残余应力的超声波检测系统.doc

残余应力的超声波检测系统王亚民1 ,王彦龙1 ,2(1 . 西安科技大学基础部 ,陕西 西安 710054 ; 2 . 陕西理工学院 机电系 ,陕西 汉中 723003)摘要 : 介绍超声波检测残余应力的基本原理 、特点和检测系统 ,及目前有待解决的问题 。关键词 : 超声波 ;残余应力 ;检测 ;温度 ;误差文章编号 : 1006 - 2394 (2004) 04 - 0033 - 02中图分类号 : TG441文献标识码 : BMea suring System f or Residual Stress by Ultra sonicWANG Ya2min1 , WANG Yan2long1 ,2(1. Dept of Basis , Xian University of Science and Technology , Xian 710054 , China ;2. Dept of Mechanics and Electronics , Shanxi University of Technology , Hanzhong 723003 , China)Abstract : The principle , feature , system and some questions left of measuring for residual stress by ultrsonic are introduced. The apparatus is convenience , and have better controllable , stability and precision.Key words : ultrasonic ; residual stress ; measuring ; temperature ; deviation水浸 平 探 头 。探 头 频 率 选 用 1 . 0 、2 . 25 、5 . 0 、10 和15MHz 。低频率的探头可以有效的检测内部应力 ; 表 面附近的应力检测使用高频率超声波 。对于不同深度的应力状况 ,选用相应的工作频率 。通过试件移动机构调节试件的高度和转动试件对试件进行径向扫描和 轴向扫描 ,将采集到的不同部位的数据输入计算机进 行数据处理 。1超声波检测残余应力的数学模型超声波检测金属材料残余应力技术建立在声弹性理论基础上 。超声波在材料内部传播时 ,利用应力引 起的声双折射效应对应力进行测量 。由有限变形弹性理论可知 ,对于垂直平面应力作用面传播的超声偏振横波和垂直平面作用面的超声纵波 ,传播速度和主应 力之间存在以下关系( V T1 - V T2) / V T0 = S T (1 - 2)( VL - VL0) / VL0 = SL (1 + 2)(1)(2)式中 : V T0为应力为零时各向同性固体中超声横波速度 ;V T1 、V T2为超声波在各向同性固体中超声横波速度 ; VL为超声波在各向同性固体中超声纵波速度 ; VL0 为应力 为零时各向同性固体中超声纵波速度 ;1 、2 为平面主 应力 ; S T = 4 ( + l ) / 82 为横波声弹性常数 , 是与拉梅 常数 以及三阶弹性常数 l 有关的物理量 ,可由实验求 得 ; SL = l - ( m + 2) / ( 3 + 2) ( + 2) 为 超声纵波声弹性常数 , 它也是与拉梅常数 、三阶弹 性常数 l 、m 有关的物理量 , 可由实验求得 。对于各向 同性固体 , 由实验求得 V T0 , VL0 , V T1 , V T2 , VL , S T , SL ,代 入式 (1) 、(2) ,就可以求出平面残余应力 。图 1 超声波检测实验示意图2 . 1系统硬件组成 系统硬件结构包括数字电路和模拟电路两部分 。数字电路由系统控制电路 、高频振荡和计数电路 、接口 电路 、A/ D 转换器和微机控制电路等组成 ;模拟电路由发射超声波电路 、接收超声波电路 、整流电路 、信号滤 波器 、放大电路 、及温度测量补偿电路等组成 , 如图 2 所示 。系统发出指令后 ,控制电路向发射电路输出脉 冲信号 ,发射电路输出的电信号与超声波换能器谐振 频率一致 ,换能器输出超声波信号 。超声波换能器中的水浸聚焦探头发射超声波信号 ,水浸平探头接收超 声波信号 。由于超声波随应力的变化微小 ,测量超声 波的传播时间需要很高的精度 。本系统采用高精度的2检测系统图 1 所示是试验所用检测系统示意图 ,系统由水浸聚焦探头 、水浸平探头 、水箱和试件组成 。使用水耦 合 ,使声波的发射与接收比较稳定 ,有利于提高探测速 度 。发射探头为水浸聚焦探头 ,接收探头为同频率的高频振荡和计数电路与相敏检波电路相结合计时 ,时间计量的精度可长期保持在纳秒量级 ,保证了整个系 统的测量精度和测量稳定性 。2 . 3测试过程测量前预先制作时效处理过的无应力试件 ,以此 作为标定测定单向应力和二向应力状态下的构件 ,得 出所测点的主应力 。当某个区域的应力得到确定之后 ,通过软件描绘出此区域的应力场 。3结束语超声波法作为一种常用的检测方法 ,有较大的探测深度 ,使用的材料也较多 ,可以简单 、快速 、准确的检 测到残余应力 ,已经在检测螺栓 、焊接 、管道等缺陷中得到广泛的应用 。但是 ,超声波波速的变化十分微小 , 且测量也不容易 ,而且材料的各向异性以及组织结构 差别对测量结果也有一定的影响 。目前 ,超声波检测 残余应力的应用程度还远不及 X 射线及磁力线测量 , 但是相对于其他检测手段所独有的优势 ,使这种方法随着技术的进步而日益完善 。图 2 系统硬件连接框图由于温度对声速 、应力测量 、换能器性能的特性等都有影响 ,系统设有温度补偿电路进行温度测量 ,实时 采集测量时间和温度 ,进行应力测量的补偿 ,温度测量的结果也对部分电路信号进行补偿 ,同时进行数据处 理 。超声波传播的时间差很小 ,对它的检测精度是制 约应力测量精度的关键因素 。2 . 2 系统软件结构软件设计包括系统自检 、试件标定设置 、计算模型 设置 、参数设置 、测量控制 、数据采集和处理模块 、数据实时显示模块和打印模块等 。对由于温度引起的测量误差在数据处理部分再次予以补偿 。测量时 ,程序发 出产生发射超声波的触发脉冲控制信号 ,高频计数电 路和相敏检波同时开始计时 。系统接收到超声波信号立即关闭高频计数电路和相敏检波电路 ,同时微机控 制系统接收到测量超声波的传播时间 ,通过数据处理 计算出所测点的残余应力 。用软件控制系统以实现测 量过程的可控性能 。工作程序主流程如图 3 。参考文献 :1刘艳华 ,杨思乾 . 超声波测定摩擦焊接头残余应力 J . 焊接学报 ,2000 , (9) .Don E. Bray , Wei Tang. Subsurface stress evaluation in steel plates and bars using the L CR ultrasonic wave J . Nuclear Engi 2 neering and Design ,2001 ,207(2) .王艳霞 ,等 . 一种高精度的超声波检测流量系统 J . 压电与23(许雪军编发)声光 ,2003 , (2) .(上接第 32 页)自动投切 ,从硬件软件两方面来提高可靠性和稳定性 ,大大提高了性能价格比 。具有过压 、低流 、过补 、欠补 等异常情况的自动判断与处理功能 ; 整个控制过程灵活 ,操作简单 ,能使线路功率因数控制在所需范围内 ,实现了实时跟踪补偿 ;不仅减轻了劳动强度 ,还大大提 高了供电质量 ,节约了能源 。参考文献 :1 王兆安 . 谐波抑制和无功补偿 M . 北京 : 机械工业出版社 ,1999.2 赵长德 . 单片机原理 与 应 用 M . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,1998.3 苏文成 . 无功补偿与电力电子技术 M . 北京 : 机械工业出(郁红编发)版社 ,1987.(上接第 28 页)Measurement and Control Applications J . IEEE Instruments & Measurement Magazine , 1999 ,32(6) .2 LabVIEW Advanced Performance & Communication Course ManualZ. National Instruments Corporation ,2001.3 Heather Edwards. Building an Interactive Web Page withDataSocket Z. Nation