本发明专利技术提出一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法：超声应力测量系统包括：超声信号发射装置，示波器，超声换能器探头和标准件；超声换能器探头的一端分别超声信号发射装置和示波器的CH1端口相连接，超声换能器探头的另一端与示波器的CH2端口相连接，超声换能器探头放置在标准件上在测得需要做应力测量结构件的声弹性常数后，通过对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，进行波包提取后计算信号频域相位，从而得到该信号由应力引起的相移数值，再代入声弹性方程得到所测表面较为精确的的应力值。表面较为精确的的应力值。表面较为精确的的应力值。
【技术实现步骤摘要】
一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法
[0001]本专利技术属于超声应力检测
，具体地，涉及一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法。
技术介绍
[0002]航空航天领域，核工业领域以及交通行业领域等有广泛的应力检测需求，例如飞机机翼的应力检测，核工业关键装置局部应力的检测以及铁路交通的钢轨应力检测，及时对结构件的局部应力进行检测对于评估设备结构寿命情况，避免出现巨大损失或危害有重要的意义。常见的应力检测方法有小孔法，X射线衍射法，中子衍射法，电磁超声法以及超声应力检测法。小孔法是通过在结构件表面钻孔，检测小孔的应变来反映表面的应力大小，这种方法会对结构件表面造成损伤。X射线检测以及中子衍射的方法属于无损检测的方法，应力检测精度高，但是设备装置庞大且造价昂贵，不适合检测在役结构件。电磁超声法是通过电磁效应实现结构件的磁致伸缩，该方法仅适用于铁磁材料。基于声弹性效应的超声应力检测方法是一种方便可行的应力检测方法。材料内部的应力会影响材料晶格的结构，当有声波通过时由于材料微观结构变化会影响声波传播的速度，进而影响声波传播的时间。利用声波的这种性质，通过声弹性方程求解可以得到材料所测位置处的正应力及剪切应力。
[0003]超声应力检测由于其是无损检测且检测方便易行，在应力检测领域得到广泛研究和应用。中车青岛四方机车车辆有限公司提出了一种超声波残余应力检测系统及方法一种超声波残余应力检测系统及方法。公开号：CN112697328A。包括设计了一种复杂的机械运动装置通过测量声时差变化来计算焊接零件的残余应力。该方法是基于已知材料的晶粒度，信号衰减度，声弹性系数等一系列参数的前提下，通过特殊的夹持装置对残余应力进行测量的。该方法存在的问题在于：由于夹持装置的特殊性，安装不方便，应用范围有限；该方法主要是针对车辆的焊接残余应力进行检测的，对于常见的钢材铝材，有详细的声弹性常数以及晶粒度可以参考，但是对于在飞机制造等领域，大多数材料是结构复杂、种类繁多的复合材料，没有声弹性参数可以有效参考；该方法只是对两个方向正交的残余应力进行测量，没有给出剪切应力的测量方法，然而对于一些特殊的结构如工字结构的结构件，其弯角位置处的剪切应力检测更为重要。
[0004]哈尔滨工业大学深圳研究生院提出了一种基于LCR波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法基于LCR波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法。公开号：CN105203638A。该方法主要是用LCR波测量应力的深度分布情况，该方法的局限性在于测量的材料结构件是钢结构件，且仅能得到深度的应力分布情况，无法得到结构件表面的剪切应力。
[0005]华东理工大学提出了一种试样表面残余应力的无损检测方法一种试样表面残余应力的无损检测方法。公开号：CN107328860A。该方法设计了一种超声表面波声速测量系统，包括换能器、试样槽、示波器、电机等，通过测量声表面波波速实现局部残余应力测量。
该方法装置相对复杂且需特殊设计的试样槽，且无法测量表面的剪切应力。
[0006]哈尔滨工业大学马子奇提出了一种基于临界折射纵波声弹性效应的平面应力测量理论和方法设计了单轴拉伸实验，针对7N01铝合金材料，对临界折射纵波声弹性方程中平行于应力方向和垂直于应力方向传播的波声弹性常数进行了标定，使用信号发生器、示波器、临界折射纵波探头组、数字示波器和计算机搭建了应力测量系统，通过分析时域的超声发射与接收信号完成对应力的检测。该方法仅研究了铝合金这种金属的平面应力。该方法所有的信号分析是在时域上进行的，使用过零阈值点作为计算声时的基准点，由于材料应力引起的声时变化是纳秒级，且测量结果受到示波器的测量误差以及计算误差等影响，由时域信号时间差值计算的应力值会有较高误差。
[0007]目前的超声应力检测方法大多数是针对钢材的，且测量装置结构相对复杂，不能普遍适用于大部分特殊材料的结构件，无法得到未知声弹性系数的材料应力，无法测量材料的剪切应力。由于应力引起的声时变化是纳秒级，仅通过测量时域上的声时差会使应力测量结果有较大误差。例如普通钢材，每100MPa的应力对超声声时的影响在10ns～20ns，对于一般的示波器，其采样频率为1GHz,即每1ns采集一个点。对于传统的通过单纯比较时域上的有应力与无应力信号声时差来计算应力的方法，其声时的计算误差至少有1个采样周期即1ns，相应引起的应力计算误差在5MPa～10MPa范围。因此超声应力测量需要一种对大多数材料普遍适用，可以测量表面剪切力且可以对信号进行有效分析，进而获得较为精确应力值的测量方法。
技术实现思路
[0008]针对上述超声应力检测方法的不足，本专利技术提出了一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置及检测方法，在测得需要做应力测量结构件的声弹性常数后，通过对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，进行波包提取后计算信号频域相位，从而得到该信号由应力引起的相移数值，再代入声弹性方程得到所测表面较为精确的的应力值。
[0009]本专利技术是通过以下方法实现的：
[0010]一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置：
[0011]制备一个与待测应力结构件材料相同的零应力标准件4，以标准件4表面中心为原点设置直角坐标系，短边为x轴，长边为y轴；在标准件4表面标定超声发射探头的放置位置S1和超声接收探头的放置位置S2，并放置探头；S1,S2共有三种放置方式；
[0012]超声换能器探头3的一端分别超声信号发射装置1和示波器2的CH1端口相连接，超声换能器探头3的另一端与示波器2的CH2端口相连接，超声换能器探头3放置在标准件4上。
[0013]进一步地，S1,S2的三种放置方式分别为：
[0014]S1,S2位于y轴上并关于x轴对称，S1,S2位于x轴上并关于y轴对称，S1,S2关于原点对称且S1和原点的连线与y轴正半轴的夹角为θ；
[0015]三种方式S1与S2的距离均为L。
[0016]一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力的检测方法：
[0017]步骤一：超声信号发射装置1激励超声波发射探头发射临界折射纵波，经过标准件4的表面被超声波接收探头接收，通过双通道示波器2得到探头的发射信号与接收信号；记录零应力情况下三种探头放置方式的发射信号与接收信号的时间间隔，分别为t1,t2,t3，取
均值并定义为零应力声时,再由零应力声时得到零应力声速v0；
[0018][0019]步骤二：
[0020]提取双通道示波器2保存的三种探头放置方式对应的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量；对消除直流量的信号进行离散信号的Hilbert变换，得到Hilbert变换的样点
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幅值图和样点
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相位图；
[0021]选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ，则三组数据分别得到初始的相位信息φ1，φ2，φ3；
[0022]用拉伸仪夹持标准件，设通过拉伸仪加载在标准件上的拉伸本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力检测装置，其特征在于：制备一个与待测应力结构件材料相同的零应力标准件(4)，以标准件(4)表面中心为原点设置直角坐标系，短边为x轴，长边为y轴；在标准件(4)表面标定超声发射探头的放置位置S1和超声接收探头的放置位置S2，并放置探头；S1,S2共有三种放置方式；超声换能器探头(3)的一端分别超声信号发射装置(1)和示波器(2)的CH1端口相连接，超声换能器探头(3)的另一端与示波器(2)的CH2端口相连接，超声换能器探头(3)放置在标准件(4)上。2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：S1,S2的三种放置方式分别为：S1,S2位于y轴上并关于x轴对称，S1,S2位于x轴上并关于y轴对称，S1,S2关于原点对称且S1和原点的连线与y轴正半轴的夹角为θ；三种方式S1与S2的距离均为L。3.一种基于声弹性效应的法向应力与剪切应力的检测方法，其特征在于：步骤一：超声信号发射装置(1)激励超声波发射探头发射临界折射纵波，经过标准件(4)的表面被超声波接收探头接收，通过双通道示波器(2)得到探头的发射信号与接收信号；记录零应力情况下三种探头放置方式的发射信号与接收信号的时间间隔，分别为t1,t2,t3，取均值并定义为零应力声时,再由零应力声时得到零应力声速v0；步骤二：对信号进行离散时域信号的Hilbert变换，计算信号频域相位提取双通道示波器(2)保存的三种探头放置方式对应的三组离散时域信号，截取接收部分的波形并消除信号的直流量；对消除直流量的信号进行离散信号的Hilbert变换，得到Hilbert变换的样点
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幅值图和样点
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相位图；选择幅值最大的样点，记录该样点的相位φ，则三组数据分别得到初始的相位信息φ1，φ2，φ3；步骤三：得到由应力引起的信号频域相移数值；用拉伸仪夹持标准件，设通过拉伸仪加载在标准件(4)上的拉伸...
【专利技术属性】
技术研发人员：李佳鑫，史维佳，赵勃，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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