LCR超声波应力仪的研制

　　0　引言

　　材料内部的缺陷直接影响到构件的安全性和寿命,如何进行无损检测越来越受到人们的重视。对于一些构件,其安全性与残余应力也有相当重要的关系。残余应力的检测手段有多种方法,其中超声波无损检测技术已经比较成熟。

　　1　LCR超声波检测应力的机理

　　超声波检测应力基于声弹性效应,以测量的速度变化来计算构件中的应力大小。传统的速度测量方法都是测量声波通过某一段固定路径时的时间,然后再测出这一段路径的大小。是要测出声波传播路径的精确距离是很困难的,路径的微小误差对于声速的精确测量结果都有影响,而且声弹性现象反映出的声速变化本来就很微小。运用临界角折射法测量速度的试验装置如图1所示。系统由发射斜探头A、接受平探头B和接受探头C、测试介质、隔膜和试件组成,接受换能器之间的距离为30 mm.探头频率选用1. 0MHz、

　　2. 25MHz、5. 0MHz、10MHz和15 MHz.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,高频率超声波的传播速度相对于低频率表现出更明显的变化[2]。对于不同深度的应力状况,选用相应的工作频率。为方便不同频率的探头装置之间的置换,对每个探头设置相同的接口。发射换能器被固定在楔形装置上,在楔形装置中设置隔膜防止反射波直接进入装置.

　　传感器上的磁铁块在测量时起固定作用,使传感器与构件表面紧贴。传感器的底面要求非常光滑,使得在测量过程中可以很好的耦合

　　速度计算公式为

　　式中:v₁为声波在被测材料中的传播速度;v₂为声波在介质中的传播速度;τ_HK为接受换能器接受信号的时间差。

　　2　信号调理电路与采集系统

　　系统硬件结构包括驱动电路、接受电路、CPLD计数电路、单片机控制电路、通讯电路组成[3-4],见图2。驱动电路由CPLD控制驱动;接受电路包括放大、滤波、增益放大等;CPLD外接80MHz晶体高频振荡组成计数电路;单片机微处理器作为控制电路,通过RS—232接口连接PC机进行数据处理;温度传感器采集温度信号作为温度补偿。由于测量超声波的传播时间需要很高的精度,系统采用高精度的高频振荡计数电路与CPLD相结合进行计时,高频计时电路采用外计时电路,时间计量的精度可长期保持在ns量级,保证了整个系统的测量精度和测量稳定性。

　　实际上,所测得的时间不仅是超声波在试件中的传播时间,而且包括在换能器、耦合层中的延迟以及电信号在电路中的延迟等。但是,在测定应力引起的超声速度的变化时,重要的是速度的改变量,而在同一试验条件下,上述的各种延迟保持恒定。因此,对于相对速度的测量(即速度的改变量Δv的测量)上述延迟误差完全可以消去。