残余应力的超声波检测系统

　　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

　　式中:VT0为应力为零时各向同性固体中超声横波速度;VT1、VT2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;σ1、σ2为平面主应力;ST=4(μ+l)/8μ2为横波声弹性常数,是与拉梅常数μ以及三阶弹性常数l有关的物理量,可由实验求得;SL=[Ll-λ(mK+2μ)]/[L(3λ+2μ)(λ+2μ)]为超声纵波声弹性常数,它也是与拉梅常数L、λ、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VT0,VL0,VT1,VT2,VL,ST,SL,代入式(1)、(2),就可以求出平面残余应力。

　　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。

　　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。

　　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。