（精密仪器及机械专业论文）基于TDC的LCR波切向应力测量信号处理方法的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 设备的运行状态与其内部结构应力之间存在着紧密的关系。为了保障设备 运行的安全性和可靠性，人们希望对其内部的应力状况进行有效的监测和评估。 工程实践中常用于应力检测的方法有电阻应变法、巴克豪森法、x 射线法 和超声波法等。同其它检测方法相比，超声波应力检测法具有灵敏度高、准确 性好及可操作性强等优点，从而成为一种公认为最有前途的无损检测方法。 本文以声弹性理论为基础，设计并制作了一套基于t d c ( t i m et od i g i t a l c o n v e r t e r ) 利用l c r 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 lw a v e ) 测量弹性介质 中的切向应力的实验平台，并在微机控制的万能试验机上进行了初步的实验。 本文首先介绍了超声波应力检测的基本理论，重点介绍了l c r 波的产生机 理及其在应力检测中的应用。接着介绍了基于t d c 的切向应力测量实验平台的 硬件结构及其工作原理，详细介绍了高精度的时间测量芯片t d c g p l 的原理和 使用。然后对控制程序设计及程序流程进行了分析。最后给出了测试过程并对 实验数据进行了分析。 实验数据表明：在试件的弹性范围内，试件内部的切向应力与l c r 波在固 定传播距离下的声时变化有着良好的线性关系；证明了基于t d c g p l 的测试信 号处理方法在用l c r 波进行切向应力测量的可行性和正确性，为弹性介质中的 切向应力测量从理论研究走向实践应用提供了较高的参考价值。 关键词：切向应力，l c r 波，a v r 单片机，t d c a b s t r a c t t h eo p e r a t i o ns t a t u so fe q u i p m e n tk e e p sc l o s er e l a t i o nw i t hi t si n n e rs t r u c t u r a l s t r e s s i no r d e rt oe n s u r es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ，i t sn e c e s s a r yt om o n i t o ra n d e v a l u a t et h ei n n e rs t r e s so ft h ee q u i p m e n te f f e c t i v e l y t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d st h a ta r eu s u a l l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c et o e x 锄i n es t r u c t u r es t r e s s ：r e s i s t a n c ev a r i a t i o nm e t h o d ，b a r k h o u s e nn o i s em e t h o d ，x r a d i a lm e t h o d a n du l t r a s o n i cm e t h o de t c w i t hc o m p a r a s i o nt oo t h e r s ，t h e u l t r a s o n i cm e t h o d i s a c k n o w l e d g e d t ob eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n g n o n d a m a g i n gi n s p e c t i o nm e t h o di ns t r u c t u r a ls t r e s sm e a s u r e m e n tf i l e df o ri t sf i n e s e n s i t i v i t y , v e r a c i t ya n dg o o do p e r a t i o n f e a t u r e s t h i sp a p e rp r e s e n t sap l a t f o r mt h a tm e a s u r e st h et a n g e n ts t r e s so ft h ee l a s t i c m e d i au s i n gc r i t i c a l l yr e f r e c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e ( l c rf o rs h o r t ) b a s e do n a c o u s t i c e l a s t i c i t yt h e o r y t h ep r i m a r ye x p e r i m e n t s a r ec o m p l e t ei ng e n e r a l p u r p o s es t r e s se q u i p m e n tc o n t r o l l e db yp c t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fs t r e s si n s p e c t i o nu s i n gu l t r a s o n i ca t f i r s t t h em e c h a n i s mo ft h eg e n e r a t i o no fl c rw a v ei sd e s c r i b e di nd e t a i la sw e l l a si t s a p p l i c a t i o n t h e nt h e h a r d w a r es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo ft h e m e a s u r e m e n tp l a t f o r mb a s e do nt d ca r ei n t r o d u c e dw i t ht h eh i g hp r e c i s i o nt i m e t od i g i t a lc o n v e r t e r , t d ci nb r i e f , b e i n gd e s c r i b e di nd e t a i l a f t e rt h e s e ，t h ep a p e r a n a l y s e st h ed e s i g na n ds t r u c t u r eo fc o n t r o ls o f t w a r ea n dp r e s e n t st h et e s ta n dd a t a p r o c e s sa tl a s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et a n g e n ts t r e s sk e e p sq u i t el i n e a r r e l a t i o nw i t ht h ev a r i a t i o no ft h et i m ei nf i x e dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fl c r w a v e i ne l a s t i cr a n g e a l s o ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d sf o rm e a s u r i n ga n dp r o c e s s i n gl c rw a v ei ns t r e s sm e a s u r e m e n t t h e r e s e a r c h p r o v i d e s b e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft a n g e n ts t r e s s m e a s u r e m e n ti ne l a s t i cm e d i af r o mt h e o r yt op r a c t i c ew i t ht d c k e y w o r d s ：t a n g e n ts t r e s s ，l c rw a v e ，a v rs e r i a l sm c u ，t d c u 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：盘笙日期：切形年弓月，岁日 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) 签名名牟导师签名： 日期：硎年弓月ff 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一旱强化 应力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、国防和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各工业部门的安全生产有着 重大的意义。 多年来国内外许多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 实验应力检测方法 随着计算机技术在工程领域应用的日益深入，许多复杂的结构应力都可 以通过a n s y s 等软件进行仿真和分析，但是这些模型毕竟同实际情况有很大 的差异。因此实验应力测量仍是检测物体内部结构应力必不可少的手段。 工程实践中常用的应力测量方法有电阻应变法、巴克豪森法、x 射线法 和超声波法等。 1 、电阻应变法 电阻应变片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，利用金属应变与应力之间的函数关系( 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。 电子科技大学硕士学位论文 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 、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 成为巴克豪森效应，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 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【l j 。 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。 3 、x 射线法 组成金属材料的晶格是由一定晶体结构的无数细胞组成的，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【2 】。 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。 2 第一章绪论 4 、超声波法 超声波法是以声弹性理论为基础，利用弹性介质中声速或者频谱的变化 与弹性介质内部应力之闻非常理想的线性关系来进行测量的【3 l 。 这种方法的特点是测量时间短，测萋仪器相对简单，因丽在近年来得到 了广泛的发展和应用，测量手段和仪器也层出不群，是目前使用最广泛的无 攮检测手段之一。 表1 1 列出了几种常见应力测量方法的特点比较。 表l 。l 常冤痘力测鬣方法魄比较 测量方法破坏性可靠性应力类型分辨率速度 操作性 电隰鹰变片法无撰 不好 表瑟鹰力 较离慢好 x 射线法 无损 好 表灏应力高慢好 巴克豪森法无损好体应力裹馒妊 光弹性法秃揍好表诼藏力高馒不好 超声波法无损好 体表面威力岗快 ； 孑 献上表可以看癌，超声波应力检测方法具有灵敏度高、检测速度快、可 靠性好等优点，是一种非常具有前途的无损威力检测方法。 1 3 囡内外超声应力检测的发展状况 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、法国嚣勒枉纳公司、日本京都大学等等；国成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 方面徽了缀多基础憾和歼拓性的磷究，拳l 耀l c r 波测量压力容器黻及钢板浑 缝中的残余应力，已获得较好的效果【4 】：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，髫前已投入使用i s l ；匿本京都大学利鼹激光 超声波测量h 型钢梁的残余应力，可用予较远距离遥控测量，还适合高温等 恶劣环境下的测量，目蘸仍处于实验研究阶段嘲。 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；上海网济大学声学研究所在 3 电子科技大学硕士学位论文 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【7 j 【8 j 【9 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【1 0 】【l l 】。 1 4 本文的研究内容 本文以声弹性理论为基础，在对l c r 波应力测量的原理及l c r 波在固定 传播距离的声时与介质内部的切向应力之间的关系进行了研究和分析之后， 设计并制作完成了一套基于t d c 的应力测量实验装置，并在微机控制的万能 试验机上进行了初步的实验。 实验表明，在试件的弹性范围内，试件内部的切向应力与l c r 波在固定 传播距离下的声时变化有较好的线性关系：实验结果与理论计算值比较接近； 表明了基于t d c 的l c r 波切向应力测试信号处理方法的可行性，为弹性介 质中的切向应力测量从理论研究走向实践应用提供了较高的参考价值。 全文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章，简要介绍了实验盈利监测方法和超声波应力检测方法在国内外 的发展状况以及本文的主要研究内容。 第二章，阐述了超声波应力测量的理论基础以及l c r 波应力测量的原理， 分析了l c r 波传播声时与切向应力之间的关系。 第三章，介绍了l c r 波应力测量的硬件系统，对系统的结构和工作原理 及主要电路进行了分析。 第四章，介绍了l c r 应力测量的软件系统。 第五章，介绍了应力测量系统的测试过程及在微机控制的万能试验机应 力测量的实验过程和数据分析。 第六章，主要研究工作总结及进一步的研究方向。 4 第二章l c r 波应力测量原理 第二章l c r 波应力测量原理 2 1 超声波在固体中的传播 2 1 1 超声波与超声检测 超声波是一种机械波。人们一般把振动频率在2 0 k h z 以上的声波称为超 声波。超声波可以在气体、液体和固体中有效的传播。在这些媒质中不同频 率、功率和强度的超声波具有各自独特的传播特性和效应，因而形成了诸多 相应的研究内容，具有广泛的应用领域。 人们对超声技术的研究始1 9 世纪初。现在，超声技术已成为声学发展中 最为活跃的一部分，广泛应用于冶金、医学、建筑等领域。其中超声检测和 功率超声的发展最为迅速，应用也最为广泛。本课题即属于超声检测的范畴。 同传统的检测技术相比较，超声检测技术具有快捷、灵敏、经济及非破 坏性等优点，是无损检测领域中一个新近发展的重要课题，受到了广泛的关 注。 2 1 2 超声波的传播 在固体中，声波是以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 rw a v e ) 、表面波( s u r f a c e w a v e ) 和板波( p l a t ew a v e ) 。 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，质点的位移是无旋位 移。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。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， 它是固体中压缩波的一种特殊形式。 2 、超声横波 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。由于横波的声速取决于剪切弹性模量，因而又称其为剪 电子科技大学硕士学位论文 切波。 3 、表面波 表面波在固体中传播对，质点是沿蓑椭圆的轨道在表蕊运动的。表面波 的能量集中于表面下2 个波长之内。瑞利波( r a y l e i g hw 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，常用来检测其它类型的超声波无法检测的区域。 4 、板波 板波在菲常薄的金属介质中传播。l a m b 波是其孛较为典型的一种，常用 在超声无损检测当中，它的质点振动方式较为复杂，与振动频率、传播介质 的密度、弹性、材质特性以及厚度均有关系。 2 2 超声波应力测量理论基础 2 2 1 声弹性理论 所谓声弹性，指的是传播于弹性介质中的超声波波速受弹性介质内部的 应力影响会产生微小的变化。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：l 、连续体锻设；2 、声波的小扰动叠加在物体的静态有艰变形主：3 、物 体是超弹性的、均匀的，物体在变形过程中可视为等温或等熵过程【1 2 1 。 当物体存在耪始变形( 因焉存在应力) 时，会出现两种可能。一种可憨 是初始变形与变形梯度很小，此时应力与应变之间的线性关系可以由公式( 2 1 ) 来描述。 拶= e ( 2 1 ) 其中口代表应力，占代表应变，昱是材料的弹性模量。 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 有初始微变形，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，对予拐始微变形的情况，波速秘波麴蕨 有其它特征仍旧不变。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：在个物体内可以囝 6 第二章l c r 波应力测量原理 时存在多个小振幅波而互不干扰一即任何单一波的特性如同物体内仅存在这 一个波一样。 初始变形的第二种可能是变形足够大，以致应力与应变的关系不再满足 线性胡克定律。此时，应力不仅与一点的应变成线性关系，而且它还取决于 应变分量的平方，如式( 2 2 ) 所示。这就是非线性应力应变关系，它是解释波 速与应力对应关系的最根本依据。 1， 仃= q + c 2 e + - 寻c 3 e ( 2 - 2 ) 二 其中，q 、岛、c 3 分别为一阶、二阶和三阶弹性系数。 2 2 2 超声波传播速度与应力的关系 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1 1 3 】。图3 1 所示为直角坐标系中超声波与 应力场的关系。 一波的传播方向 应 应 ( a ) 7 力 力 电子科技大学硕士学位论文 应 波懿传播方商 力 ( c ) 图2 1直角坐标系中的超声波岛应力场 其中，脚标l 代表超声波传播的方向，脚标2 代表质点运动的方向。 1 、沿应力方向传播的纵波 图2 一l ( 曲中，超声波的传播方向平行子应力方向，v l l 代表波传播方向与 质点运动方向一致( 既纵波) 的波速，它与介质中应力的关系可以表示为： 矾22+2a+，上32+2|等_+l“咖胁2叫,u o , u 其中，岛是介质发生形变之前的密度，五和代表介质的二阶弹性系数， m 、z 、栉是分质的三阶弹性系数。 2 、垂直于应力方向传播的纵波 图2 。l ( b ) 中，超声波的传播方向垂壹予应力方向，v 2 2 代表纵波的波速， 它与介质中应力的关系可以表示为： 反i ：2 2 2 = 2 + 2 , u + 一3 1 + 2 , u 卜谨舢) p 4 ， 3 、沿应力方向传播的横波 图2 一l ( a ) 中，超声波的传播方向平行予应力方向，v 1 2 和v 1 3 代表波传播 方向与质点运动方向垂盥( 既横波) 的波速，它与介质中应力的关系可以表 示为： p o k 2 2 = a + 赤4 川”叫( 2 - 5 ) 3 、垂直于应力方向传播的横波 图2 一l ( e ) 中，超声波的传播方向垂直予应力方向，按照介质中质点运动方 向的不扁，这里又可以分为两种情况： ( 1 ) 质点的运动方向平行于应力方向 v 3 1 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 3 第二章l c r 波应力测量原理 力的关系可以表示为： 隅2 叫+ 赤卜嚣m 2 叫 弘6 ， ( 2 ) 质点的运动方向垂直于应力方向 v 3 2 代表横波的波速，其质点运动的方向垂直予应力方向，它与介质中应 力的关系可以表示为： 躺2 2 = , t t 4 o 坝 舻等舻2 叫 弘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 次是沿应力方趣传播的横波，丽疲力对垂直予应力方向传播且质点运动方向 垂直予应力方向的横波的传播速度无明显影响。 2 3l c r 波应力测量原理 沿应力方向传播的超声纵波对应力最为敏感，然恧这种测量方法主要适 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，如图2 2 ( a ) 所示。 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。 临界折射纵波的发现为超声波应力测量开辟了新的思路。通过采用特定结 构的发射和接收装置，就可以在表面直接测量物体内部的切向应力，如图2 - 2 ( b ) 所示。 f 强 图2 2 超声缴波和l c r 波的应力测量方式 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 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 ) ，是由美国人b r a y d e 于1 9 9 5 年发现并提出的一种特殊纵波，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，而瑞利波等其它表面波传播深度 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【l4 1 。 2 3 2l c r 波的产生机理 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2 3 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2 - 3 超声波的折射和反射 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【”1 ，即： l o 第二章l c r 波应力测餐原理 s i n e o ：s i n o l ：s i n 0 , ( 2 - 8 ) 一= = z o圪圪 其中，虼和杉分别为纵波在介质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；民为介质i 中纵波的入射角；q 和吼分别为介质i i 中 纵波和横波的折射角。 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 。，这个角度就是第一临界角。当采用不同 介质时，通过s n e l l 就可以算出第一临界角。如( 2 9 ) 所示。 以= s i n 叫( v , ) ( 2 9 ) 其中，e ，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”。 2 3 3l c r 波的发射和接收 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。如图2 - 4 所示。 有 璃 吸声物质 叠 _ 、i 被测物体 图2 - 4l c r 波激发探头 事实上这种临界折射方式会在被测物体表面处激发出两种不同的纵波， 即纵向表面爬行波( l o n g i t u d i n a ls u r f a c ec r e e p i n gw a v e ，l s c w ) 和次表面纵 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 ) ，其中后者就是我们所说的l c r 波。实验表明，纵向表面爬行波在离开发射探头若干厘米之后便迅速衰减耗 尽，而l c r 波则能在介质中传播数十厘米并保持良好的波形【1 6 1 。 l c r 波的激发通常采用有机玻璃楔块作为介质i ，被测物体作为介质i i 。 电子辩技大学硕士学位论文 有机玻璃楔块中被反射的纵波经边界多次反射之后可麓会影响入射波的传 播，在楔块的外表面附加些吸声物质，可以吸收反射后的超声波，并将其 转化为热能形式耗散。 2 3 4l c r 波应力测量原理 通常，在零应力情况下，纵波在介质中的传播声速为： 巧= 浮 其中，岛是零应力状态下介质的密度，z 和是二阶弹性系数。 为方便讨论，这里褥次萼| 出沿应力方尚传播纵波波速与应力之间的关系 如下： 谨+ 赤 等( 4 n t 蚴“咖胁2 z 弘 其中，v 是受应力情况下纵波的传播速度，z 和槐是三阶弹性系数，仃为 应力大小，为正表示压成力，为负表示拉应力。 将( 2 - l o ) 代入上式，可得： v 2 = k 2 ( 1 + 露万) ( 2 1 2 ) 其中，k 为声弹性系数，并且 ，4 2 + l o t + 4 m 。2 1 - 3 2 - 1 0 9 - 4 m 七：l _ i i 三l ( 2 - 1 3 ) 3 五+ 2 “ 于是超声波传播速度的变化量与应力变化量之间的关系如下： yd yl 【 可。石2 三 2 斟) 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( 2 1 4 ) 又可以篙化为： 如。赢。y ( 2 - 1 5 ) 其中，打是应力的改变量( m p a ) ，d v 是纵波传播速度的改变量( 毗) ， 是零应力条件下纵波的传播速度。 1 2 第二章l c r 波应力测量原理 由以上讨论可知，介质中沿应力方向传播的纵波波速的改变量与应力的 改变量成正比。应力为正时表示压应力，波速随压应力的增大而增大；反之， 应力为负时表示拉应力，波速随拉应力的增大而减小。在某条件下，只要测 出超声波传播速度的变化量，就可以确定介质中应力的变化量，从而可以计 算出当前被测物体中应力的大小。 超声波的传播速度受应力变化的影响非常小，通常较难测量。常规的做 法是让超声波传播一段固定长度的距离，在传播速度和传播距离一定的条件 下，超声波在介质中传播所用的时间也是一定的，当超声波的速度发生变化 时，传播时间也会发生变化，这样就可以通过测量传播时间的变化来计算超 声波传播速度的变化。 由于声速与传播时间之间的关系可以用式( 2 - 1 6 ) 来描述，在将( 2 1 6 ) 两边 进行微分之后得出式( 2 1 7 ) 。 s v = 一 ( 2 - 1 6 ) f d r = - 砉出( 2 - 1 7 ) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 5 ) 中可以得到式( 2 1 8 ) 。 2 s d o = 一_ 出( 2 - 1 8 ) k v t 2 、7 对于固定的传播距离，由于t 的改变量不大，可以近似认为，= t o ，这样应 力变化量与声速改变量之间的关系又可以转化为固定距离条件下应力变化量 与传播声时改变量之间的关系，如式( 2 1 9 ) 所示。 d t = 一堕d 仃 r 2 1 9 ) 2 其中，西是纵波传播声时的变化量，乇是零应力条件下纵波传播过该段 固定距离所需要的时间。 通常情况下，超声波在一段介质中传播的总声时可以表示为： ，= t o + f f + k + 0 ( 2 2 0 ) 其中，气是不考虑应力和温度影响下超声波传播的声时；f f 是外加应力造成 的传播声时差；a t 魁是介质内部残余应力所造成的传播声时差；a t r 是温度改 变所造成的传播声时差。 电子科技大学硕士学位论文 可见，由应力所引起的传播声时差觚只与a t f 和，胚有关，所以有： a t s = a t f + a t r s = t t o 一1 0 ( 2 2 1 ) ，o 可以通过直接测量获得，f r 则与测量系统的环境温度有关。 1 4 第三章l c r 波应力测鼍崾什系统 第三章l c r 波应力测量硬件系统 3 1l c r 波应力测量系统的工作原理 利用l c r 波对弹性介质中的切向应力敏感这特点，将切向成力的测量 转化为弹性介质中l c r 波的传输时间测量，进而计算应力是本课题的个基 本出发点和主要测量思路。 3 1 1 试件选择 本课题选择的试件为国产4 5 号钢。其参数为如下【”j ： p = 77 9 c m 3 ： v l = 5 8 5 0 5 9 5 0 m l s ； n = 3 2 3 0 m s ： 其中： 口试件密度： ”：超声纵波波速； 屹：超声横波波速； 试件的尺i j ( 长宽高) 为：3 0 0 m m 4 3 m m x l 5 r a m ，其外形如图3 - 1 所 图3 - l国产4 5 # 钢试件 电子科技大学硕士学位论文 选择以钢作为试件具有取材方便、易于加工、抗拉压强度大等优点，更 重要的是钢在日常生活中被广泛运用。如铁路运输中铺设的无缝钢轨随环境 温度变化会形成温度应力。如能在本课题基础上实现对无缝线路的温度应力 的精确测量和预警，将对提高铁路运输的安全性具有极其重要的意义。 3 1 2l c r 波的传输时间 按照形= 5 9 0 0 m s 计算，在最大声程3 0 0 m m 的范围内，l c r 波的传播时 间约为5 0 8 5 s ，这个时间决定了系统的测量范围。文献【1 8 】表明，在2 5 0 m m 的 声程范围内，每1 0 0 m p a 的应力大约会引起5 0 n s 的声时差。以4 5 号钢试件的 屈服极限仃= 3 5 5 m p a 计算，如能在试件切向应力达到屈服极限1 0 的时候检 测出来，这将使得测量工作具有非常重要的实际应用价值。这就要求统能够 测定出a t 1 0 x 3 5 5 1 0 0 5 0 n s 1 7 8 n s 的声时变化，即系统对时间的测量 精度要在脚级以上。在通常的电子系统中，时间的测量一般采用单片机或者 微处理器的定时器来实现。如a v r 单片机的定时器就是采用系统时钟( 或者 其分频后的信号) 作为定时器时钟源，每一个时钟脉冲定时器计数一次，这 样即可实现时间的测量。然而，由于单片机或者微处理器系统的工作频率一 般不会超过2 0 m h z ，时间测量精度能够达到j 级。这样的计时系统显然不能 满足应力测量的要求。 随着微电子技术和半导体工艺的发展，人们不断研制出各种全新概念的 工具和手段，以满足对高精度时间测量日益增长的需求。2 0 0 1 年德国a c a m 公司推出了一种高精度的时间测量芯片t d c g p l ，理论上它可提供两个通道 每个通道2 5 0 p s 或者单通道1 2 5 p s 的分辨率。t d c g p l 利用信号通过逻辑门电 路的绝对传输时间提出了一种全新的时间间隔测量思路：两个脉冲之间的时 间间隔由非门的个数来决定，而非门的传输时间可以由集成电路工艺精确确 定，这样计算非门的个数即可精确计算时间间隔1 1 9 】。 3 1 3l c r 波应力测量系统的工作原理 l c r 波应力测量系统的工作原理如图3 2 所示。 单片机发出脉冲信号通过功率驱动电路产生高压脉冲，驱动超声波发射 换能器发出l c r 波，同时该脉冲信号启动t d c 测量电路开始计时。l c r 波 1 6 第三章l c r 波应力测量硬件系统 在传播过程中先后被与发射换能器在同一直线上的两个接收换能器接收，接 收到的超声信号在经过模拟信号处理前端进行放大、滤波和整形后送到t d c 测量电路停止计时。单片机读出两次的测量数据，通过运算即可得出试件中 的应力。 声传播 3 2 测量系统结构和功能 3 2 1 测量系统结构 图3 - 2 测量系统工作原理 l c r 波应力测量系统主要分为单片机主控电路、超声波发射和接收电路、 t d c g p l 时间测量电路、温度测量和其它辅助电路等组成，其主要结构如图 3 - 3 所示。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 3应力测掇系统结构 3 2 2 测量系统主要电路模块 l c r 波应力检测系统硬件电路主要功能如下： l 、单片机主控电路： 单片机主控电路是系统的控制核心，完成对其它电路模块的控制和信号 处理工作，如产生高压驱动脉冲信号、t d c g p l 时间测量触发信号；读取温 度和时间测量数据；控制键盘输入和显示处理等任务。 2 、超声波发射和接收电路： 超声波发射电路( 即超声功率放大电路) 在单片机脉冲信号控制下产生 高压尖峰脉、冲鞑动换能器产生超声波；接收电路完成将换能器接收到的徽弱 超声信号放大、滤波和整形，整形后的信号作为t d c g p l 的测量终止信号， 表骧已接收到超声波。在测试系统中使用了双重接收电路，后文中将详述其 功能。 3 、t d c g p l 时间测量电路： t d c g p i 时间测量电路以离精度时间测量芯片t d c g p l 为核心，提供 n s 级的时间测量精度。t d c g p l 的时间测量数据存放于其内部的结果寄存器 中由单片机读出。 4 、温度测量电路： 由数字温度传感器构成的温度测量电路能实现对环境温度的实时测量。 不同的温度下试件的应力会有显著的变化，检测不同温度下的应力对分析试 件内部的应力状态具有非常重要的意义。 1 3 第三章l c r 波麻力测龟硬件系统 5 、键盘输入和l c d 显示电路： 键盘输入用于设置不同的测量模式，l c d 显示屏用于显示测量结果及其 它相关信息。 3 3 超声波发射和接收电路 3 3 1 超声波换能器 超声波换能器，亦称超声波探头，它是一种将电能转换为声能，反过来 又可以把声能转换成电能的一种装置。 按照超声波的产生机理，超声波换能器一般分为以下三种类型。 1 、磁致伸缩换能器 磁致伸缩换能器是根据磁致伸缩效应及其逆效应原理制作的超声换能 器。常用的磁致伸缩材料可分为两类，一类是金属磁致伸缩材料，另一类是 铁氧体磁致伸缩材料。磁致伸缩超声换能器主要工作在1 0 1 0 0 k h z 频段范围 内，在此频段范围内，铁磁材料的涡流损耗和温度对磁致伸缩形变有非常大 的影响。 2 、压电换能器 压电换能器利用具有压电效应的材料实现声能和电能的相互转换。压电 材料种类繁多，常用的有压电陶瓷、压电晶体和压电半导体。不同材料制作 的换能器的工作频率相差很大，工作频率从几十k h z 到g h z 。 3 、光声换能器 光换能器是通过将一定能量的激光照射到媒质上，光能被媒质吸收、发 热而膨胀，媒质中出现熔化和烧蚀发出压缩波。 从结构上看，超声波换能器又分为收发同体型和收发分离型两种。收发 同体型就是将超声波发射和接收单元做成一体，同一换能器既能发射又可以 接收。收发分离型则将发射和接收分开，每个换能器要么发射要么接收，发 射换能器和接收换能器要配合起来使用。 本课题选用的是广东汕头超声仪器研究所生产的s i u i 2 5 2 1 0 n 压电型换 能器，如图3 - 4 所示。s i u i 2 5 2 1 0 n 是一种高性能通用工业超声检测换能器， 其中心频率为2 5 m h z 。 1 9 电子科技火学硕士学位论文 幽3 - 4s i u i - 25 z i o n 犁超卢波探头 3 3 2 超声波发射电路 超声波发射电路如图3 - 5 所示。 图3 - 5超声波发射电路 图中t l 为自耦调压器t 2 为i ：i 隔离变压器，r l 为压敏电阻，f 1 为保 护熔丝，q 1 为n 淘道高压功率m o s 管。 发射电路的工作原理如下：2 2 0 v 交流电通过t l 调压和t 2 隔离变压后经 整流桥b 1 整流，再经l 1 和c l 组成的滤波电路后输出稳定的直流电压。单 片机发出的触发脉冲信号t r i g i n 为高电平时，光隔u 1 截止，q 1 截止，电 容c 2 开始允电；当t r i g i n 为低电平时，光隔u 1 导通，q i 导通，c 2 、q 1 和s l 构成放电回路，发射探头s 1 发出超声波。 为了配合超声波换能器的工作频率，图中采用了t i 公司的高速光耦 第= 二章l c r 波应力测量硬件系统 6 n i3 7 。6 n 13 7 包含了个g a a s p 发光二极管、一个集成的光电检测器、高 增益运放和集电极丌漏输出晶体管。它接受r r l 电平输入，具有7 5 n s 的丌关 切换速率。 图3 - 6 为发射电路在m u l t i s i m 2 0 0 1 软件r 的仿真结果。 三蒿嘉彳s “c a l e 蔫2i 砝嵩v = | d i v 习孑f i 了1 3 “l ” d ”i ”d j s h k i l ol5 如p 兰j x 岬惭瓜一| v 肛惭阿一j v 脚帅阿f 习l “州f 一可 阿型i 坠l 坐i | 些 ! i f 爵! 苎l ! f j 瞳! 扭! 陋f 二三一 幽3 - 6m u l t is i m 2 0 0 lr 的发射电路仿真 3 3 3 超声波接收电路 超声波接收电路如图3 - 7 所示。 圈3 7 超声波接收i u 路 两路超声波接收电路除了部分参数上有些差别外，其它完全一致。图中 电子科技大学硕士学位论文 只画出了其中一路的电路图。 接收电路原理如下：由s 2 探头接收到的微弱超声信号经过a d 8 0 0 2 - 1 组 成的同相放大器放大后送到由c 1 1 和r 1 4 构成的高通滤波电路滤波后，再经 a d 8 0 0 22 进行第二级放大并通过由r 1 8 和c 1 2 构成的无源低通滤波电路滤 波，之后的信号送到m a x 9 0 1 3 与设定的参考电压进行比较，比较的结果即可 作为t d c 时间测量电路的触发信号。 图中a d 8 0 0 2 为美国a n a l o gd e v i c e 公司的一款高性能低功耗的双通道电 流反馈型运算放大器。其主要性能参数如表3 一l 所示。 表3 1a d 8 0 0 2 主要性能参数 电源 5 v 带宽o = l ，3 d b 带宽6 0 0 m h z g = 2 ，3 d b 带宽5 0 0 m h z 摆率( s l e wr a t e ) 12 0 0 v g s 设置时间( s e