一種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè)定位方法。本發(fā)明由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一列正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)發(fā)射換能器產(chǎn)生大振幅超聲波，斜入射的超聲波通過(guò)楔塊傳遞到金屬塊作為檢測(cè)信號(hào)，帶動(dòng)金屬塊內(nèi)的閉合裂紋周期性張開(kāi)和閉合，使得聲波發(fā)生畸變產(chǎn)生高次諧波，帶有高次諧波的檢測(cè)信號(hào)大部分被裂紋面反射，由接收換能器接收檢測(cè)信號(hào)并通過(guò)示波器顯示和儲(chǔ)存。本發(fā)明用楔塊連接金屬塊與換能器，通過(guò)使用不同傾斜角的楔塊可以改變超聲波入射到金屬塊的角度，因此可以避免裂紋開(kāi)口正對(duì)檢測(cè)聲波傳播方向的情況，提高裂紋檢出概率，同時(shí)發(fā)射和接收換能器在金屬塊的同一側(cè)檢測(cè)時(shí)更加方便。
【專利說(shuō)明】
-種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 完整的金屬在應(yīng)力作用下，某些薄弱部位發(fā)生局部破斷而形成裂紋。裂紋通常在 金屬使用中是會(huì)擴(kuò)展的，它不僅直接破壞了金屬的連續(xù)性，而且裂紋的尾端必然會(huì)引起應(yīng) 力集中，促使金屬構(gòu)件在較低的應(yīng)力條件下發(fā)生裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂和失效事故。因 此，有必要研究一種能夠準(zhǔn)確檢測(cè)金屬材料早期塑性變形和疲勞裂紋的技術(shù)，超聲無(wú)損檢 測(cè)技術(shù)與其它無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，具有缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、對(duì)人體無(wú)害等諸多優(yōu) 點(diǎn)。但傳統(tǒng)線性超聲檢測(cè)技術(shù)由于原理上的局限性只能停留在定性分析階段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì) 微裂紋的定量評(píng)價(jià)和精確定位。近年來(lái)，力學(xué)、聲學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的一些研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi) 部疲勞損傷引起的力學(xué)性能的改變通過(guò)非線性超聲能夠得到很好的反應(yīng)，即使非常小的裂 紋，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的非線性。有限幅度法是目前使用最多的非線性聲學(xué)方法之一， 固體介質(zhì)的材料非線性主要來(lái)源于材料內(nèi)部的微觀缺陷，單一頻率超聲波在材料中傳播 時(shí)，會(huì)與運(yùn)些微小缺陷相互作用產(chǎn)生非線性特性，從而產(chǎn)生高次諧波。通過(guò)對(duì)高次諧波的觀 察研究，就可W對(duì)被檢材料的內(nèi)部進(jìn)行有效的早期疲勞損傷無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè) 定位方法。
[0004] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為：
[0005] 本發(fā)明由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一列正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)發(fā)射換能器產(chǎn) 生大振幅超聲波，斜入射的超聲波通過(guò)模塊傳遞到金屬塊作為檢測(cè)信號(hào)，帶動(dòng)金屬塊內(nèi)的 閉合裂紋周期性張開(kāi)和閉合，使得聲波發(fā)生崎變產(chǎn)生高次諧波，帶有高次諧波的檢測(cè)信號(hào) 大部分被裂紋面反射，由接收換能器接收檢測(cè)信號(hào)并通過(guò)示波器顯示和儲(chǔ)存;通過(guò)=維精 密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使得發(fā)射換能器在金屬塊表面緩慢移動(dòng)直到接收換能器接收到的檢測(cè)信 號(hào)中高次諧波幅值最大;然后再由=維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)讓接收換能器在金屬塊表面緩慢 移動(dòng)直到尋找到檢測(cè)信號(hào)中高次諧波幅值最大的位置;此時(shí)根據(jù)兩個(gè)換能器的距離、入射 角度推算出閉合裂紋在侶塊中的位置。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：用模塊連接金屬塊與換能器，通過(guò)使用不同傾斜角的模塊可 W改變超聲波入射到金屬塊的角度，因此可W避免裂紋開(kāi)口正對(duì)檢測(cè)聲波傳播方向的情 況，提高裂紋檢出概率，同時(shí)發(fā)射和接收換能器在金屬塊的同一側(cè)檢測(cè)時(shí)更加方便。當(dāng)閉合 裂紋位于發(fā)射換能器聲波傳播路徑，接收換能器位于反射聲波傳播方向時(shí)，檢測(cè)信號(hào)中的 高次諧波幅值最大。此時(shí)通過(guò)計(jì)算兩個(gè)換能器在金屬塊上的距離、角度，可W推算出閉合裂 紋在金屬塊中的位置。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為檢測(cè)原理圖。
[000引圖2為檢測(cè)裝置示意圖。
[0009] 圖3為傳感器夾具示意圖。
[0010] 圖4為是接收換能器未動(dòng)，發(fā)射換能器移動(dòng)時(shí)高次諧波的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。
[0011] 圖5為接收換能器移動(dòng)到檢測(cè)信號(hào)中高次諧波最大位置時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0013] 有限幅度法可W對(duì)微裂紋敏感，能與其相互作用產(chǎn)生高次諧波。目前常規(guī)的有限 幅度法檢測(cè)閉合微裂紋都是向試件垂直發(fā)射超聲波，但當(dāng)裂紋的開(kāi)口正對(duì)檢測(cè)聲波傳播方 向時(shí)，超聲波無(wú)法使其發(fā)生張開(kāi)和閉合現(xiàn)象從而無(wú)法產(chǎn)生高次諧波。并且高次諧波只能反 映裂紋的尺寸，而無(wú)法得知其在試件中的位置。本發(fā)明提出了一種斜入射有限幅度法檢測(cè)、 定位金屬塊閉合微裂紋的方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)裝置。通過(guò)改變超聲換能器的位置和 角度可W避開(kāi)聲波傳播方向正對(duì)裂紋開(kāi)口的情況，能夠提高裂紋檢出率。并且可W根據(jù)發(fā) 射換能器與接收換能器之間的角度和距離推算出裂紋在金屬塊中的位置。
[0014] 本發(fā)明的基本原理在于：
[0015] 斜入射的超聲波帶動(dòng)金屬塊內(nèi)的閉合裂紋周期性張開(kāi)和閉合，使得聲波發(fā)生崎變 產(chǎn)生高次諧波。但因?yàn)槌暡ㄔ谒膫鞑シ较蛏夏芰孔顝?qiáng)，所W只有當(dāng)閉合裂紋位于聲波 傳播路徑中時(shí)，超聲波與裂紋的相互作用最大會(huì)產(chǎn)生最明顯的高次諧波。同時(shí)與裂紋相互 作用帶有高次諧波的檢測(cè)信號(hào)大部分會(huì)被裂紋面反射，因此當(dāng)接收換能器位于反射聲波傳 播方向時(shí)接收到的檢測(cè)信號(hào)性噪比最高，高次諧波幅值也最大。此時(shí)通過(guò)計(jì)算兩個(gè)換能器 的距離、角度便能推算出閉合裂紋在金屬塊中的位置。
[0016] 為了更加具體地描述有限幅度法，下面將通過(guò)公式推導(dǎo)來(lái)解釋有限幅度法的物理 機(jī)理。對(duì)于大部分材料，應(yīng)力S與應(yīng)變e成非線性關(guān)系。在小區(qū)間內(nèi)，可由胡克定律來(lái)描述，如 公式(1)所示
[0017] O = EeQ+齡+...) (1)
[001引式中，E是彈性模量，0是非線性系數(shù)。
[0019] 在一維條件下的各向同性體中，波動(dòng)方程為：
[0020]
(2)
[0021] 式中t為時(shí)間，P為介質(zhì)密度，X為波傳播距離，U為介質(zhì)內(nèi)位于X處的質(zhì)點(diǎn)位移。
[0022] 聯(lián)立式（1)和式(2)，并忽略式(2)中二階項(xiàng)W上的高階項(xiàng)，利用質(zhì)點(diǎn)位移和應(yīng)變的 關(guān)系，可W得到關(guān)于質(zhì)點(diǎn)位巧u(x，t)的相關(guān)方程
[0023]
(3)
[0024] 式中C為波速。
[0025] 利用微擾近似理論，得到方程的近似解為：
[0026] u(x,t)=山+Uni (4)
[0027] 式中：U1為線忡仿務(wù):Uni為非線忡仿務(wù)，邸巧（3)可寫(xiě)為 [002引
（5)
[0029] 此時(shí)，如果把線性解設(shè)為如下形式
[0030] 山=Al cos(kx-?t) (6)
[0031] 式中，CO為聲波頻率;若A為波長(zhǎng)，貝化=?/c = 23iA為波數(shù)。應(yīng)用多試解法和尺度 法和，且在解的過(guò)程中忽略高階小量，就可W得到式(3)和式(5)的近似解
[0032] 山=山+Uni = Ai cos(kx-?t)-A2 sin[2(kx-?t)] (7)
[0033] 式中，Al和A2分別代表基波和二次諧波幅值，并且
[0034]
(8)
[0035] 由式(7)可W發(fā)現(xiàn)，表示非線性響應(yīng)的二次諧波的幅值A(chǔ)2與0有關(guān)，故0可W作為描 述介質(zhì)非線性的一個(gè)參數(shù)，如式(9)所示
[0036]
(9)
[0037] 從式(9)中可W看到，通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的基波與諧波的幅值可W求得0，并用W 描述材魁的非線性。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用0?代替0。
[00 測(cè)
（10)
[0039] 運(yùn)就是基于二次諧波產(chǎn)生的有限幅度法測(cè)量非線性的基本測(cè)量原理。在實(shí)際的檢 測(cè)過(guò)程中，可能會(huì)觀測(cè)到諸如=次諧波等更加高次的諧波，運(yùn)種現(xiàn)象一般與材料和缺陷的 性質(zhì)有關(guān)。
[0040] 結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0041] 如圖1和圖2所示，該裝置包括信號(hào)發(fā)生器1、功率放大器2、發(fā)射換能器3、模塊4、金 屬塊5、模塊6、接收換能器7、示波器8、=維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)9。其中=維精密運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)主要由工作臺(tái)10、運(yùn)動(dòng)電機(jī)11、絲桿12、導(dǎo)軌13、分度頭14、傳感器夾具15組成。傳感器夾 具如圖3所示，由螺栓16、轉(zhuǎn)動(dòng)頭17、螺栓18、直杠19組成，螺栓16固定傳感器，螺栓18調(diào)整轉(zhuǎn) 動(dòng)頭17的角度，直杠18與分度頭14連接。
[0042] 如圖1所示，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一列高頻率的正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后激勵(lì) 發(fā)射換能器產(chǎn)生大振幅超聲波，超聲波通過(guò)模塊傳遞到金屬塊并在金屬塊中與裂紋相互作 用產(chǎn)生高次諧波，由接收換能器接收檢測(cè)信號(hào)并通過(guò)示波器顯示和儲(chǔ)存。通過(guò)=維精密運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)使得發(fā)射換能器在金屬塊表面緩慢移動(dòng)直到接收換能器接收到的檢測(cè)信號(hào)中 高次諧波幅值最大。然后再由=維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)讓接收換能器在金屬塊表面緩慢移動(dòng) 直到尋找到檢測(cè)信號(hào)中高次諧波幅值最大的位置。此時(shí)根據(jù)兩個(gè)換能器的距離、入射角度 推算出閉合裂紋在侶塊中的位置。
[0043] 實(shí)施例；
[0044] W長(zhǎng)500mm、寬250mm、高300mm，中間存在人工制造的閉合裂紋的侶塊作為檢測(cè)對(duì) 象，按照?qǐng)D1、圖2搭建檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器一、超聲換 能器二、模塊一、模塊二、=維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。發(fā)射超聲換能器的中屯、頻率為1.39MHz， 由于頻率為f的超聲波與缺陷相互作會(huì)產(chǎn)生頻率為nf(n=l，2,3-，）的高次諧波。所W選擇 中屯、頻率及帶寬要較大的接收超聲換能器。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1.4MHz頻率、5V電壓的正弦 波，通過(guò)功率放大器放大20地后激勵(lì)換能器產(chǎn)生大振幅超聲波。再由另一個(gè)換能器接收與 閉合裂紋相互作用產(chǎn)生了高次諧波的檢測(cè)信號(hào)，并用示波器儲(chǔ)存和顯示。用=維精密控制 系統(tǒng)移動(dòng)發(fā)射換能器使檢測(cè)信號(hào)中的高次諧波幅值最大，然后再移動(dòng)接收換能器尋找檢測(cè) 信號(hào)中高次諧波最大的位置。根據(jù)兩個(gè)換能器的距離、入射角度推算出閉合裂紋在侶塊中 的位置。
[0045]圖4是接收換能器未動(dòng)，發(fā)射換能器移動(dòng)時(shí)高次諧波最明顯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖5是接 收換能器移動(dòng)到檢測(cè)信號(hào)中高次諧波最大位置時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？蒞發(fā)現(xiàn)此時(shí)檢測(cè)信號(hào)信噪 比和高次諧波幅值都有所提高。根據(jù)兩個(gè)換能器的角度和在金屬塊上的位置推算出的裂紋 位置，經(jīng)計(jì)算它和實(shí)際裂紋位置誤差在5 % W內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于有限幅度法的金屬塊閉合裂紋檢測(cè)定位方法，其特征在于：由信號(hào)發(fā)生器 產(chǎn)生一列正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)發(fā)射換能器產(chǎn)生大振幅超聲波，斜入射的超 聲波通過(guò)楔塊傳遞到金屬塊作為檢測(cè)信號(hào)，帶動(dòng)金屬塊內(nèi)的閉合裂紋周期性張開(kāi)和閉合， 使得聲波發(fā)生畸變產(chǎn)生高次諧波，帶有高次諧波的檢測(cè)信號(hào)大部分被裂紋面反射，由接收 換能器接收檢測(cè)信號(hào)并通過(guò)示波器顯示和儲(chǔ)存;通過(guò)三維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使得發(fā)射換能 器在金屬塊表面緩慢移動(dòng)直到接收換能器接收到的檢測(cè)信號(hào)中高次諧波幅值最大;然后再 由三維精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)讓接收換能器在金屬塊表面緩慢移動(dòng)直到尋找到檢測(cè)信號(hào)中高 次諧波幅值最大的位置;此時(shí)根據(jù)兩個(gè)換能器的距離、入射角度推算出閉合裂紋在鋁塊中 的位置。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK105954356SQ201610289533
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】鄭慧峰, 方漂漂, 王月兵, 曹永剛, 郭世旭, 趙鵬, 曹文旭, 張虹
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量大學(xué)