Page 112 - 无损检测2023年第九期

仪器研制

DOI : 10.11973 / ws j c202309014

四通道差分式超声应力检测仪的设计与实现

马加涛 , 何攀聪 , 骆 琦 , 纪轩荣 , 袁懋诞 1
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( 1. 广东工业大学 机电工程学院, 广州 510006 ;
2. 广州多浦乐电子科技股份有限公司, 广州 510663 )

摘 要: 金属构件在加工和服役过程中产生的残余应力会使其产生形变或应力疲劳, 严重危
害关键结构的安全性。现有超声应力检测技术存在温度耦合效应大且无法检测不同深度应力等问
题, 基于临界折射纵波的声弹性原理, 设计并研制了四通道差分式超声应力检测仪。该仪器基于现
场可编程门阵列( FPGA ) 设计, 由超声发射电路、 接收电路、 信号处理电路和操作软件等部分组成。
配合定制的组合式超声激励探头与双宽带接收探头, 可以实现4个不同频率的超声临界折射纵波
应力同步测量, 有效地避免了温度耦合和不同频率探头声学耦合的问题。通过标准拉伸试验对铝
合金和钛合金试样进行了应力测量, 表明该仪器可以满足四通道应力测量。

关键词: 临界折射波; 声弹性效应; 声学耦合; 现场可编程门阵列

中图分类号: TH89 ; TG115.28 文献标志码: A 文章编号: 1000-6656 ( 2023 ) 09-0074-07

Desi g nandim p lementationoffour-channeldifferentialultrasonicstressdetector

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MAJiatao , HEPancon g LUOQ i , JIXuanron g YUANMaodan 1
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( 1.SchoolofElectromechanicalEn g ineerin g , Guan g don gUniversit y ofTechnolo gy , Guan g zhou510006 , China ;

2.Guan g zhouDo pp lerElectronicTechnolo gyCo. , Ltd. , Guan g zhou510663 , China )

Abstract : Theresidualstressofmetalcom p onentsinthep rocessof p rocessin gandservicecausesdeformation

andevenstressfati g ue , whichseriousl yendan g ersthesafet yoftheke ystructure.Inordertoavoidtheeffectof

tem p eratureandmeasureinternalstress g radientatcrucialcom p onents , adifferentialfour-channelultrasonicstress

detectorwasdesi g nedbasedonacoustoelasticeffectoflon g itudinalcriticalrefraction wave.Thedetectorwas

desi g nedbasedonfieldp ro g rammableg atearra y ( FPGA ) and mainl yconsistedofultrasonictransmittin gand

receivin g circuit , si g nal p rocessin g circuitando p erationsoftware.Thedetectore q ui pp edfour-fre q uenc yultrasonic

transmitter p robeandtwobroadbandreceiver p robestoeliminatecou p lin g errorscausedb y tem p eratureandp robe

re p lacement.Thestressmeasurementofaluminumandtitaniumallo y structureswascarriedoutb y standardtensile

test , andp rovedtheca p abilit y offour-channelmeasurementofstress.

Ke ywords : criticalrefractionwave ; acoustoelasticeffect ; acousticcou p lin g ; fieldp ro g rammable g ate arra y
残余应力是消除外部机械载荷和不均匀温度场 应力, 尤其是残余拉应力, 一般情况下是有害的, 会
之后, 仍然存在于材料内部的应力 [ 1 ] 。焊接、 锻压、 导致工件变形和尺寸不稳定, 产生应力疲劳、 加速应
切削加工、 喷丸、 热处理等过程都会使材料产生不均 力腐蚀等。因此, 残余应力的精准、 可靠测量, 对于
匀塑性变形或者相变, 导致残余应力的出现。残余 完善工件的制造工艺和保证其安全使用有重要的
意义 [ 2-3 ] 。
收稿日期: 2023-02-21
根据对工件的影响, 金属结构件的残余应力检
基金项目: 国家自然科学基金( 51805097 )
测方法可以分为有损检测和无损检测。有损检测主
作者简介: 马加涛( 1997- ), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为超
要原理是通过破坏工件进行残余应力的释放, 通过
声应力测量
通信作者: 袁懋诞( 1988- ), 副教授, 博士, 主要研究方向为超声 测量残余应力释放过程中的位移或者应变来计算该
工件中的残余应力。常见的有损检测方法有钻孔
无损检测, md y uan@ g dut.edu.cn
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2023年 第45卷 第9期
无损检测