縱橫波一體化超聲波探頭、彈性模量及分布的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無(wú)損檢測(cè)類，具體涉及一種縱橫波一體化超聲波探頭、彈性模量 及分布的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)損檢測(cè)NDT是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手 段。其技術(shù)水平能反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平。
[0003] 而超聲檢測(cè)技術(shù)UT -直都是無(wú)損檢測(cè)研究的熱點(diǎn)，國(guó)外無(wú)損檢測(cè)的文獻(xiàn)資料中， 有關(guān)超聲檢測(cè)內(nèi)容的比例約占45%，超聲檢測(cè)技術(shù)也是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中使用得最 多的一種。與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，它具有檢測(cè)對(duì)象范圍廣，檢測(cè)深度大；缺陷定位 準(zhǔn)確，靈敏度高；成本低，使用方便；速度快，對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。因此， UT是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高，且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢技術(shù)，這體現(xiàn)在改進(jìn)產(chǎn)品 質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、成品檢測(cè)以及設(shè)備服役的各個(gè)階段和保證機(jī)器零件的可靠性和 安全性上。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，利用超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行彈性模量的檢測(cè)，是分別測(cè)試超聲波在試樣 中的傳播時(shí)間及試樣長(zhǎng)度得到縱向或橫向傳播速度，然后計(jì)算求得彈性模量數(shù)值。但是上 述方法所用設(shè)備復(fù)雜且價(jià)格昂貴，普遍應(yīng)用受到限制；并且上述檢測(cè)方法是單值測(cè)量，不能 直接獲得整個(gè)平面材料的彈性模量分布；同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的超聲檢測(cè)技術(shù)在進(jìn)行彈性模量 檢測(cè)時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、圖像化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] [要解決的技術(shù)問(wèn)題]
[0006] 本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，提供一種縱橫波一體化超聲波探頭、彈 性模量及分布的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法。本發(fā)明提出的基于橫縱波一體化超聲波探頭的彈性 模量及分布測(cè)試方法，綜合超聲自動(dòng)掃查、虛擬儀器技術(shù)及超聲信號(hào)分析與處理、數(shù)字成像 等技術(shù)快速準(zhǔn)確獲得非均質(zhì)各向同異性材料的彈性模量及分布，適用于非均質(zhì)各向異性平 板類復(fù)合材料彈性模量及分布測(cè)試。
[0007] [技術(shù)方案]
[0008] 為了達(dá)到上述的技術(shù)效果，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)橫縱波一體化超聲波探頭，將其搭載于手動(dòng)C成像掃查器，獲得 自由滑移運(yùn)動(dòng)XY兩軸位置信息反饋，利用成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)彈性模量及分布定量表征。
[0010] -種縱橫波一體化超聲波探頭，它包括底部開口的外殼，外殼內(nèi)的阻尼塊、壓電晶 片和斜楔；所述壓電晶片分別置于阻尼塊底部并放置于斜楔上，所述外殼與阻尼塊、斜楔之 間填充吸聲材料；所述第一壓電晶片放置在斜楔水平面上以使第一壓電晶片產(chǎn)生的超聲波 縱波垂直于測(cè)試件平面，所述第二壓電晶片放置在斜楔傾斜面上；所述斜楔傾斜面由上下 兩部分材料組成，所述上下兩部分材料的接觸面與水平面呈一夾角；所述壓電晶片分別引 出電纜線，并通過(guò)外殼側(cè)面的開口牽出外殼；所述開口用橡膠圈密封。
[0011] 本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述斜楔水平面材料與所述斜楔傾斜面下部分材料 一致。
[0012] 本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述斜楔水平面材料、斜楔傾斜面下部分材料與測(cè) 試件材料的聲阻抗差為〇~8Pa. s/m，密度差為0~1.0 kg/m2。
[0013] 本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述斜楔的制備材料均為透聲材料；所述上下兩部 分材料的接觸面與水平面的夾角角度根據(jù)斜楔傾斜面的傾斜角度和上下部分使用的材料 確定，以使第二壓電晶片產(chǎn)生的超聲波縱波完全轉(zhuǎn)化為與測(cè)試件平面垂直的橫波。
[0014] -種彈性模量及分布的測(cè)試系統(tǒng)，它包括上述的縱橫波一體化超聲波探頭，還包 括電腦顯示終端、數(shù)據(jù)采集儀、手動(dòng)C成像掃查器和雙向拉線編碼器。
[0015] 本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述縱橫波一體化超聲波探頭搭載于手動(dòng)C成像掃 查器上，并通過(guò)縱橫波一體化超聲波探頭上的兩條電纜線連接在數(shù)據(jù)采集儀上；所述雙向 拉線編碼器安裝在所述手動(dòng)C成像掃查器上，與位移傳感器連接，所述位移傳感器上的兩 條電纜線連接在數(shù)據(jù)采集儀上；所述數(shù)據(jù)采集儀連接電腦顯示終端并將數(shù)據(jù)傳送電腦顯示 終端進(jìn)行分析。
[0016] 上述彈性模量及分布的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，它包括以下步驟：
[0017] 首先，將搭載有縱橫波一體化超聲波探頭和雙向拉線編碼器的手動(dòng)C成像掃查器 放置于測(cè)試件平面上進(jìn)行接觸式平面掃查；
[0018] 然后，所述縱橫波一體化超聲波探頭選用接觸式脈沖回波法進(jìn)行超聲聲時(shí)的檢 測(cè)，獲得并反饋第一壓電晶片入射到測(cè)試件工作位置的縱波聲速和第二壓電晶片入射到測(cè) 試件工作位置的橫波聲速；同時(shí)利用所述雙向拉線編碼器確定X、Y雙向位置信息，然后通 過(guò)所述位移傳感器反饋位置信息到數(shù)據(jù)采集儀；
[0019] 最后，數(shù)據(jù)采集儀將縱波聲速、橫波聲速及其相對(duì)位置進(jìn)行分析，基于時(shí)差算法計(jì) 算出測(cè)試件平面內(nèi)各點(diǎn)的彈性模量值，并傳輸信息至電腦顯示終端，得到彈性模量及其分 布并進(jìn)行灰度或彩色成像。
[0020] 本發(fā)明中，使用的壓電晶片是實(shí)現(xiàn)聲電相互轉(zhuǎn)換的作用；阻尼塊用于吸收聲能加 大阻尼；所述阻尼塊和壓電晶片外還設(shè)有固定外殼以便于固定內(nèi)部元件；由于斜楔具有保 護(hù)膜的作用，因此本發(fā)明不需要再單獨(dú)安裝保護(hù)膜。
[0021] 彈性波傳播原理，當(dāng)一束超聲波以一定的傾斜角到達(dá)兩種不同聲阻抗介質(zhì)間的界 面時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生波型的轉(zhuǎn)換。此時(shí)，一部分能量在第一種介質(zhì)中被界面反射，反射角 等于入射角，另一部分能量進(jìn)入到第二種介質(zhì)中，形成縱波和橫波兩種類型的超聲波。每種 介質(zhì)中聲波傳播的速度由介質(zhì)本身的某些特性決定，如彈性模量和密度等。
[0022] 橫波的產(chǎn)生基于Snell定理，即：
[0023]
[0024] 其中，C為聲速，Ll為第一介質(zhì)的縱波，L2為第二介質(zhì)的縱波，Sl為橫波，α為入 射角，β為折射角。
[0025] 當(dāng)縱波從波速較慢的有機(jī)玻璃傳播到波速較快的斜楔時(shí)，或者從波速較快的有機(jī) 玻璃傳播到波速較慢的斜楔復(fù)合材料時(shí)，大于一個(gè)特殊的入射角，使折射縱波消失，而只保 留折射橫波，并使得折射橫波的傳播方向與斜楔的底端垂直，并通過(guò)斜楔進(jìn)入到被測(cè)平面 試件內(nèi)。上述的特殊入射角度就是第一臨界角。
[0026] 本發(fā)明為保證穿過(guò)斜楔橫波的大部分能量能夠進(jìn)入被測(cè)平面試件內(nèi)，應(yīng)使斜楔的 材料性質(zhì)盡量與被測(cè)平面試件材料一致或接近，其主要體現(xiàn)在聲阻抗或密度等物理性質(zhì)接 近的材料。當(dāng)介質(zhì)確定時(shí)，通過(guò)Snell定律可以計(jì)算出第一臨界角：
[0027]
[0028] 本發(fā)明在測(cè)試件材料確定的基礎(chǔ)上，首先選擇斜楔的上下部分材料，然后通過(guò)對(duì) 上述的接觸面與水平面的夾角角度的調(diào)整，獲得縱波入射角度大于第一臨界角度，已使縱 波完全轉(zhuǎn)化為橫波，并且橫縱波均垂直于測(cè)試件平面，而保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng) 方向等特性并按照原來(lái)的傳播方向前進(jìn)，不發(fā)生相互干擾。由于橫縱波互不干涉、互不影 響、獨(dú)立工作，分別起到橫縱波共同檢測(cè)的目的。
[0029] 本發(fā)明的彈性模量及分布的測(cè)試系統(tǒng)首先是基于時(shí)差算法計(jì)算彈性模量；然后能 夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超聲激勵(lì)接收裝置的脈沖收發(fā)及數(shù)據(jù)采集功能控制；最后能夠獲取雙向位置編碼 器反饋的信號(hào)為形成分布圖提供位置。
[0030] 由于液體沒有剪切模量，橫波無(wú)法通過(guò)液體傳播，所以不能使用水浸式，只能選用 接觸式脈沖回波法進(jìn)行超聲聲時(shí)檢測(cè)來(lái)得到試件的彈性模量。橫縱波一體化超聲探頭搭載 于手動(dòng)C成像掃查器上，掃查器配套雙向拉線編碼器可以實(shí)現(xiàn)帶有位置信息反饋的XY兩軸 自由滑移運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集儀采用帶有兩編碼器接口和雙通道超聲數(shù)據(jù)采集接口，同一時(shí)間 對(duì)兩個(gè)超聲收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)及XY兩軸位置反饋信息進(jìn)行處理反饋。
[0031] 本發(fā)明縱橫波一體化探頭發(fā)射接收的縱波、橫波信號(hào)并不是同一位置信號(hào)，通過(guò) 記錄保存所有位置的縱波、橫波信號(hào)并進(jìn)行位置匹配，可獲得每一位置對(duì)應(yīng)的縱波、橫波聲 速，從而獲得每一位置的彈性模量，以灰度或彩色圖像定量表征非均質(zhì)各向異性平板類復(fù) 合材料彈性模量及分布。
[0032] [有益效果]
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果：
[0034] 本發(fā)明利用縱橫波一體化超聲波探頭，集合常規(guī)縱波直探頭和常規(guī)橫波斜探頭為 一體，實(shí)現(xiàn)縱波和橫波同時(shí)檢測(cè)，保證縱波和橫波入射方向均垂直于非均質(zhì)各向異性平板 類復(fù)合材料內(nèi)。
[0035] 本發(fā)明利用彈性模量及分布測(cè)試系統(tǒng)，記錄保存材料平面