准确性好，可靠性高等优点，但是该方法的测量精度受到许 4 第一章绪论 多因素的影响，如工件结构、衍射面的选择和x 射线的波长等等，因此也不适 于在线实时检测。 5 巴克豪森法 铁磁材料内部存在许多微小的、不同取向的小磁畴。在无外界因素作用下， 每个磁畴均沿其易极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零。当有外加交变 磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生9 0 0 或1 8 0 0 反转或使磁畴壁移动， 导致磁畴发生一定规则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、 阶跃式的跳跃脉冲信号，通常称为巴克豪森信号。这种现象也被称为巴克豪森 效应，每一次巴克豪森跳跃在铁磁材料表面的检测线圈内会形成感应电脉冲信 号，称为巴克豪森噪声( b a r l d a a u s e nn o i s e ，b n ) 。这种噪声信号对材料的内应 力非常敏感，并且在材料的弹性范围内，b n 信号会随拉伸应力的增加而增加， 随压缩应力的增加而减小【4 1 。 巴克豪森法是一种无损应力检测方法，具有检测精度高、速度快、便携性 好等特点。 1 2 2 几种应力测量方法的比较 以上介绍了几种工程中常见的应力测量方法，每种方法各有优劣，现比较 如下： 表卜1 常见应力测量方法的比较 测量方法破坏性可靠性应力类型分辨率速度操作性 电阻应变片法无损 好表面应力较高慢好 x 射线法无损好表面应力高慢好 巴克豪森法无损好体应力局快 好 光弹性法无损好表面应力高慢不好 超声波法无损好体表面应力 高快好 综上所述，在工程应用中使用一种可靠性高、使用方便、测量精度高、测 量速度快又对工件本身无损的应力检测方法就显得非常重要。 超声波应力检测技术以其良好的无损性和较高的测量精度以及便捷性等优 势在近几年取得了很大的发展，许多超声波应力检测技术和测量仪器也相继出 现，其中许多检测方法已经成为很成熟的技术。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 国内外超声波应力检测技术的发展状况 国内外从事超声波应力检测的单位很多，国外如美国德克萨斯州a & m 大 学、法国瓦勒杜纳公司、日本京都大学等等；国内有中国科学院声学研究所、 上海同济大学声学研究所等等。 其中，美国德克萨斯州a & m 大学和d o ne b r a y 公司在l c r 波应力检测方 面做了很多基础性和开拓性的研究，利用l c r 波测量压力容器以及钢板焊缝中 的残余应力，已获得较好的效果【5 】：法国瓦勒杜纳公司采用声双折射方法测定 车轮应力，取得一定的效果，目前已投入使用【6 l ：日本京都大学利用激光超声 波测量h 型钢梁的残余应力，可用于较远距离遥控测量，还适合高温等恶劣环 境下的测量【7j 。 中国科学院声学研究所在超声波应力检测方面做过许多基础性的研究，在 超声波材料及器件研究方面取得了不少成果；上海同济大学声学研究所在超声 波螺栓应力检测方面也取得了一定的成就，他们在l c r 波应力检测领域也进行 了相关的研究和实验【8 】【9 】【10 1 。 此外，波兰和日本等国家也已经成功地将超声波应力检测技术应用于铁路 工业中，并得到了正式认可，在许多国家投入运用【l l 】【12 1 。 6 第二章超声波的特点及其在检测中的应用 第二章超声波的特点及其在检测中的应用 2 1 弹性固体中的超声波 弹性媒质中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波，当其 频率高到超声频率范围时( 2 0 k h z ) ，我们便称其为超声波( u l t r a s o n i cw a v e ) ， 有时也称超声( u l t r a s o u n d ) 。 超声技术出现于上世纪初，其发展情况表明，超声是声学发展中最为活跃 的一部分。与光波不同，超声波能够在几乎所有介质中传播，包括气体、液体、 固体和固熔体等等。而在这些介质当中，不同的外部或内部条件都会引起超声 波传播特性的改变，也正是由于这个原因，使得超声波在工业检测领域中得到 了广泛的应用。本文中主要研究超声波在固体中的传播。 2 1 1 超声波在固体中的波动方程 弹性固体中的扰动之所以能够以波的形式向四周传播，其基本原因是组成 弹性体的质点之间存在着相互作用力。弹性体可以看成是由连续分布的质点组 成，而质点之间是互相联系的，当由于某种原因使弹性体某一质点受到机械扰 动时，就会引起相邻质点产生振动，其振动相位随振源距离不同而有所差异， 使扰动在介质中向四周传播。 以无限固体弹性媒质中任意一点处的一个小体积单元8 x 6 y s z 为例，作用在 它六个表面上的应力分量情况如图2 1 所示。其中瓦为各表面上的应力分量， 下脚标f 表示应力的方向，表示应力所在的垂直于坐标轴的平面。从图中可以 看出，作用在每个表面上的应力不仅包含垂直于该表面的垂直分量，还包含平 行于该表面的切向分量【1 3 】。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 作用于崮体媒质中小体积兀的应力分量 当忽略该小体积单元的重力因素时，它在x 、y 、z 三个方向上的力是六 个表面上沿该方向各分量的合力，通常取指向各轴正方向的应力分量为正值， 则可以算得三个轴向上的合力及加速度，再利用反映应力与应变之间关系的广 义胡克定律，就可以推导出超声波在固体介质中的波动方程，如公式( 2 1 ) 所 示。 p 擎= ( 允+ 2 ) v ( v f ) 一胛( v 孝) ( 2 - 1 ) 其中，p 是介质的密度：善为介质中质点振动的位移矢量：兄和是材料 的二阶弹性常数。 从上式可以看出，在等号右边有两个与空间变化有关的项，其中第一项含 有位移矢量的散度v 孝，第二项含有位移矢量的旋度v 孝。利用该传播方程， 可以推导出固体媒质中传播的两种常见波型一压缩波和切变波。 1 固体中的压缩波 压缩波是当位移孝为无旋矢量，即v 孝= 0 时的一种特殊形式，此时的波 动方程可以表示为： v 2 孝= 专豢 ( 2 - 2 ) 8 第二章超声波的特点及其在检测中的应用 其中，k = j 生，是压缩波的传播速度 2固体中的切变波 切变波是当位移f 为螺旋矢量，即vf = 0 时的一种特殊形式，此时的波动 方程可以表示为： 矿f = 古警 ( 2 - 3 ) 其中，2 抬，是切变波的传播速度。 从| 三【i 讨论中可知，压缩波和切变波是超声波在固体中传播的两个特例， 在一般情况下，波动方程的解应是上述两种波的叠加。 212 超声波的传播 在固体中，声波是咀质点振荡的形式进行能量传播，按其传播方式的不同， 可以将其分为纵波( 1 0 n g i t u d i n a lw a v e ) 、横波( s h e a r w a v e ) 、表面波( s u r f a c ew a v e ) 和板波( p l a t ew a v e ) 等。 1 超声纵波 纵波中质点的振动方向与超声波的传播方向一致，也就是说质点的位移是 无旋位移，因此纵波就是前面所介绍的压缩波，在纵波传播过程中会有压缩力 和膨胀力存在，其传播速度也与压缩波相同。纵波的传播如图2 - 2 所示 “ 。 | | | | li 陲l | | | | 8 l l i 曩。 纵波传播方向 ：质点运动方向 图2 2 超声纵波的传播 在超声技术中，纵波一般是指偏振方向平行于某个特定参考面的压缩波 也称为平面纵波，它是固体中压缩波的种特殊形式。 2 超声横波 电子科技大学硕士学位论文 横波中质点的振动方向垂直于超声波的传播方向，其质点位移是螺旋矢量， 属于切变波，如图2 - 3 所示。由于横波的声速取决于剪切弹性模量，因而又 称其为剪切波。 质点运动方向 横波传播方向 图2 - 3 超声横渡的传播 3 表面波 表面波在相对较薄的固体介质中传播，其传播深度约为一个波长。在表面 波的传播中，质点是沿着椭圆的轨道在表面运动的，如图所示。瑞利波( r a y l e i g a w a v e ) 是表面波中的一种，由于它对表面缺陷非常敏感而且能够沿着弯曲的表 面传播，因而使用较为广泛，常用来检测其他类型的超声波无法检测的区域。 表面波的传播如图2 - 4 所示。 图2 4 表面波的传播 4 板波 板波只能在非常薄的金属介质中传播，l a m b 波是其中较为典型的一种， 常用在超声无损检测当中，质点振动方式较为复杂，与振动频率、传播介质的 第二章超声波的特点及其在检测中的应用 密度、弹性、材质特性以及厚度均有关系，最常见的振动方式有两种，分别是 对称式和非对称式，如图2 5 所示。 图2 5 板波的传播 2 1 3 超声波的发射与接收 对称式 超声波的发射是指利用各种超声换能器，将其他形式的能量如机械能、电 磁能、光能等等转换为超声振动能量并向周围介质中传播。 超声波的接收过程则刚好相反，它是利用超声接收器将周围介质超声场中 的各种超声信号转换为便于处理的电信号或光信号，再送入后续环节，进行信 号的处理和显示等等。 发射和接收是研究与利用超声波的基础，在超声学日益发展的今天，人们 已经掌握了产生、接收各种所需频率、频谱、声强、功率、波型和波形超声波 的方法、技术和设备。目前较常见的超声换能器包括以下几种形式： 1 压电型超声换能器 压电型超声换能器是由石英、铌酸锂、锆钛酸铅等具有压电效应的晶体制 成，当在这些材料上施加交变电压信号时，它们会以一定的频率进行伸缩变化， 从而激励出相应频率的超声波。 同时，这些材料还具有逆压电效应，即当受到交替拉压时，在电极两端会 产生相应频率的电压信号。因此压电超声换能器既能用来产生超声波，也能用 来接收超声波。 毒t “撼m、似私 电子科技大学硕士学位论文 压电超声换能器具有结构简单、频带宽、质地轻软等特点，在超声领域中 的应用最为广泛。 2 磁致伸缩型超声换能器 镍、铁铝合金、铁氧体等材料在受到外部磁场作用时，沿磁力线方向会产 生伸缩形变，磁致伸缩型超声换能器就是利用这种磁致伸缩效应而制成的。与 压电效应一样，磁致伸缩效应也具有逆效应。 与压电超声换能器相比，磁致伸缩型超声换能器具有机械强度高，性能稳 定，等效输入阻抗低、输出声功率大等特点，但是它产生超声波的频率较低， 因而常用在低频功率超声设备中。 3 光声型超声发射器 光声型超声发射器的原理基于激光超声技术，当激光脉冲作用在介质上时， 光能会被介质吸收，介质变热并产生膨胀，由此引发压缩波。这种方法在不同 的介质中会产生不同类型的超声波，在液体介质中通常会产生纵波，并具有一 定的指向性；而在固体当中则会产生纵波、横波和表面波。 相对于前两种超声波产生方式，激光超声技术起步较完，但其发展迅速， 具有非接触检测的优点，许多新应用也正在继续探索当中。 超声波作为一种信息载体，已经在海洋探察与开发、无损检测与评价、医 学诊断及微电子学等领域发挥着不可取代的独特作用；与此同时，超声波作为 一种能量形式，通过它与传播媒质相互作用而产生的种种效应，已经在物理、 化学、生物及医学等基础研究和应用技术开发中展示出十分广阔的前景。 2 2 超声波检测技术 1 无损检测技术 无损检测技术( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) 是- - f l 新兴的综合性应用学 科，所谓无损，是指它在对材料、产品或者结构进行各种检测时不会使被检测 物体受伤、分离或者损坏。其目的在于在不破坏材料工件或产品的前提下，及 时发现制造或使用过程中工件或产品所存在的缺陷，改进制造工艺，降低制造 成本，提高可靠性，尽量减少发生损坏的概率。 无损检测方法很多，包括射线检测法、超声波检测法、电磁检测法等等， 无损检测技术的发展也经历了无损探伤( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，n d i ) 、无 损检测( n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) 和无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n 1 2 第二章超声波的特点及其在检测中的应用 n d e ) 三个阶段l l 引。 2 超声波检测技术 超声波检测是种无损检测技术，它利用超声波的传播和信息载体的特性， 检查材料的缺陷，测量物体的几何尺寸( 厚度、液位等) 、物理化学性能( 弹性、 硬度、粘度、浓度等) 及其他非声学性质与参量( 流速、流量、温度等) 。 超声检测技术的应用非常广泛。它的突出优点是检测可靠，测定迅速，操 作简便，便于在线现场使用，对人体无害，对系统不改变运行状态，测量仪器 设备成本低、可用性好，寿命长，携带方便，因此在国内外已经成功地应用于 船舶、冶金、机械、石油、化工、食品、电子、航天、建筑、农林、水产及医 疗等领域，是国民经济中颇有特色的产业之一【1 6 】。 超声波检测技术按照使用方式和目的的不同，又可以分为超声工业检测和 检验。 超声工业检验是利用超声波探测介质或部件内部的缺陷，包括金属与非金 属原材料内部缺陷的探测，粘接或焊接缺陷的探测，地层缺陷的探测，常称为 超声无损探伤。 超声工业检测，则是利用代表待测介质的特性或状态的诸非声学量( 如液 体的密度、浓度、粘度、流量、液位和土地的致密度、晶粒度或球化率、弹性、 硬度、粘接强度、厚度、应力及温度等) 与描述介质声学特性的声学量( 如声 速、衰减、声阻抗等) 之间存在的关系，通过这些关系来测定分析介质的特性， 评价介质质量和测出某些与工程有关的参量。 2 3 超声波应力检测 随着声速、时间测量精度的不断提高，各种高精度声速、声时测量方法越 来越完善，以固体介质中应力和声速关系为基础的超声波应力检测技术在近几 年得到了很大的发展，这些方法都是使超声波直接通过被测工件，以被测工件 本身作为敏感元件，通过声速的变化反映工件的应力。目前超声波应力检测技 术主要用在螺栓轴向应力的检测和构件残余应力与焊接应力的检测等方面，并 且已经逐渐发展为一项成熟的无损检测技术。 超声波应力检测技术通常采用体波和表面波两种不同类型的波来测量介质 中的应力。此部分内容将在第三章中进行较详细的讨论。 电子科技大学硕士学位论文 第三章超声波应力检测的理论基础 在给超声波的传播介质施加一定的应力载荷时，超声波的某些传播特性将 会发生相应的改变，基于声弹性理论的受载荷介质中声波传播研究也已经有很 长的历史：本章将针对声弹性理论和介质中应力与超声波传播速度的关系进行 详细的阐述。 3 1 声弹性理论 弹性波在有应力的固体材料中的传播速度不仅取决于材料的二阶弹性常数 和密度，还与高阶弹性常数和应力有关。这种声速与应力之间的关系称为声弹 性效应，它是声弹性应力测定的依据。声弹性理论是研究弹性波的传播速度与 应力之间的关系，其基本假设概括为：1 连续体假设；2 声波的小扰动叠加在 物体的静态有限变形上；3 物体是超弹性的、均匀的；4 物体在变形过程中可 视为等温或等熵过程【l 。 当物体存在初始变形( 因而存在应力) 时，会出现两种可能。一种可能是 初始变形与变形梯度很小，以至于线性应力应变关系( 3 1 ) 仍然适用。 1 7 = e s ( 3 - 1 ) 其中盯代表应力，占代表应变，e 是材料的弹性模量。 在这种情况下，所有的基本控制方程仍然是线性的。这样，如果物体具有 初始小变形，且应力和应变关系符合( 线性) 胡克定律，那么波传播的控制方 程与介质无初始应力时相同。因此，对于初始微变形的情况，波速和波的所有 其他特征仍旧不变。物体内的净位移、应力和应变场仅仅是初始场和附加场简 单的代数和。这种线性理论的最终结果之一就是：在一个物体内可以同时存在 多个小振幅波而互不干扰即任何单一波的特性就好像物体内仅存在这一个 波一样。 初始变形的第二种可能是变形足够大，以至于应力与应变的关系不再满足 线性胡克定律。此时，应力不仅与应变成线性关系，而且它还取决于应变分量 的平方，如( 3 - 2 ) 所示。这就是非线性应力- 应变关系，它是解释波速与应力对应 1 4 第三章超声波应力检测的理论基础 关系的最根本依据。 仃= q + 乞占+ 三c 3 s 2 其中，c l 、c 2 、巳分别为一阶、二阶和三阶弹性系数。 3 2 超声波传播速度与应力的关系 ( 3 - 2 ) 声速与应力之间关系的研究可以追溯到上世纪5 0 年代，在h u g h e s 利用超 声波测定出晶体三阶弹性系数之后，他又与k e l l y 共同提出了各向同性材料中 声速应力关系的早期表达形式，建立了声波在材料中传播速度与应力之间的关 系。在后来的研究中，许多研究人员也导出了各种不同类型小振幅波由于应力 存在所引起的波速变化的公式。图3 1 所示为直角坐标系中超声波与应力场的 关系【18 1 。 应 应 应 ( a ) 波的传播方向 ( b ) 力 力 力 ( c ) 图3 - 1 直角坐标系中的超声波与应力场 其中，第一脚标代表超声波传播的方向，第二脚标代表质点运动的方向。 电子科技大学硕士学位论文 这里我们引用这些公式中较为常见的形式。 1 沿应力方向传播的纵波 图3 一l ( a ) 中，超声波的传播方向平行于应力方向，k 。代表波传播7 y n - 与质 点运动方向一致( 即纵波) 的波速，它与介质中应力的关系可以表示为： 矾2 珊2 + 赤降( 4 2 + 1 0 t + 4 m ) m 2 刁b 3 ， 其中，岛是介质发生形变之前的密度， l 、提是介质的三阶弹性系数。 2 垂直于应力方向传播的纵波 五和代表介质的二阶弹性系数，聊、 图3 - l ( b ) 中，超声波的传播方向垂直于应力方向，圪：代表纵波的波速，它 与介质中应力的关系可以表示为： 肌v2 = 2 + 2 1 4 。赤 2 ；- 警2 帅) ( 3 - 4 ) 3 沿应力方向传播的横波 图3 一l ( a ) 中，超声波的传播方向平行于应力方向，k ：和k ，代表波传播方向 与质点运动方向垂直( 即横波) 的波速，它与介质中应力的关系可以表示为： 岛k 2 2 = , u - 3 1 + ”2 ul 。4 , u ”+ 4 旯+ 4 + 朋j ( 3 - 5 ) 4 垂直于应力方向传播的横波 图3 1 ( c ) 中，超声波的传播方向垂直于应力方向，按照介质中质点运动方 向的不同，这里又可以分为两种情况： 1 1 质点的运动方向平行于应力方向 巧，代表横波的波速，其质点运动的方向平行于应力方向，它与介质中应力 的关系可以表示为： 矾2 邓+ 赤【- 卅老“铊叫 p 6 ， 2 ) 质点的运动方向垂直于应力方向 巧：代表横波的波速，其质点运动的方向垂直于应力方向，它与介质中应力 的关系可以表示为： 1 6 第三章超声波应力检测的理论基础 矾2 叫赤卜等棚司 佟7 ， 由以上讨论可知，纵波对应力尤其是沿波传播方向的应力最为敏感，其次 是沿应力方向传播的横波，而应力对垂直于应力方向传播且质点运动方向垂直 于应力方向的横波的传播速度无明显影响。 3 3 常规超声应力检测方法及其局限性 目前常规的超声波检测方法主要包括纵波法、声二次折射法以及表面波法 等等。 1 纵波法 这种方法基于介质中应力对波速的影响，通过测量纵波传播的速度来评估 物体中的应力情况。沿应力方向传播的超声纵波对应力最为敏感，因此纵波法 也是工业中最广泛采用的超声应力测量方法，如纵波法测量螺栓内部的应力， 已经是一项非常成熟的技术。 然而这种方法主要适用于测量具有相对端面且两端面距离较近物体的法向 应力，利用在物体内部传播超声波的参量来表征应力情况；对于长距离内无相 对端面的连续体，则无法使用这种方法进行测量，如无缝钢轨中应力的测量等 等。 2 声双折射法 当金属受到应力作用时，其内部特性会发生改变，此时就会引起金属材料 的各向异性，从而将入射到其中的横波分解成两个不同速度的横波，这种现象 称为声弹性声双折射。 声双折射法就是利用金属材料的这样一种特性，通过测量双折射后两个横 波在固定距离内的传播声时差来反映介质中的应力。声双折射法对试件的各向 异性很敏感，因此常被用来检测金属介质中的残余应力。 遗憾的是，在实际情况下，应力并不是造成金属各向异性的唯一原因，在 多晶金属试件中，最容易形成的晶粒排列或取向，通常都会引起声双折射，并 且它与由应力引起的声双折射处在同一个数量级，另外声双折射法在实际测量 时也需要两个相对的端面，因此该方法的应用范围受到了一定的限制。 3 表面波法 1 7 电子科技大学硕士学位论文 表面波法利用声表面波器件频率与应力的线性变化关系实现对应力的敏 感，表面波沿介质表面传播，其发射和接收装置也能够安装在被测物体表面， 因此能够直接在零件表面测量其中的应力状况。 然而声表面波深入介质的深度较浅，通常仅为一个波长左右，因此无法完 整、准确地反映零件的内部应力。 临界折射纵波的发现为超声波应力测量开辟了新的思路，利用特殊的发射 和接收装置，就可以在表面直接测量物体内部的切向应力。 第四章l c r 波切向应力检测方法的研究 第四章l c r 波切向应力检测方法的研究 4 1l c r 波简介 临界折射纵波( c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l ，l c r ) ，在某些文献中也将 其称为次表面纵波( s u b s u r f a c el o n g i t u d i n a lw a v e ，s s l w ) ，它在物体表面以下 平行于表面进行传播，传播深度通常能够达到几个波长，而瑞利波等其他表面 波传播深度则仅为一个波长。由于是纵波，l c r 波对沿其传播方向的切向应力 有着很强的敏感性，此外，l c r 波有着较低的衰减率，有研究表明在4 5 # 钢中 l c r 波能够传播超过1 2 i n ( 约3 0 0 m m ) 并保持良好的波形。综上，l c r 波非常适 合用来从表面测量传播方向上的切向应力大小【l 9 1 。 4 2l c r 波的产生机理 4 2 1 超声波的折射 当一束超声波以一定的倾斜角达到两种不同声阻抗介质间的界面时，会在 界面处发生波型的转换。此时，一部分能量在第一种介质中被界面反射，反射 角等于入射角，另一部分能量进入到第二种介质中，形成纵波和横波两种类型 的超声波。如图4 1 所示。每种介质中声波传播的速度由介质本身的某些特性 决定，如弹性模量和密度等。 图4 1 超声波的折射和反射 1 9 电子科技大学硕士学位论文 4 2 2s n e l l 定律 超声波折射现象中的折射角不仅与入射角有关系，还与超声波在两种介质 中的传播速度有关，这种关系可以用s n e l l 定理进行描述，即： s i n o o ：= s i n o t ：= s i n o , ( 4 - 1 ) v okk 其中，r o 和k 分别为纵波在介质i 和介质i i 中的传播速度：k 为横波在介 质i i 中的传播速度：o o 为介质i 中纵波的入射角；q 和见分别为介质i i 中纵波 和横波的折射角b o 】。 当纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中时，会有一个特殊入 射角使折射纵波的折射角等于9 0 0 ，这个角度就是第一临界角( f i r s tc r i t i c a l a n g l e ) 。当采用不同介质时，通过s n e l l 定理就可以算出第一临界角。如( 4 2 ) 所示。 巳= s i n 。1 ( v o v , ) ( 4 - 2 ) 其中，眈，为超声纵波在两种介质中传播的第一临界角。 当超声纵波以第一临界角入射时，大部分折射波能量将以“非均匀压缩波 的形式沿表面传播，并随传播的深度呈指数级衰减。这种波也称为“爬波 。 4 2 3l c r 波的发射和接收 有 璃 搂一l 被测物体 图4 - 2l c r 波激发探头 当超声波以第一临界角入射到两种介质的界面时，第二种介质中的纵波均 沿表面传播，形成l c r 波。l c r 波的激发通常采用有机玻璃楔块作为介质i ，被 4 3 面， 出， 2 l 电子科技大学硕士学位论文 4 4l c r 波应力测量原理 基于l c r 波的以上特性，使得它非常适合用来在物体表面直接测量内部的 应力状况。本课题就是采用l c r 波测量4 5 # 钢块中的应力情况。 4 4 1 传播声时与应力 在前面的章节中，我们已经讨论过介质中的应力会对超声纵波的传播声速 造成影响。通常，在零应力情况下，纵波在介质中的传播声速为： = 浮 ( 4 - 3 ) 其中，岛是零应力状态下介质的密度，名和是二阶弹性系数。 为方便讨论，这里再次引出沿应力方向传播纵波波速与应力之间的关系如 下： = 兄伽+ 西t 脚ri l 2 + , u ( 、4 2 + 1 0 v + 4 m ) + a 捌 ( 4 - 4 ) 其中，v 是受应力情况下纵波的传播速度，和所是三阶弹性系数，仃为应力 大小，为正表示压应力，为负表示拉应力。 将( 4 3 ) 代入上式，可得： y 2 = 圪2 ( 1 + k o - ) ( 4 5 ) 其中，k 为声弹性系数，并且 4 2 + 1 0 z + 4 m i 2 l - 3 2 - 1 0 , u - 4 m 七： 丝墨兰笪 3 2 + 2 , u 于是可以推出超声波传播速度的变化量与应力变化量之间的关系如下： 矿d y七 - - - 一= 一k 2d o - 2 ( 4 - 6 ) 由于波速受应力变化的影响非常小，因此上式中波速的变化可近似视为 一阶无穷小，于是( 4 - 6 ) 又可以简化为： 第四章l c r 波切向应力检测方法的研究 d o = 二d v ( 4 7 ) k v o 、。 其中，d o 是应力的改变量( m p a ) ，d v 是纵波传播速度的改