谐振法刚度测量仪的设计

　　0　引　　言

　　刚度(又叫弹性模量)是物体在载荷作用下抵抗弹性变形的一项重要力学性能指标,它与强度、硬度之间存在对应关系,所以对混凝土凝结性能的检测可 以转变为对试块的刚度检测。目前市场上已有的无损刚度计大部分是利用挂砝码法来实现的,该方法虽然具有一定的通用性,对于测试结果也易于理解,但是其最大 缺陷是测量精度差、灵敏度低、工作效率低、自动化水平低。因此,考虑到高精度、高可靠性、智能化的要求,经过认真、具体的分析论证,本文决定采用谐振法, 即扫频共振法原理来研制刚度测量仪。

　　1　刚度测量原理

　　1.1　扫频共振法检测系统测量依据

　　该系统要求传感器向被测的媒介发射某一频率范围内连续变化的超声波信号,使被测的媒介产生共振,此时信号的幅度将增大,同时在媒介的另一侧连续采集接收来自媒介中的超声波共振信号,并通过分析信号的偏移和幅值的变化来获得被测材料的信息。

　　超声检测在工业中应用较多的还是厚度测量、工业探伤等,主要是利用超声波的速度特性来测量厚度和探伤[7],而对于刚度检测其实际应用还比较少。因此在理论上,固体中超声波与刚度值的关系不如厚度测量、工业探伤等完备。但是,根据物体谐振频率与刚度的关系公式:

　　式中:ω为固有频率; K为刚度;m为质量。人们建立了质量材质一定的固体超声波谐振频率与刚度值之间的定性关系,如图1所示。

　　可以归纳为:一定质量材料物体的谐振频率值随着刚度值的变化而变化,在一种设计好的超声波刚度检测仪中,这二者具有严格的对应关系,即刚度值变 化能够严格地转化为频率值变化。因此超声波刚度检测仪从理论上来说具有可行性。固体谐振频率与刚度值的关系并不是一成不变的,而是与固体本身的质量、外形 尺寸和边界条件等有关。不同质量或外形尺寸其反映的“刚度2频率”曲线在量上是不一致的,对此无法加以统一。本设计专门针对10 cm立方体水泥砼试块,可以保证对应关系的唯一性。在超声波刚度仪完成后通过标定实验,再经过一些数学的处理(如最小二乘法、插值法等)建立数学模型,并 最终建立刚度值与谐振频率之间的关系。由于一般的超声波传感器的频带较窄,并且在偏移中心频率后灵敏度下降很快,无法满足在较宽频带内保持相对平坦的响应 幅值,因而难于检测共振点。为解决上述问题,本系统设计采用了

　　2种解决途径:

　　(1)2对相近频率的超声波传感器并列使用,展宽系统测量频宽,如图2所示,所选2对超声波探头应有接近的中心频率;