Page 113 - 无损检测2023年第九期

马加涛, 等:

四通道差分式超声应力检测仪的设计与实现

法、 切条法等。无损检测方法是利用工件内残余应 力测量分析。
力引起的声、 光、 磁等特性变化, 借助专用仪器对残
余应力进行检测。残余应力无损检测方法主要包括 1 差分式临界折射纵波应力测量原理
压痕应变法、 X 射线衍射法 [ 4 ] 、 磁测法 [ 5 ] 、 超声法等。 超声应力测量的基本原理是声弹性效应。最早
与其他方法相比, 超声法不会对工件产生破坏, 操作 由 HUGHES和 KELLY 推导出介质内弹性波声速
简单, 检测效率高, 且对检测环境要求低。现有超声 与应力的关系 [ 14 ] , 不同模式超声对应力的敏感程度
应力检测根据所使用的波型可以分为体波法、 临界 不一, 而临界折射纵波是所有模态中对应力最敏感

折射纵波法、 表面波法和导波法等。 HE 等 [ 6 ] 使用 的模态 [ 11 , 15 ] 。当材料内存在应力且在材料的弹性
临界折射纵波对变截面不锈钢工件的绝对应力进行 极限以内时, 超声临界折射纵波沿着应力方向传播
了测量, 并使用应变片验证测量结果。 HU 等 [ 7 ] 通 的速度随应力大小改变, 其相互关系为
过有限元仿真优选了非线性超声表面波的检测频 v = v 0 1+ kσ ) ( 1 )
2
(
2
率, 并实现了不同铝合金的应力测量。原帅等 [ 8 ] 研 式中: v 0 和v 分别为无应力和有应力状态下临界折
究了薄板结构中不同模态兰姆波对应力的敏感程 射纵波的传播速度; σ 为材料中的应力; k 为声弹性
度, 并对薄板多个位置进行了应力测量, 检测误差小 系数, 与材料的弹性常数相关。

于±15MPa 。 4 λ+10 μ+4m 2 l-3λ-10 μ-4m
k= + /
现有超声应力检测研究主要在试验室环境下通 u λ+2 μ
过常规超声检测装置进行, 设备的集成度低、 便携性 ( 3 λ+2 μ ) ( 2 )
式中: λ 和 为材料拉梅常数, 代表其二阶弹性模
差, 无法满足实际现场快速、 灵活的检测需求。近年 μ
来, 国内外研究人员陆续研制出更适合现场检测的 量; m 和 l 是材料的三阶弹性模量。
对式( 1 ) 求导得
便携 式 超 声 应 力 专 用 检 测 设 备。 STEPOMSKI
等 [ 9 ] 分析了螺栓中超声导波的多模态和频散特性, v dv = k ( 3 )
·
2
v 0 dσ 2
并研制出了基于线性调频压缩技术的便携式螺杆应
由于应力对超声波传播速度的改变非常小, 可
力检 测 仪。 华 东 理 工 大 学 李 海 权 等 [ 10 ] 采 用
, 因此, 声速变化可近似为一阶无穷
MSP430单片机结合使用直流升压电路产生的高压
以认为v ≈v 0
小, 将式( 3 ) 简化为
尖脉冲研制出基于临界折射纵波的超声应力检测
仪, 并通过声弹性系数的标定试验验证了应力测量 dσ= 2 dv ( 4 )
kv 0
的可行性。宋文涛等 [ 11 ] 将超声应力检测系统和调
若测得应力状态下临界折射纵波传播速度的改
控系统相结合, 实现了工件应力的自主调节与监测。
变量dv , 代入式( 4 ) 则可以算出应力值σ 。若临界
虽然这些超声应力检测设备能够满足特定场景
折射纵波的传播距离固定为 L , 对应的传播时间为
下的应力检测, 但实际检测效果受环境温度和耦合
L
状态的影响很大。温度会引起传播声速和声程变 t 0 ≈ 。
v 0
化, 因 此, 通 常 需 要 通 过 温 度 标 定 进 行 温 度 补 此时工件中的应力变化可表示为
偿 [ 12-13 ] 。此外, 当工件中存在应力梯度时, 通常需 ) ( 5 )
d σ=Kd ( t- t 0
要更换不同频率的超声探头进行不同深度的应力测
2 v 0 为零应力下临界折射
量。这会引起探头与工件之间声学耦合条件的改 式中: K= kL 为应力系数; t 0
变, 而超声应力测量设备需要对纳秒级的时间变化 纵波的传播时间。
进行精确测量, 因此, 频繁更换探头会严重影响超声 由式( 5 ) 可知, 被测工件中应力大小与声波传播
应力测量的准确度。针对这些问题, 文章开展了基 时间变化呈线性关系。因此, 可以通过临界折射纵
于临界折射纵波的四通道差分式超声应力检测仪研 波的声时差实现应力测量。
制工作。通过设计组合式超声探头实现4个不同频 由于材料中的声速和声程还会随着环境温度变
率的超声激励, 并通过双通道接收的差分方式自动 化, 且这种变化量在超声应力测量中不可忽略, 为了
补偿温度对应力检测结果的影响。最后利用所研制 尽量避免温度对应力测量的影响, 采用一发两收方
仪器对铝合金与钛合金结构进行应力系数标定和应 式进行系统设计。双接收式临界折射纵波应力检测
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2023年 第45卷 第9期
无损检测