利用非线性瑞利波检测材料早期力学性能退化的装置属于无损检测领域。由于瑞利波在材料表面传播的特点，利用非线性瑞利波检测板结构金属材料的力学性能退化相比与纵波有独特的优势。该装置包括信号发生器、功率放大器、高能低通滤波器、衰减器、分别安装在被测试件两端的发射传感器和接收传感器、示波器和计算机。本实用新型专利技术采用将发射和接收传感器直接安装在试件的边缘来发射和接收瑞利波可以提高信号的发射和接收效率，减小传感器和被测试件耦合带来的非线性影响；发射和接收均采用压电传感器更适用于工程实际；实现了对被测试件的连续在线检测。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的 装置，属于无损检测领域。
技术介绍
机械零部件由于长期承受拉伸、压缩或交变载荷而产生力学性能退化，最终断裂 失效是一种非常普遍的现象。金属零部件力学性能退化在微观上主要分为三个阶段位错 的大量产生以及驻留滑移带的形成、滑移带的增多和微裂纹的成核长大、宏观裂纹的产生 以及最后的断裂失效。对于设计良好的结构元件来说，第一和第二阶段一般占金属零部件 整个疲劳寿命的60% 80%。因此，发展金属材料早期力学性能退化的有效检测和评价手 段就显的十分重要。现有的超声无损检测技术利用波的时程、声速和衰减等线性物理参数 已经可以检测材料中宏观裂纹的存在和分布。但是，上述线性物理参数对出现宏观裂纹前 的材料早期力学性能退化很不敏感。非线性超声无损检测方法利用声波在金属材料中传播时的非线性效应(即波形 畸变、谐波产生等)可以对材料的早期力学性能退化进行检测。目前的研究多是利用纵波 非线性来测量材料的超声非线性系数，无法对板结构的力学性能退化进行检测。另外，由于 表征材料非线性效应大小的非线性系数β非常小，很容易被检测仪器等带来的非线性所 淹没。因此，测量装置的研制和检测方法的研究仍然是非线性超声无损检测技术研究的主 要方向之一。针对上述问题，提出一种利用非线性瑞利波检测金属材料早期力学性能退化 的装置。
技术实现思路
本技术的目的在于提出一种利用瑞利波检测金属材料力学性能退化的装置， 特别是针对金属板结构早期力学性能退化的无损检测装置。利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的装置，其特征在于，该 装置由信号发生器、功率放大器、高能低通滤波器依次连接，高能低通滤波器一路连接衰减 器，另一路连接被测试件，在被测试件的两端分别安装发射传感器和接收传感器，衰减器和 接收传感器连接示波器，示波器连接计算机。该装置可以在不破坏被测零部件的情况下，利用将发射传感器直接安装在试件的 边缘发射单一频率的瑞利波，将中心频率为发射传感器二倍的接收传感器直接安装在试件 的另一边来接收瑞利波信号，对接收到的瑞利波信号进行傅里叶变换后获得材料的超声非 线性系数，通过对超声非线性系数的分析来了解材料力学性能退化的情况。本技术基本原理在于由于固体介质的非线性，单一频率正弦超声波将与固体介质间产生非线性相互作 用，从而产生高次谐波，非线性系数β可以表征材料的非线性效应，定义为" = 8(去)士⑴^i. j K X其中k = ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A1和A2分别为基波和二次谐波幅 值，X为波传播的距离。对于给定的频率和样品长度，通过对基波和二次谐波幅值的测量， 就可以确定材料的超声非线性系数。金属材料的非线性主要来自于位错、晶带滑移等微观 缺陷。不同疲劳损伤程度具有不同的微观缺陷组态，非线性系数的大小也不同，从而借助非 线性系数来了解材料的早期力学性能退化情况。本技术主要具有以下优点(1)采用将发射和接收传感器直接安装在试件的 边缘来发射和接收瑞利波可以提高信号的发射和接收效率，减小传感器和被测试件耦合带 来的非线性影响。(2)瑞利波具有在光滑曲面传播而不发生反射，能量主要集中在表面而便 于采集，传播距离远等优点，所以利用非线性瑞利波检测金属材料的力学性能退化相比与 纵波有独特的优势。(3)发射接收均采用压电传感器相比于激光干涉仪等非接触式测量方 式对检测环境的要求更低，容易适用于工程实际。(4)实现了对被测试件的连续在线检测。附图说明图1检测装置原理图；图中1、信号发生器，2、功率放大器，3、高能低通滤波器，4、衰减器，5、发射传感 器，6、接收传感器，7、示波器，8、计算机。图2检测方法流程图；图3非线性瑞利波检测信号图；(a)接收信号，(b)基波和二次谐波幅值图4疲劳周数与超声非线性系数的关系曲线；具体实施方式本技术采用如下的技术方案。如图1所示，本装置主要组成有信号发生器1、 功率放大器2、高能低通滤波器3、衰减器4，发射传感器5、接收传感器6、示波器7、计算机 8。各部分的功能如下信号发生器1可根据输入的被测试件参数和选择的信号频率、周期数和幅值自动 生成正弦脉冲信号。功率放大器2将信号发生器1所产生的波形进行放大。高能低通滤波 器3的功能则是在检测过程中滤除由功率放大器2射频门产生的6MHz以上的高频谐波信 号。被放大到280V-320V之间的高电压激励信号通过同轴电缆一路传至发射传感器5，一路 信号经过衰减器4衰减后作为监测信号输入示波器7，通过监测信号可以控制输入发射传 感器信号的幅值。通过发射传感器5激励信号被耦合入被测试件。安装在另一侧的接收传 感器6检测通过被测试件表面传播过来的瑞利表面波信号，并送给示波器7进行显示和保 存。为了激励最强的信号，发射传感器5的中心频率和发射信号频率一致。为了接收 到最强的二次谐波信号，接收传感器6的中心频率为发射传感器5中心频率的2倍。发射 传感器5、接收传感器6通过耦合剂与被测试件接触。为了在被测试件中有效发射瑞利波，根据Snell定律，C1 sin θ 2 = c2 sin θ 其中C1为入射材料的波速，C2为被测试件材料波速，θ工为入射角，θ 2为折射角，当入射角 θ ！达到第二临界角时，在被测试件6里发射瑞利波的效率最高。示波器7与计算机8是负责信号的接收、显示和处理。通过计算机8对非线性超 声信号进行处理，计算出超声非线性系数β，并依据β来了解被测试件的早期力学性能退 化情况。本技术提出的利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的装 置是按以下步骤进行的1)将所选发射信号频率、周期数等参数输入信号发生器1生成所需单一音频信 号。根据被测试件的波速确定激励信号入射角度θ。按照选定的入射角装配发射和接收传 感器。2)给被测试件进行拉伸或疲劳加载，使被测试件产生力学性能退化。在被测试件 拉伸或疲劳加载的过程中，等时间间隔采集非线性瑞利波信号。采集非线性瑞利波信号具体步骤如下由信号发生器1产生的单一音频超声信号被送至功率放大器2进行放大后，通过 高能低通滤波器3滤除由功率放大器产生的6MHz以上高频谐波信号，然后该信号被传输至 发射传感器5，在被测试件中发射瑞利波。对称安装在另一侧的接收传感器6采集通过被 测试件传播过来的瑞利波信号，并送给示波器7进行显示和保存。利用计算机8对示波器 7保存的信号进行傅里叶变换，获取基波幅值A1和二次谐波幅值A2，并通过式(1)计算超声 非线性系数β，依据β来了解被测试件的早期力学性能退化情况。3)如果试件断裂，结束检测下面结合图1 图5详细说明本实施例。本实验例中被测试件为厚6mm，长150mm，宽42mm的AZ31镁合金狗骨板件。密度 为1770kg/m3，纵波波速为5763m/s。屈服极限199MPa，强度极限259MPa。1)根据发射传感器中心频率确定发射信号频率为5MHz，周期数为15的正弦脉冲 串。一对中心频率分别为5MHz和IOMHz的Panametrics窄带PZT超声直探头作为发射和 接收传感器。根据镁合金纵波波速可确定声波入射角为23°2)根据图1检测装置原理图搭建检测系统。利用MTS810材料疲劳实验机对被测本文档来自技高网...
【技术保护点】
利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的装置，其特征在于，该装置由信号发生器、功率放大器、高能低通滤波器依次连接，高能低通滤波器一路连接衰减器，另一路连接被测试件，在被测试件的两端分别安装发射传感器和接收传感器，衰减器和接收传感器连接示波器，示波器连接计算机。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴斌，颜丙生，李佳锐，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[]
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