（精密仪器及机械专业论文）一种基于临界折射纵波的切向应力检测实验系统的研究与实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 作为近年来发展较快的一种检测技术，超声检测以其独特的优点和广泛的应 用性在无损检测领域中占据着重要地位。在依据声波与材料参数或力学量之间的 各种关系形成的各种声测技术中，基于声弹性理论的体波法、表面波法等常规应 力测量手段存在着各自的不足之处，这种局限性与采用的超声波类型是有密切联 系的，即超声波的传播特性决定着能够测量的应力类型和检测时的准确性。 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 ) 是纵波以第一临界角在 分界面入射时形成的复合超声波。作为一种特殊的超声纵波，l c r 波不仅具有纵波 的某些传播特性，其产生机理的特殊性还使得从被测物体表面检测物体内部的切 向应力成为了可能。 在应力测量过程中，换能器的驱动方式直接影响着声波信号的特性。本文采 用高性能的a v r 单片机结合直流升压电路共同产生的高压尖脉冲来驱动超声探 头，这样既能激励出符合要求的l c r 波信号，又简化了电路结构。 声弹性理论揭示出声速和应力之间的关系，因此如何精确的计算固定距离上 的声传播时间是测量的关键。针对应力改变导致的传播声时的微量变化，实验采 用基于逻辑门绝对传输时间原理工作的“时间数字转换器”( t d c ) 来满足高精度 时间间隔测量要求。实际应用中系统的各个功能模块被整合到一起，使得整体体 积小型化，调试也更加方便。 实验结果不仅很好的反映了被测试件中声速和所加载应力场之间的近似线性 关系，也证明了本实验系统的可行性，为开发实用检测设备和仪器提供了有益的 参考。本文最后提出了可能的实验改进方案，以进一步从实践上完善了基于临界 折射纵波的切向应力检测系统。 关键词：应力测量，临界折射纵波，直流升压，t d c a b s t r a c t a sm ef a s td e v e l o p i n gt e s t i n gt e c h n i q u e ，u l 仃a s o i l i ct e s t i n go c c u p i e sa l li m p o r t a n t p o s i t i o ni nn d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) d o m a i nd u et o i t ss p e c i a lm e r i t sa n db r o a d 印p l i c a t i o n a m o n gt h o s eu l t r a s o m ct e s t i n gt e c h n i q u e sf o r m e db yt h eu l t r a s o n i ca n d m a t e r i a l p a r a m e t e r s o rv a r i o u sr e l a t i o n so fm e c h a n i c a lq u a n t i t i e s ，g e n e r a l s t r e s s m e a s u 陀m e n t ss u c ha sb u l k w a v em e t h o da n ds u r f a c e - w a v em e t h o db a s e do nm e a c o u s t i ce l a s t i cp r i n c i p l eh a v et h e i ro w nf l a w s t h i sl i m i t a t i o nc l o s e l yr e l a t e s t ot h e e x a c tt y p eo fu l t r a s o n i c ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r so fw h i c hd e t e r m i n et h em e a s u n n g t y p eo fs t r e s sa n da c c u r a c y c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n # m d i n a l ( l c r ow a v ei sac o m p l e xu 1 恤s o n i cf o r m e db y t 1 1 ei n c i d e n c eo fl o n g i t u d i n a lw a v ew i t ht h ef i r s tc r i t i c a la n g l eo nt h ei n t e r f a c e a sa s p e c i a ll o n g i t u d i n a lw a v e , n o to n l yd o e sl c rw a v eh a v es o m et r a i t s o fl o n g i t u d i n a l w a v e ，b u ta l s oi t sg e n e r a t i o np r i n c i p l em a k e st h ei n t e r n a l s h e a rs t r e s sm e a s u r e m e n t p o s s i b l ef r o mt h es u r f a c eo f t h ew o r k p i e c e d u r i n gt h es t r e s sm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h ed r i v i n gm a n n e ro ft r a n s d u c e ra f f e c t s t h ec h a r a c t e ro fa c o u s t i cs i g n a ld i r e c t l y t h i sa r t i c l ea d o p t sb o t hh i g h p e r f o r m a n c ea v r m c ua n dd cc o n v e r t i n gc i r c u i tt og e n e r a t eh i g hp r e s s u r es h a r pp u l s ea n dd r i v et 1 1 e u l 仃a s o i l i cp r o b e s ，w h i c hc a na c t i v a t et h ea p p r o p r i a t el c rw a v es i g n a l ，a n dt h ec i r c u i t s t r u c t u r ei ss i m p l i f i e dt o o a c o u s t i ce l a s t i cp r i n c i p l er e v e a l st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a v es p e e da n ds t r e s s , t h u sh o wt om e a s u r et h ep r o p a g a t i o nt i m ea c c u r a t e l yb e t w e e nk n o w np o i n t si s ak e y p o i n t c o n c e r n i n gt r a v e l t i m e sl i t t l ec h a n g eo fl c rw a v ec a u s e db ys t r e s sv a r i a t i o n s ， t i m et od i g i t a lc o n v e r t e r ( t d c ) b a s e do nt h ea b s o l u t et r a n s m i t t i n gd e l a y o fl o g i cg a t e i s 锄p 1 0 y e dt om e e tt h ed e m a n do fh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t i nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h o s ef u n c t i o n a lm o d u l ei nt h es y s t e ma r ei n t e g r a t e dt o g e t h e r , t h i sc a n m i i l i s ht h es i z eo ft h ew h o l es y s t e ma n df a c i l i t a t et h ea d j u s t m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sn o to n l yr e f l e c tt h ea p p r o x i m a t el i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e na c o u s t i cs p e e da n da p p l i e ds t r e s sf i e l d s ，b u ta l s op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i s e x p e r i m e n t a ls y s t e m w h i c hp r o v i d e sah e l p 钮r e f e r e n c e f o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e a b s t r a ( 玎 t e s t i n ge q u i p m e n t sa n da p p a r a t u s a tt h ee n do f t h i sp a p e r , ap o s s i b l ei m p r o v i n gp l a nf o r t h i se x p e r i m e n ti sp r e s e n t e d ，w h i c hf u r t h e rm a k e st h es h e a rs t r e s se v a l u a t i o ns y s t e m w i t hl c rw a v eb e t t e ri np r a c t i c a l 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 ，d cc o n v e r t i n g , t d c 1 i i 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：垄堑一日期：细7 年月2 归 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 盘厂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：血吲币签红变垂丝 日期：纠年月2 十日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，人们对工程建设生产和运行的安全性都提出 了更高的要求。事实上，材料内部的应力状况直接影响到构件的安全性和寿命， 因此如何进行有效的检测成为了人们首要关注的问题。对于某些构件，其安全性 与其内部应力有相当紧密的关系，某些具有内部应力的工件在疲劳载荷的作用下 会使其表面出现裂纹，严重情况下会发生断裂。此外，内部应力也严重的影响材 料的结构强度、疲劳强度等。例如铸件的变形、开裂就是由于铸件内部应力的作 用；机械加工后零件产生大的尺寸变形、磨削时出现的开裂也与工件内部应力有 关；在石化工业中，由于构件表面存在大量的残余应力，进一步加速了表面腐蚀， 为重大事故的发生埋下了隐患。 高精度、高可靠性的结构应力检测方法和设备对工业部门的安全生产具有重 要的意义。测量材料或构件的应力分布不仅为材料的评价提供依据，而且还可以 预知构件的疲劳强度储备情况，检查热处理及表面强度处理工艺效果，控制构件 切削加工工艺，检查消除应力的工艺效果。近年来，应力检测技术己成为工程界， 尤其是精密机械、交通、核工业和航空航天等方面极为重视的课题，不少应力检 测技术已经应用到实际的工程项目中。 1 2 结构应力测量技术的发展状况 近年来，应力测试技术已经得到了很大的发展，并已广泛应用在国内外的许 多领域中，形成了一门完整的科学测量方法。随着科技的发展和技术的进步，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，并逐步发展出一批应力 测量程序和计算方法，从而使实验应力检测方法得到了迅速发展。 1 2 1应力的定义及分类 当弹性体受到载荷作用时，其内部将产生内力。弹性体内某一点作用于某个 截面单位面积上内力称为应力( s r e s s ) ，它反映了内力在截面上的分布密度。为了 电子科技大学硕士学位论文 研究弹性体内某一点的应力，从该点附近切出一个微小的六面微分体，其棱边分 别平行于三个坐标轴，如图1 - 1 所示。 图1 - l 微分体的应力分量 微分体表面上的应力可以分解为一个正应力和两个切应力。垂直于表面的应 力称为正应力( n o r m a ls t r e s s ) ，用字母盯表示。平行于表面的应力称为切应力( s h e a r s t r e s s ) ，用字母f 表示。根据切应力互等定律【1 1 ，微分体上六个切应力具有如下关 系： 勺= ，乞= 乞，= 勺 ( 1 一1 ) 因此，微分体上只有六个独立应力，包括三个正应力和三个切应力。某一点 在不同方向截面上的应力是不同的，但任意截面上的应力都可以通过上述六个应 力求出，同时也可以求得该点最大、最小正应力和切应力。也就是说，六个应力 决定了一点的应力状态，称为该点的应力分量。应力的矩阵表示如下。 仃) = 吒，q ，吒，毛) 2 ( 1 - 2 ) 由于弹性体内各点的应力状态不一定相同，因此应力分量不是常量，而是坐 标x 、y 、z 的函数，由各点应力组成的场就称为应力场。 应力的分类方式很多，按应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应 力。不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力，随时间变化的应力称为变应力。 绝大多数机械零件都是处于变应力状态下工作的。变应力又可以分为稳定循环变 2 第一章绪论 应力、不稳定循环变应力及随机变应力，瞬时作用的过载或冲击所产生的应力称 为尖峰应力。而按照应力作用于物体的位置，又可以分为表面应力和内部应力 零件的失效形式与材料的极限应力和零件工作时的应力类型有关，在进行强 度计算时需要明确零件所受应力的类型。 1 2 2 常见应力检测手段 结构应力的检测方法按其对被测工件的作用方式分为有损检测和无损检测两 大类。 1 2 2 1 有损检测 机械测定法就属于有损检测，测定时须将局部分离或分割使应力释放，这就 要对工件造成一定损伤甚至破坏，典型的有切槽法和钻孔法，这方面技术已经较 为成熟，理论也比较完善。其中小直径盲孔法因对工件损伤较小、测量较为可靠， 已成为现场实测的一种标准试验方法。 钻孔法 钻孔应变测量法是测量材料表面附近残余应力的有损检测方法。该方法需在 表面安装应变计，并在应变计附近钻孔，测量所释放的应变后再算出对应的应力。 钻孔法着重用于应力沿深度变化不大，并且其大小不超过该材料屈服强度一半的 情况。该方法的钻孔深度要达到孔径的1 2 也倍，此时可以认为应力已完全释放。 钻孔法对钻孔工艺和工具有严格的要求，其困难在于涂层涂料的选择。在现场测 试中，钻孔法由于干扰因素较多而较少采用【2 1 。 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 。 x 射线法是利用入射到物质时的衍射现象来测定物体表面应力的，但是若要 测定物体内部应力，则需要将外表层用腐蚀的方法逐步剥离后再进行测量。从本 质上讲，射线法其实也对材料造成了损害，而且因剥离层而产生的附加应力要通 过弹性理论来进行修正。目前射线法理论完善，但因有射线伤害和仅能做到测定 表面应力无损害使其应用受到很大限制。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 2 无损检测 随着工业技术的发展，无损检测技术越来越为人们所重视。无损检测是采用 声、光、电磁等各种物理方法，在不损及被检材料、零件或机械结构装置使用性 能的情况下，测定其物理性能、状态和内部结构等，从而判断其合格与否。目前 常用的检验方法主要有渗透、磁粉、涡流、超声波、声发射和渗漏检验等。无损 检测的发展有三个阶段，即n d i ( 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 t ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ) 和n d e ( n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) ，目前一般统称为无损检测( n d t ) 。 n d i 阶段又称无损探伤阶段，主要用于产品的最终检验，在不破坏产品的前提下， 发现零部件的缺陷( 包含人眼观察、耳听诊断等) ，以满足工程设计对零部件强度 设计的需要。n d t 阶段又称无损检测阶段，它不但要进行最终产品的检验，还要 测量过程工艺参数，特别是测量在加工过程中所需要的各种工艺参数，诸如温度、 压力、密度、粘度、浓度、成分、液位、流量、压力水平、残余应力、组织结构、 晶粒大小等。n d e 阶段又称无损评价阶段，不但要进行最终产品的检验以及过程 工艺参数的测量，而且当认为材料中不存在致命裂纹或人为缺陷时，还要从整体 上评价材料中缺陷的分散程度，在n d e 的信息与材料的结构性能( 如强度、韧性) 之间建立联系，并对决定材料性质、动态响应和服役性能指标的实测值( 如断裂 韧性、高温持久强度) 等因素进行分析和评价。二十世纪后半叶无损检测技术得 到了迅速的发展，国外工业发达国家的无损检测技术己逐步从n d i 和n d t 阶段向 n d e 阶段过渡，即用无损评价来代替无损探伤和无损检测。 巴克豪森法 巴克豪森法是利用巴克豪森效应来测定物体应力。众所周知，铁磁性材料在 外磁场的作用下会发生磁化当铁磁质的磁化达到饱和之后，去掉磁化场后，铁 磁质的磁化状态并不恢复到原来的状态，当磁化场在正负两个方向上往复变化时， 介质的磁化过程经历着一个循环的过程，从而形成了磁滞回线。如果观察铁磁材 料的磁滞回线，可以发现在不可逆磁化阶段，即在磁滞曲线斜率较大处，曲线表 现为台阶状抖动变化而非平滑连续曲线，如图1 2 所示。该现象是由巴克豪森于 1 9 1 9 年首先发现的1 4 j 。 当铁磁材料被逐渐增强的磁场磁化时，若将一根线圈放置在试件附近，磁感 应强度的变化，将会使导线诱发产生脉冲电流，此脉冲电流甚微并且是离散性的。 当磁畴壁在有限体积内产生的脉冲迭加在一起时，便聚集成一种可测到的如同噪 声信号的电信号，称之为巴克豪森噪声( b a r k h a u s e n n o i s e ) 。 4 第一章绪论 图i - 2 磁滞曲线中的抖动 当试件受到拉、压应力时，材料的畴壁能状态发生改变，进而阻碍畴壁的运 动。应力大小的不同，对壁移的阻碍程度也不同，导致了b n 幅值的变化。基于上 述理论，可以通过测量b n 信号的变化，分析和判断材料的应力大小、分布及特征 世 守o 尽管巴克豪森法具有检测精度高、速度快等优点，然而受磁化条件的限制， 该方法很难在现场检测，而且对大型工件而言，取样后的应力状况也难以代表工 件的实际应力状况，因此适合在实验室中采用。 超声波法 超声波在物体中传播时，总是携带着表征其物理性能的各种信息，利用超声 波的各种传播特性而提取这些信息，就可以分析和评价被检测对象的性能。很多 材料的结构对超声波是透明的，因此可以利用被检对象与介质特性和状态有关的 非声学量，如材料的品粒度、弹性常数、硬度、厚度、应力及温度等，和某些描 述材料声学特性的超声波参量，如声速、衰减及声阻抗等之间存在的关系，通过 测量这些参量来分析材料的特性，评价结构的质量。具体的超声检测手段包括穿 透法、脉冲反射法、共振法、声阻法等多种方法。 超声纵波法是超声检测中比较常用的一种方法，它使用直探头发射纵波进行 测量，此时波束垂直入射至试件探测面，以不变的波型和方向透入试件，所以又 称为垂直入射法。该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，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的超声波参量来表征应力情况。 如图1 3 所示的就是超声纵波法的测量原理图。 5 电子科技大学硕士学位论文 ：嘲嘲谶渗 图1 3 超声纵波法 接收探头 以上介绍了工程和实验中常用的应力检测手段，表1 1 罗列了一些它们各自具 有的特点。 表1 1 常用应力测量手段对比 测量方法破坏性操作性应力类型速度分辨率可靠性 钻孔法有损方便表面应力慢中等好 x 射线法有无损方便体，表应力快慢高好 巴克豪森法无损方便体应力慢高较好 超声波法无损方便体，表应力快高高 在对比了各种应力检测手段的特点之后，可以发现超声波检测具有原理简单， 速度快、现场实测方便、能测量表面应力和内部结构应力、对身体无害等特点。 随着计算机和信号处理技术的发展，超声检测己成为无损检测中晟具发展前景和 最常用的手段。 3 超声波检测方法 工程物理的测量方法分为两大类：直接测量法和仪器测量法。直接测量法就 是用已知的对比体直接与被测物量相比较。如用测量尺测物体的长度。在这种测 量中影响测量精度的因素取决于对比体的精度和操作者的判定。 而仪器测量法就是将已知对比物理量的基准量通过传感器转化为仪器上的一 种可识别符号( 如刻度) 作为事先约定，再将被测物量运用同一传感方式取为相 同的物理量与事先约定进行比较，如用电流表测电流的大小、用拉力机狈4 物体的 断裂拉力等。在这种测量中，影响测量精度的因素不但取决于对比量的精度与操 第一章绪论 作者的判定，还取决于作为事先约定的传感信号的量化精度和被测物量的传感信 号的量化精度。 毫无疑问，常规超声波检测方法是一种仪器测量法。依据声波参数与材料参 数或力学量之间的各种关系可形成各种声测技术，如表1 - 2 所示。 表1 - 2 各种声测技术 名称声测技术 声弹性技术通过测量声速反映固体表面和内部应力 声散斑技术 利用声波位相信息测量表面或内部位移场 声焦散技术 杆或管件的无损检测 声衰减技术测量材料损伤、预测疲劳寿命、检测表面裂纹深度等 声全息技术利用位相信息显示物体、材料内部缺陷或结构 其他声测技术需要主动向被测件发送声波，声发射技术则 声发射技术是利用材料变形或开裂时自身产生的声波信息来检测疲 劳断裂、应力腐蚀、复合材料损伤和监视结构的可靠性。 1 3 1 国内外的研究情况 超声检测是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技 术，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个 阶段，其在保证机器零件的可靠性和安全性上都是首屈一指的。近二十年来，超 声无损检测技术取得了重大的进步，技术日趋成熟，几乎渗透到所有工业和医疗 部门，如作为基础工业的钢铁工业、机器制造业、建筑业、石油化工业、航空航 天等重要部门。应用超声波检测法可以对构件的残余应力和实用应力进行测量， 不但可以检测出表面应力，而且对工作应力也能测量。应用不同的超声波探头， 可以对构件实施接触检测，非接触检测等。 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 7 电子科技大学硕士学位论文 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【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；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。 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【6 】【7 1 。国内传统的应力测定只针对某些典型的构件。技术相对成熟应用 于实际的超声波检测仅仅局限于轴向应力的检测，例如对螺栓的寿命测试以及钢 轨的应力测试等。 对于大多数构件来说，超声波检测法还不能准确的反映零件的真实情况。一 般的生产也只是进行时效处理和热处理来消除残余应力，至于残余应力是否还存 在以及工作中的实际应力则很难进行精确的定量检测。所以研究实用、有效、快 速的超声波结构应力检测设备对于工业生产具有积极的意思。 1 3 2 超声波检测的局限性 当前超声波检测主要是基于声弹性理论测定工件中声速的变化来检测实际结 构应力，这样就不可避免的会出现以下一些问题： 1 沿应力方向传播的超声纵波对应力的变化最为敏感，因此纵波法也是工业 中被广泛采用的超声应力测量方法，然而这种方法仅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，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。表面波法利用声表面波的频率与应力的线性变化关系体现 对应力的敏感性，能够直接在零件表面测量其中的应力状况。然而声表面波进入 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。l c r 波在物体表 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。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 波还具有较低的衰减 率。利用特殊的发射和接收装置，就可以从表面测量波传播方向上切向应力的大 小。 8 第一章绪论 2 构件中应力变化引起的声速变化非常小，通常m p a 级的应力仅能引起数 十厘米距离上声时的纳秒级变化，这样对信号处理的要求就非常高。普通的定时 计数器很难达到如此高的测量要求。随着微电子和半导体技术的发展，各种高精 度的时间测量方法日趋成熟，而高精度的“时间数字”转换器( t d c ) 是其中最 具代表性的，能够有效的解决时间测量精度的问题瞄】。 3 在超声检测的过程中，存在着众多影响测量结果的不确定的因素，比如说 测量时的温度，环境温度的改变会引起误差。在实际测试中，可以引入温度测量 模块来实时检测工作环境的温度，并将数据反馈给主控单元，美国d a l l a s 公司 生产的d s l 8 8 2 0 就是一种比较有代表性的数字温度传感器。另外，应用声弹性效 应模型，不可避免要面对材料的各向异性现象。在某种程度上，这种现象对声速 的影响和应力几乎是同一级别的，有效的区分还比较困难。同时，材料本身的晶 体结构等原因会引起一定程度的织构效应，对应力的检测误差有一定的影响。其 他的一些影响因素包括超声波发射模块和工件的接触面因素、超声耦合剂的选择 都会影响最终的测量结果。 1 4 本论文的工作内容 本论文从测量手段和超声波特性之间的联系入手，介绍了采用临界折射纵波 来测量物体内部应力的实验系统，并通过对l c r 波产生机理的阐述，分析出l c r 波特殊的传播特性为何能够胜任切向应力的检测要求。在根据该实验方法的可行 性构建整个应力测量实验系统后，本文对其硬件结构和工作原理进行了详细的阐 述。采用基于直流升压原理的结构简单、调试方便的高压尖脉冲产生电路作为超 声探头的驱动方式，利用高精度的t d c 来测量固定距离上应力改变导致的传播声 时微量变化，以及将系统的各功能模块整合到一起实现体积小型化都是本实验的 特点，为l c r 波的实际应用提供了现实的依据。第五章详细介绍了实验的整体流程， 而实验结果也证明了该l c r 波切向应力测量系统无论在实验研究或者工程应用中 都具有一定的现实意义。 论文最后对实验中导致误差产生的各种因素进行了分析，并指出不同应力场 作用下所接收到的回波信号频谱会产生变化，进而为将来基于频谱分析的应力测 量方法指明了方向。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于声弹性理论的超声波检测 超声波是超声振动在各种介质中的传播，它的实质是以波动形式在弹性介质 中传播的机械振动，一般其振动频率在2 0 k h z 以上，而频率在1 6 2 0 k h z 之间的 声波称为可闻声波，频率小于1 6 h z 的声波称为次声波。在工业测量中有时将频率 在1 3 k h z 以上的声波也笼统地称为超声波。 超声检测包括超声工业检测和超声医学诊断。超声工业检测包括两部分，一 是检验，即介质内部缺陷的探测，称为无损探伤；二是测量，即介质特性测定、 质量评价和参数测定。用于超声波检测的频率范围从可听频段开始，直至1 0 0 m h z 。 金属材料超声波探伤的超声波频率一般在o 5 2 0 m h z 之间。不同于其他的检测手 段，超声波几乎能够在所有的介质中传播，不同的外部或内部条件都会引起其传 播特性的改变，因此它在工业检测领域得到了广泛的应用。 2 1 固体中的超声波 与其他介质相比，超声波在固体中的传播特性来检测材料的结构具有更快捷、 更灵敏、更经济的特点，是无损检测领域中一个十分重要的研究方向。目前，超 声检测技术广泛应用于多晶材料( 尤其是钢和其它金属) 组织的无损检测。当超 声波在多晶材料内传播时会因声阻抗不连续而发生散射，利用散射及晶粒组织之 间的关系可对裂纹、缩孔等问题以及晶粒大小、晶粒组织变化及其不均匀性进行 检测和判断。此外，复合材料、非金属材料和高温材料等也是超声检测技术的应 用范围。 本文针对各向同性固体中超声波传播的特点，研究应力测量的实验方法。 2 1 1 各向同性介质中的运动方程 各向同性介质是指声波在其中传播时，声波的各项传播特性不随其传播方向 而改变的传声煤质。气体、液体和多晶固体都属于这一类。各向异性介质恰好与 之相反，单晶体就属于各向异性介质。 弹性固体中的振动能够以波的形式向四周传播，其根本原因是组成弹性体的 质点之间存在着相互作用力。弹性体可以看作是由连续分布的质点组成，而质点 1 0 第二章基于声弹性理论的超声检测 之间是- q _ 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的不同而有所差异，使扰动在介质 中向四周传播。 对于各向同性弹性固体介质，波动方程可以表示为如下方程【9 】： v 卜印u p 针v 陋一p 簪卜陋- ， 其中，力和是材料的二阶弹性常数，尸是介质的密度，和万分别表示标 量势和矢量势，而v 和v 2 分别表示如下： v 2 = 善+ 篆+ 善 呼， v ：i 。昙+ 。i 。昙+ i l 导( 2 - 3 ) 若要式( 2 1 ) 成立，则必须使其中两项均为零，从而方程可以简化为以下两 个简单的波动方程： 俨南1 + 2 p ) 窘 ( 2 - 4 ) ( 2 、。 v 2 万= 南等 ( 2 - 5 ) ( 兄+ 2 ) 2 a 2 、 。 2 1 2 超声波的种类和传播特性 按声波传播方式的不同，可以将超声波划分为不同的类型。总的来说，可以 将超声波划分为体波和导波两种类型。 体波是指在无限介质中传播的波，一般的纵波和横波都可以认为是体波；导 波则是指由于介质边界的存在而产生的波，例如表面波、l a m b 波和界面波等等。 表2 - 1 列举了它们的种类和传播特性。 电子科技大学硕士学位论文 表2 1 超声波的分类和传播特性 分类定义传播特性 在纵波传播过程中会有压缩力和膨胀力 介质中质点沿传播 存在，其传播速度也与压缩波相同。在 纵波超声技术中，纵波一般是指偏振方向平 方向运动的波 行于某个特定参考面的压缩波，它是固 体波体中压缩波的一种特殊形式 介质中的质点都垂 横波中质点的振动方向垂直于超声波的 横波直于传播方向而运 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 动的波 弹性模量u ，因而又称其为剪切波 表面波在固体中传播时，质点是沿着椭 圆的轨道在表面运动的其能量集中于表 沿介质表面层传播，面下2 个波长之内。瑞利波是表面波中 表面波 幅值随深度迅速减 的一种，由于它对表面应力非常敏感而 弱的波 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 导波波无法检测的区域 在厚度为若干波长、两面自由的薄板中 在板状介质中传播 形成的l a m b 波是较为典型的板波，常 板波的弹性波，例如非常 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 薄的金属介质 的密度、弹性、材质特性以及厚度均有 关系 2 1 3 超声换能器 超声波是一种机械振动在介质中的传播方式，那么这种振动如何产生呢? 这 就需要用到超声换能器。顾名思义，超声换能器是把别种能源的信号或能量转换 成所需要的超声信号或能量的器件。相对的，它也能把超声信号或能量转换成所 要求的另一种形式的信号或能量。各种超声探头就属于超声换能器，是一种声电 转换器件。 超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两类，它们的工作原 理分别基于磁致伸缩效应和压电效应。 1 2 第二章基于声弹性理论的超声检测 2 1 3 1 磁致伸缩换能器 铁磁材料( 如铁、镍、钴及其合金) 制成的棒体在受到外磁场作用时，沿磁 力线方向会产生伸缩相对形变的效应称为纵向磁致伸缩效应。该效应是j o u l e 在 1 8 4 2 年首先发现的，因此又被称为j o u l e 效应。 该效应具有以下一些特性：( 1 ) 该效应引起的相对形变是很小的，通常在1 0 击 数量级；( 2 ) 不同材料制成的磁力棒，在相同磁场强度或磁感应强度作用下所产 生的相对形变是不同的；( 3 ) 磁致伸缩形变与温度有密切的关系，当温度升高时， 由于铁磁材料晶格的变化，磁化强度会发生变化。如图2 - 1 所示，不管何种变化方 式，都存在一个称为居里点的温度鳞。要使磁致换能器正常工作，必须让它处于 远低于g 的工作状态【l o 】；( 4 ) 磁致伸缩材料均具有磁致伸缩饱和现象，当外加磁 场强度逐渐增大时，开始时形变会随之逐渐增加，当强度达到某一程度后，形变 就不再增加、此时形变称为饱和磁致伸缩形变。( 5 ) 相对形变与磁感应强度成正 比。 鳓， 图2 1 磁致伸缩形变随温度变化 磁致伸缩效应具有可逆性，对极化后的磁棒沿其长度方向施加外力时会产生 相对形变，同时棒内的磁场强度会发生变化，这种效应也被称为纵向磁致伸缩反 效应。对于没有极化的磁棒，即使受外力作用发生形变，也不会产生磁场，因此 极化的铁磁材料是产生磁场的前提。超声波的本质是在介质中传播的机械振动， 磁致伸缩效应的发现，为超声波的发射和接收提供了条件。 镍片换能器和铁氧体换能器属于磁致伸缩换能器。铁氧体换能器的电声转换 效率比较低。一般使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片 换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今较少使用。 电子科技大学硕士学位论文 2132 压电换能器 压电效应是由法国物理学家p & 5 c 1 】f i e 兄弟于18 8 0 年发现，当某些电介质( 例 如晶体、陶瓷等) 在其适当的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化， 在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相反的束缚电荷，这种由 于外力作用使电介质带电的现象就称为压电效廊( p i e z o e l e c t r i c i t y ) 。 这种现象同样具有可逆性，若在电介质r 加一外部作用的电场，电介质内部 电极化状态会发生相应舯变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，称为逆 压电效应。 有两种常用的压屯效应，一种的形变方向与电场方向相垂直，称为纵向压电 效应，其工作原理如图2 - 2 所示。与之相对，另一种是形变方向与电场的方向相重 台，称之为横向压电效应。 图2 - 2 纵向压电效应 压电材料大致可以分为压电单晶体、压电多晶体、压电半导体、压电高分子 聚合物、复合压电材料等几太类。在众多的压电材料中，压电陶瓷由于具有非水 溶性、机械强度好以及能够产生各种振动模式等优点，其数量和质量都处于支配 地位。 由于电声转换效率高、原丰于料价格便宜、制作工艺较简单、不容易老化，压 电换能器成为目前使用最广泛的一种的超声换能器。 22 基于声弹一陛理论的应力检测 前面已经介绍过，依据声波参数与材料参数或力学量之侧的各种关系，超声 波检测方法包括了声弹性、声发射在内的一系列检测技术。而对于应力检测而占， 第二章基于声弹性理论的超声检测 基于声弹性理论的受载荷介质中声波传播研究已经有很长的历史，本节主要将介 绍超声波应力检测的基础声弹性理论。 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。作为实验 应力分析方法的一种，超声波应力检测方法基于声弹性理论，它利用超声波的双 折射效应测量应力。超声波在有应力的介质中传播时，沿两个主应力方向发生偏 振，这两种偏振波以不同的速度传播。实验结果和理论分析得到的结论是，沿主 应力方向的两个超声波的速度差和两个主应力之差成正比，这个比例系数称为声 弹性系数，它和材料的弹性常数有关。这种现象和透明材料的光弹性效应相似， 可以用来进行应力测量。声弹性方法的主要优点是可以测量非透明材料中的应力， 特别是金属内部的应力。 声弹性理论的基本假设为：( 1 ) 固体连续性假设；( 2 ) 声波的小扰动叠加在 物体静态有限变形上；( 3 ) 物体是超弹性的、均匀的；( 4 ) 物体在变形中可视为 等温或等熵过程【l 。1 9 4 9 年h u g h e s 利用超声波测量晶体的三阶弹性常数，以此为 基础，随后超声波应力测量技术得到了较大的发展。1 9 5 3 年h u g h e s 和k e l l y 利 用l a m e 常数( - - 阶弹性系数) 五和以及三阶弹性系数，、7 1 1 和聆提出了各向同 性材料中的声弹性理论表达式，并建立了超声波在材料中的传播速度与应力之间 的关系【1 2 1 。如图2 3 所示的是直角坐标系中超声波与应力场的关系。 d i r e c t i o no fw a v ep r o p a g a t i o n ， a d d s t r 1 5 电子科技大学硕士学位论文 a p p s t r ( c ) 图2 - 3 直角坐标系中超声波与应力场的关系 图中，速率矿第一下标代表超声波传播的方向，第二下标代表质点运动的方 向。研究表明，波传播时质点的运动方向与应力场方向一致时，对应力变化呈现 出最大的敏感性( 巧。，圪：，圪，) 。当质点运动方向与应力场方向相垂直时，波速 几乎不受应力变化的影响( k ：，k ，匕，) 。 换句话说，纵波对沿波传播方向的应力变化最为敏感，其次是质点振动方向 与应力方向相一致的横波，其他波则几乎不受影响。因此，超声纵波在应力检测 领域中被广泛的采用。在各向同性材料中，波速与应力的关系可以由以下的公式 来描趔1 4 】： p o v 2 = 2 , + 2 1 1 + 赤l 等( 4 2 , + l o t + 4 m ) “+ 2 f j ( 2 - 6 ) 其中，矿是纵波的速率，岛为介质的密度，盯代表应力大小( m p a ) ，五和 代表介质的二阶弹性系数，m 和，是介质的三阶弹性系数。 介质中的应力会对超声纵波的传播产生最大的影响，而在零应力的情况下， 纵波在介质中的传播声速可以表示为如下方程： v o = ( 2 - 7 ) 由于波速受应力变化的影响非常小，因此波速变化可近似看作一阶无穷小量。 将式( 2 6 ) 代入到式( 2 7 ) 中，可得如下公式： d 仃= 二k v o d y ( 2 - 8 ) ， 式中，d 仃表示应力的变化量，k 为声弹性常数，其值为： 4 2 , + 1 0 + 4 m 2 1 - 3 2 , - l o p - 4 m 后= 上西方扎 ( 2 9 ) 3 见+ 2 “ 、 1 6 第二章基于声弹性理论的超声检测 由式( 2 8 ) 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，从而可以推算出当前被测物 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，所以更为有效 的方法是测量固定距离内传播时间的变化量。这样一来，就可以通过测量传播时 间的变化来计算超声纵波传播速度的变化。 式( 2 8 ) 式经过一系列公式变换之后，能够化简为如下应力与传播时间关系 的表达式： 如一意础( 2 - 1 0 9 ) 其中，气是零应力状态下的纵波传播时间。 式( 2 1 0 ) 表明了纵波传播时间和应力之间的关系。在一段固定距离上，传播 时间随着压应力场的增大而减小，随着拉应力场的减小而