記憶合金相變溫度測量方法及實現(xiàn)其的測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種記憶合金相變溫度測量方法。本發(fā)明測量方法首先測量待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；然后利用超聲縱波速度對于記憶合金相變過程的敏感性，根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度。本發(fā)明還公開了一種實現(xiàn)該測量方法的測量系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)射和接收模塊、信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、樣品溫度調(diào)節(jié)模塊、控制和數(shù)據(jù)處理模塊。本發(fā)明利用超聲縱波速度對于記憶合金相變過程的敏感性來測量記憶合金的相變溫度，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有靈敏度高、可靠性強、應(yīng)用范圍廣以及無損測量的優(yōu)點。
【專利說明】記憶合金相變溫度測量方法及實現(xiàn)其的測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能材料結(jié)構(gòu)相變溫度的測量技術(shù)，尤其涉及一種基于超聲波的記憶合金相變溫度測量方法及實現(xiàn)該測量方法的測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA),或者簡稱記憶合金,是工程、生物醫(yī)學(xué)和微機電等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛的新材料，也作為優(yōu)良的敏感元件和驅(qū)動器應(yīng)用在智能結(jié)構(gòu)中。它所呈現(xiàn)的形狀記憶效應(yīng)和超彈性是熱彈性馬氏體相變所致，相變對SMA的熱力學(xué)行為影響極大，準(zhǔn)確有效測量相變溫度，對SMA的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。目前，形狀記憶合金相變溫度測量方法主要有:熱分析法、熱膨脹法、電阻法、X射線衍射法以及聲發(fā)射法，這些已有的相變測試方法存在一定的局限性。
[0003]示差掃描量熱儀(DSC)、熱膨脹法、內(nèi)耗及變溫X射線衍射這幾種方法對試樣制備都有或高或低的要求，且都僅能檢測較小的樣品，對大工件往往要通過切割或磨削制樣，屬于有損檢測，若制樣方法不當(dāng)，甚至還會對被檢合金的相變溫度產(chǎn)生影響，對大工件而言，這些方法的檢測結(jié)果僅針對材料被檢測的局部區(qū)域,無法對工件做整體平均的測量。這些方法顯然也不適合在工業(yè)現(xiàn)場對工件進(jìn)行在線監(jiān)測。
[0004]電阻法檢測時存在接觸電阻的問題，在升、降溫過程中，由于熱脹冷縮，接觸電阻可能會有較大變化，有時甚至發(fā)生跳變，尤其在測量較大截面積的工件時，工件本身的電阻就很小，接觸電阻的變化會使得測量結(jié)果重復(fù)性變差。
[0005]聲發(fā)射方法用于相變檢測時，存在噪聲和其它AE源的干擾，對通過分析相變AE信號獲得相變溫度有很大影響，因此這種檢測方法對檢測設(shè)備要求很高，對檢測人員也有較高要求。所以，盡管聲發(fā)射是一個測量精度高、有前景的測試方法，但目前在工業(yè)上并沒有廣泛推廣使用。
[0006]大量研究發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金相變時，除了合金的電阻發(fā)生異常變化外，還伴隨晶體結(jié)構(gòu)、晶界、位錯密度、晶體取向、彈性模量等的改變，這些改變會直接導(dǎo)致合金在相變時聲速出現(xiàn)異常變化，因此可以利用聲速對相變的敏感性來測量形狀記憶合金的相變溫度，而且試驗也發(fā)現(xiàn)這種方法具有很高的檢測靈敏度；另外，與其他相變測量方法相比，超聲方法對工件大小和形狀有很強的適應(yīng)性，如管、彈簧、帶、板、棒等各種型材，不需要特殊的樣品制備，可直接對被檢合金做無損相變檢測，而且可推廣到工業(yè)現(xiàn)場的較大工件的在線無損相變檢測；事實上，超聲波在待測樣品內(nèi)傳播的空間范圍大，因此，超聲方法測量相變，是從全局估計相變的技術(shù)，測量結(jié)果具有平均意義，它更客觀準(zhǔn)確測定記憶合金的相變溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有記憶合金相變溫度測量技術(shù)的不足，提供一種記憶合金相變溫度測量方法及實現(xiàn)該測量方法的測量系統(tǒng)，能夠更客觀準(zhǔn)確測定記憶合金的相變溫度，且不需要特殊的樣品制備，可直接對被檢合金做無損相變檢測。[0008]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
一種記憶合金相變溫度測量方法，首先測量待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；然后根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度，具體如下:
對于二步相變的記憶合金，升溫曲線中從低溫到高溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的奧氏體相變開始溫度、奧氏體相變結(jié)束溫度；降溫曲線中從高溫到低溫的第一至第四個拐點所對應(yīng)的溫度依次為待測記憶合金的奧氏體到R相轉(zhuǎn)變的開始溫度和結(jié)束溫度，以及馬氏體相變開始溫度、馬氏體相變結(jié)束溫度；
對于一步相變的記憶合金，升溫曲線中從低溫到高溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的奧氏體相變開始溫度、奧氏體相變結(jié)束溫度；降溫曲線中從高溫到低溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的馬氏體相變開始溫度、馬氏體相變結(jié)束溫度。
[0009]實現(xiàn)上述記憶合金相變溫度測量方法的測量系統(tǒng)，包括:
超聲波發(fā)射和接收模塊，用于在待測記憶合金樣品中激發(fā)和接收超聲縱波；
信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集超聲波發(fā)射和接收模塊輸出的超聲波縱波信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
樣品溫度調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)待測記憶合金樣品的溫度；
控制和數(shù)據(jù)處理模塊，對信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行計算處理，結(jié)合待測記憶合金樣品的溫度，得到待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；并根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度。
[0010]本發(fā)明利用超聲縱波速度對于記憶合金相變過程的敏感性來測量記憶合金的相變溫度，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有靈敏度高、可靠性強、應(yīng)用范圍廣以及無損測量的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明記憶合金相變溫度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為脈沖回波法測量超聲波縱波速度的原理示意圖；
圖3為采用本發(fā)明測量系統(tǒng)測得的N1-Ti記憶合金超聲波信號的波形圖；
圖4為采用本發(fā)明測量系統(tǒng)測得的N1-Ti記憶合金中超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
本發(fā)明的思路是利用超聲縱波速度對于記憶合金相變過程的敏感性來測量記憶合金的相變溫度，首先測量出記憶合金在各溫度下超聲縱波在其中傳播的速度，并用聲速-溫度曲線顯示超聲縱波速度隨溫度的變化規(guī)律，由于在形狀記憶合金的相變點附近，聲速會出現(xiàn)異常變化，聲速-溫度曲線上會出現(xiàn)明顯的拐點，分別對應(yīng)著不同的相變溫度，根據(jù)這些拐點即可準(zhǔn)確地確定記憶合金的相變溫度。
[0013]要實現(xiàn)本發(fā)明的測量方法，首先要解決的第一個問題是在待測形狀記憶合金樣品中激發(fā)穩(wěn)定的超聲波；其次是如何以較低成本將傳感器采集的高頻超聲波信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；最后是提供信號處理和分析方法，以獲得超聲波聲速隨溫度的變化曲線，進(jìn)而得到樣品的相變溫度。
[0014]本發(fā)明的記憶合金相變溫度測量系統(tǒng)，包括:
超聲波發(fā)射和接收模塊，用于在待測記憶合金樣品中激發(fā)和接收超聲縱波；
信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集超聲波發(fā)射和接收模塊輸出的超聲波縱波信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
樣品溫度調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)待測記憶合金樣品的溫度；
控制和數(shù)據(jù)處理模塊，對信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行計算處理，結(jié)合待測記憶合金樣品的溫度，得到待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；并根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度。
[0015]為了便于公眾理解本發(fā)明技術(shù)方案，下面以一個優(yōu)選實施例(其結(jié)構(gòu)如圖1所示)對上述測量系統(tǒng)的各部分做更詳細(xì)說明。
[0016]超聲波發(fā)射和接收模塊:
產(chǎn)生超聲波的方法有壓電，電磁，磁致伸縮、激光熱激發(fā)等方式，本實施例采用縱波PZT壓電換能器，利用其可逆壓電效應(yīng)激發(fā)和接收超聲縱波，由于使用脈沖超聲波更有利于準(zhǔn)確測量聲速，因此，需要用高壓窄脈沖電信號去激勵壓電晶片，專用的脈沖信號發(fā)生器以及普通的超聲波探傷儀都可以提供電壓高達(dá)400V、持續(xù)時間小到IOns左右的脈沖電信號，壓電換能器被激勵后，以壓電晶片的共振頻率發(fā)出脈沖超聲波，從理論上來說頻率越高，超聲波方向性越好，越有利于聲速的準(zhǔn)確測量，但頻率高，聲波衰減嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)具體的被檢測材料合理選擇，一般采用的檢測頻率范圍在0.5ΜΗζ^10ΜΗζ之間，本發(fā)明測量系統(tǒng)能在這樣的頻率范圍內(nèi)正常使用。在探頭和待測樣品之間需要用聲耦合劑排除空氣，超聲波才能從探頭引入到工件內(nèi)，本系統(tǒng)采用水作為聲耦合劑，檢測時樣品和探頭都置于盛有水的水箱內(nèi)，使探頭壓電晶片和待測樣品表面平行緊貼放置，檢測過程中兩者的位置固定不動，以獲得穩(wěn)定的超聲波信號，保證聲速測量的準(zhǔn)確性。
[0017]信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:
超聲波在檢測樣品內(nèi)傳播，在樣品底面產(chǎn)生的回波被壓電晶片接收后，輸出電信號，由于信號頻率高達(dá)兆赫茲，需用昂貴的高速采集卡和相關(guān)的前置及后置電路，然而一些高性能數(shù)字示波器具有優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集、降噪、放大等功能，在超聲檢測應(yīng)用時加以利用，則可用較低的成本代價獲得良好的檢測效果。本實施例使用泰克TDS1002數(shù)字存儲示波器接收超聲信號，其最大采樣率為I GS/s，很好的滿足了高頻超聲信號的采集要求，示波器時間測量的最小分度為5ns，電壓幅值最小分度為5mv，這從硬件上為測量精度提供了保證，經(jīng)示波器將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后，通過示波器自帶的RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給計算機。
[0018]樣品溫度調(diào)節(jié)模塊:
大多數(shù)形狀記憶合金的相變溫度一般控制在室溫范圍，以方便應(yīng)用，本實施例用水作為傳熱介質(zhì)，一方面可以比較均衡地把溫度控制在0°c~100°C之間變化，另一方面也作為超聲波的耦合劑使用，即使樣品的表面不平整，也會有一個穩(wěn)定耦合的作用。由于相變點在室溫范圍，系統(tǒng)選用低溫區(qū)工作的熱電偶測溫，將熱電偶與檢測樣品中心部位緊密接觸，其輸出端與數(shù)顯測溫儀連接，顯示出樣品溫度。
[0019]控制和數(shù)據(jù)處理模塊:
本實施例通過LABVIEW軟件的通信控件建立計算機與RS-232串行端口的通信連接，從而在示波器和計算機間交換數(shù)據(jù)，由計算機程序發(fā)出指令控制示波器動作并讀出示波器中的超聲波數(shù)據(jù)。本實施例采用脈沖回波法測量縱波速度，通過測量工件的多次底面回波傳播時間之差，來計算聲速，其原理如圖2所示，這種方法可以消除因溫度變化而引起壓電晶片性能和耦合條件的變化給聲速測量帶來的影響。具體測量時，回波傳播時間按峰值法確定，即以波形最大值所對應(yīng)位置的時間確定回波傳播的時間。系統(tǒng)由軟件從超聲波數(shù)據(jù)中自動獲取第一次底面回波和第二次底面回波的傳播時間，得到兩者的差值，然后算出聲速，具體計算聲速匕的公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種記憶合金相變溫度測量方法，其特征在于，首先測量待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；然后根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度，具體如下: 對于二步相變的記憶合金，升溫曲線中從低溫到高溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的奧氏體相變開始溫度、奧氏體相變結(jié)束溫度；降溫曲線中從高溫到低溫的第一至第四個拐點所對應(yīng)的溫度依次為待測記憶合金的奧氏體到R相轉(zhuǎn)變的開始溫度和結(jié)束溫度，以及馬氏體相變開始溫度、馬氏體相變結(jié)束溫度； 對于一步相變的記憶合金，升溫曲線中從低溫到高溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的奧氏體相變開始溫度、奧氏體相變結(jié)束溫度；降溫曲線中從高溫到低溫的第一個拐點、第二個拐點所對應(yīng)的溫度分別為待測記憶合金的馬氏體相變開始溫度、馬氏體相變結(jié)束溫度。
2.如權(quán)利要求1所述記憶合金相變溫度測量方法，其特征在于，所述超聲波的頻率范圍為 0.5MHz?10MHz。
3.如權(quán)利要求1所述記憶合金相變溫度測量方法，其特征在于，在測量待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線時，使用脈沖回波法測量超聲波縱波速度。
4.如權(quán)利要求3所述記憶合金相變溫度測量方法，其特征在于，使用縱波PZT壓電換能器激發(fā)和接收超聲波縱波。
5.如權(quán)利要求1所述記憶合金相變溫度測量方法，其特征在于，在測量待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線時，使用水作為聲耦合劑。
6.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述記憶合金相變溫度測量方法的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 超聲波發(fā)射和接收模塊，用于在待測記憶合金樣品中激發(fā)和接收超聲縱波； 信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集超聲波發(fā)射和接收模塊輸出的超聲波縱波信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 樣品溫度調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)待測記憶合金樣品的溫度； 控制和數(shù)據(jù)處理模塊，對信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行計算處理，結(jié)合待測記憶合金樣品的溫度，得到待測記憶合金中的超聲波縱波速度隨溫度變化的聲速-溫度曲線，所述聲速-溫度曲線包括升溫曲線和降溫曲線；并根據(jù)所述聲速-溫度曲線確定待測記憶合金的相變溫度。
7.如權(quán)利要求6所述測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā)射和接收模塊為縱波PZT壓電換能器，用于激發(fā)和接收超聲縱波。
8.如權(quán)利要求6所述測量系統(tǒng)，其特征在于，所述待測記憶合金樣品以及超聲波發(fā)射和接收模塊均置于水中。
9.如權(quán)利要求6所述測量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為數(shù)字存儲示波器。
【文檔編號】G01N25/12GK103499599SQ201310472436
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】王開圣, 趙志敏, 和儒輝, 王致遠(yuǎn) 申請人:南京航空航天大學(xué)