專利名稱：一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的夾具、測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無損超聲波檢測(cè)用的夾具、測(cè)量裝置及測(cè)量方法，主要用于精確測(cè)試超聲表面波在鐵磁性材料中的聲速，實(shí)現(xiàn)材料性能表征。屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無損檢測(cè)行業(yè)中，超聲表面波經(jīng)常用來檢測(cè)金屬工件的表面缺陷、表征材料的性能以及分析構(gòu)件的受載情況。在描述超聲波傳播特征的物理量中傳播聲速是一個(gè)重要物理量。對(duì)于一般的工業(yè)應(yīng)用表面波聲速可大致進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量的精確度并沒有太高的要求，但是對(duì)于一些特定的場(chǎng)合，必須對(duì)表面波聲速進(jìn)行精確測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法則不能滿足要求。例如用表面波聲速評(píng)估材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和各向異性，以及用表面波測(cè)試構(gòu)件中載荷應(yīng)力和焊縫的殘余應(yīng)力等。當(dāng)材料在制備和加工過程中其微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生會(huì)變 化，導(dǎo)致材料的聲傳播特性發(fā)生變化和聲各向異性，并最終體現(xiàn)出聲速的微小變化。在用表面波測(cè)試材料中的載荷應(yīng)力和殘余應(yīng)力時(shí)，由聲彈性效應(yīng)可知應(yīng)力也將導(dǎo)致聲速的微小變化。用傳統(tǒng)的聲速測(cè)試方法則無法分辨上述作用導(dǎo)致的聲速的變化。傳統(tǒng)的表面波聲速測(cè)定方法是飛行時(shí)間法，手工或/和機(jī)械控制聲表面波換能器改變聲程，由測(cè)得的時(shí)間延遲計(jì)算聲速。測(cè)量時(shí)間時(shí)可用相位比較法或者回振法。若測(cè)試要求不高時(shí)，可直接測(cè)試發(fā)射波和第一次底面回波的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，要求高時(shí)則通過采用二次波法，即利用第一次、第二次底面回波測(cè)試聲波在材料中的傳播時(shí)間。對(duì)于第一種方法測(cè)試的時(shí)間不僅包括了聲波的傳播時(shí)間，也包括了聲波在線路中、耦合劑和探頭中的時(shí)間。第二種測(cè)試方法雖然消除了測(cè)試的系統(tǒng)誤差，但在測(cè)試過程中只考慮了傳播時(shí)間，并沒有考慮材料變形等其它因素的影響，而這一點(diǎn)在用表面波法測(cè)應(yīng)力時(shí)尤其重要，手工控制無法保證測(cè)量過程中換能器與構(gòu)件間耦合穩(wěn)定，機(jī)械控制并非彈性接觸，因?yàn)椴牧鲜芰Ρ厝灰鹱冃?，可能造成聲程的改變，控制裝置的受力變形也會(huì)影響耦合狀態(tài)。如果在測(cè)試聲速時(shí)沒有考慮這一點(diǎn)，也將導(dǎo)致誤差。例如，在中國(guó)專利200810054608中揭示了通過二次波法測(cè)量材料聲速的方法。發(fā)明人針對(duì)傳統(tǒng)表面波聲速測(cè)量的不足之處，設(shè)計(jì)發(fā)明了精確測(cè)量鐵磁性材料的表面波聲速專門夾具，測(cè)量裝置及測(cè)量方法，不僅改善了探頭與材料之間的耦合條件，而且具有操作簡(jiǎn)單，使用便捷的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料的表面波聲速的夾具，測(cè)量裝置及測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)聲表面波換能器(以下簡(jiǎn)稱換能器)與材料之間彈性接觸，測(cè)量時(shí)無需手工改變聲程，同時(shí)適用于豎直或傾斜測(cè)試面的聲速測(cè)量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的夾具，其特征在于所述夾具具鐵磁性，外形呈_π_,其包括具有長(zhǎng)條開口的槽及位于所述槽的兩側(cè)壁壁端的側(cè)翼；在所述槽的槽頂處開設(shè)有至少三個(gè)槽孔；所述夾具通過吸附裝置吸附在被測(cè)工件上。所述吸附裝置為永磁圓鋼片，所述永磁圓鋼片吸附在所述側(cè)翼與所述被測(cè)工件之間。本發(fā)明提供的另一技術(shù)方案為一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于包括夾具、起發(fā)射作用的發(fā)射聲表面波換能器、起接收作用的接收聲表面波換能器、脈沖裝置、信號(hào)放大裝置、信號(hào)觸發(fā)裝置、延遲器、計(jì)數(shù)器，其中所述發(fā)射聲表面波換能器、接收聲表面波換能器分別通過所述夾具夾持限位；所述脈沖裝置的輸出端與所述發(fā)射聲表面波換能器連接；所述接收聲表面波換能器與所述信號(hào)放大裝置的輸入端連接；所述信號(hào)放大裝置的輸出端與所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸入端連接；所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸出端與所述延遲器的輸入端連接，所述延遲器的輸出端分別與所述脈沖裝置的輸入端和所述計(jì)數(shù)器的輸入端連接；所述夾具通過吸附裝置吸附固定在被測(cè)工件表面。所述發(fā)射聲表面波換能器、接收聲表面波換能器依次相向設(shè)置在所述夾具的槽 內(nèi)，所述發(fā)射聲表面波換能器和接收聲表面波換能器的接線座分別穿過所述槽孔進(jìn)行定位；所述吸附裝置位于所述側(cè)翼與被測(cè)工件之間對(duì)所述夾具進(jìn)行固定；所述槽內(nèi)深度和所述吸附裝置的高度之和小于所述發(fā)射聲表面波換能器高度或接收聲表面波換能器高度，且其高度差小于1mm。所述接收聲表面波換能器為兩個(gè)依次同向設(shè)置的第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器，所述第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器的接線座分別穿過所述夾具的槽孔進(jìn)行定位；所述第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器不同時(shí)與所述信號(hào)放大裝置連接。所述夾具的槽寬與槽孔分別和所述發(fā)射聲表面波換能器和所述接收聲表面波換能器的寬度和接線座相匹配。所述信號(hào)放大裝置及所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸出端分別與示波器的輸入端連接。所述信號(hào)放大裝置由依次連接的信號(hào)放大器、門放大器及自動(dòng)增益放大器組成，所述信號(hào)放大器的輸入端與所述接收聲表面波換能器連接，所述自動(dòng)增益放大器的輸出端分別與所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸入端和示波器的輸入端連接。本發(fā)明提供的另一技術(shù)方案是一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，包括如下步驟1)設(shè)置測(cè)量裝置，將發(fā)射聲表面波換能器和接收聲表面波換能器相向設(shè)置于涂抹有耦合劑的被測(cè)工件表面，并通過夾具進(jìn)行夾持限位，通過吸附裝置將夾具吸附固定在被測(cè)工件表面；發(fā)射聲表面波換能器的接線座與脈沖裝置連接，接收聲表面波換能器的接線座與信號(hào)放大裝置連接，信號(hào)放大裝置與信號(hào)觸發(fā)裝置連接，信號(hào)放大裝置和信號(hào)觸發(fā)裝置分別和示波器連接，信號(hào)觸發(fā)裝置通過延遲器分別與脈沖裝置和計(jì)數(shù)器連接；2)第一次測(cè)試通過脈沖裝置產(chǎn)生脈沖激勵(lì)發(fā)射聲表面波換能器發(fā)出超聲波，并產(chǎn)生在被測(cè)工件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ邮章暠砻娌〒Q能器接收到傳播的表面波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給信號(hào)放大裝置；信號(hào)放大裝置將接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大后并將其分別傳輸給信號(hào)觸發(fā)裝置與示波器，通過示波器監(jiān)測(cè)放大后的波形；信號(hào)觸發(fā)裝置接收到電信號(hào)后，產(chǎn)生觸發(fā)電信號(hào)分別輸出到延遲器和示波器，通過示波器監(jiān)測(cè)顯示的波形；通過延遲器延遲一定時(shí)間后將觸發(fā)電信號(hào)傳輸給脈沖裝置和計(jì)數(shù)器，激勵(lì)脈沖裝置發(fā)出脈沖信號(hào)，并將發(fā)出的脈沖信號(hào)發(fā)送給發(fā)射聲表面波換能器進(jìn)行下一個(gè)發(fā)射、接收、放大、觸發(fā)的脈沖循環(huán)，計(jì)數(shù)器記錄第一次測(cè)試的脈沖循環(huán)次數(shù)，并記錄完成脈沖循環(huán)次數(shù)后的累積時(shí)間；3)第二次測(cè)試在完成第一次測(cè)試后，使進(jìn)行第二次測(cè)試的接收聲表面波換能器的位置與進(jìn)行第一次測(cè)試時(shí)聲表面波換能器所在位置保持距離，再重復(fù)步驟2)進(jìn)行第二次測(cè)試，計(jì)數(shù)器記錄第二次測(cè)試時(shí)的脈沖循環(huán)次數(shù)，記錄第二次測(cè)試的累計(jì)時(shí)間；4)通過累積時(shí)間除以脈沖循環(huán)次數(shù)，可得第一次測(cè)試的單次脈沖循環(huán)的平均時(shí)間T1和第二次測(cè)試的單次脈沖循環(huán)的平均時(shí)間T2 ;根據(jù)第一次測(cè)試接收聲表面波換能器和第二次測(cè)試接收聲表面波換能器之
間的距離，通過公示
權(quán)利要求
1.一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的夾具，其特征在于所述夾具具鐵磁性，外形呈其包括具有長(zhǎng)條開口的槽及位于所述槽的兩側(cè)壁壁端的側(cè)翼；在所述槽的槽頂處開設(shè)有至少三個(gè)槽孔；所述夾具通過吸附裝置吸附在被測(cè)工件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的夾具，其特征在于所述吸附裝置為永磁圓鋼片，所述永磁圓鋼片吸附在所述側(cè)翼與所述被測(cè)工件之間。
3.一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于包括夾具、起發(fā)射作用的發(fā)射聲表面波換能器、起接收作用的接收聲表面波換能器、脈沖裝置、信號(hào)放大裝置、信號(hào)觸發(fā)裝置、延遲器、計(jì)數(shù)器，其中所述發(fā)射聲表面波換能器、接收聲表面波換能器分別通過所述夾具夾持限位；所述脈沖裝置的輸出端與所述發(fā)射聲表面波換能器連接；所述接收聲表面波換能器與所述信號(hào)放大裝置的輸入端連接；所述信號(hào)放大裝置的輸出端與所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸入端連接；所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸出端與所述延遲器的輸入端連接，所述延遲器的輸出端分別與所述脈沖裝置的輸入端和所述計(jì)數(shù)器的輸入端連接；所述夾具通過吸附裝置吸附固定在被測(cè)工件表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述夾具具鐵磁性，外形呈_11_，其包括具有長(zhǎng)條開口的槽及位于所述槽的兩側(cè)壁端的側(cè)翼；在所述槽的槽頂處開設(shè)有至少三個(gè)槽孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述發(fā)射聲表面波換能器、接收聲表面波換能器依次相向設(shè)置在所述夾具的槽內(nèi)，所述發(fā)射聲表面波換能器和接收聲表面波換能器的接線座分別穿過所述槽孔進(jìn)行定位；所述吸附裝置位于所述側(cè)翼與被測(cè)工件之間對(duì)所述夾具進(jìn)行固定；所述槽內(nèi)深度和所述吸附裝置的高度之和小于所述發(fā)射聲表面波換能器高度或接收聲表面波換能器高度，且其高度差小于 Imnin
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述吸附裝置為永磁圓鋼片。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述接收聲表面波換能器為兩個(gè)依次同向設(shè)置的第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器，所述第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器的接線座分別穿過所述夾具的槽孔進(jìn)行定位；所述第一接收聲表面波換能器和第二接收聲表面波換能器不同時(shí)與所述信號(hào)放大裝置連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述夾具的槽寬與槽孔分別和所述發(fā)射聲表面波換能器和所述接收聲表面波換能器的寬度和接線座相匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述信號(hào)放大裝置及所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸出端分別與示波器的輸入端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量裝置，其特征在于所述信號(hào)放大裝置由依次連接的信號(hào)放大器、門放大器及自動(dòng)增益放大器組成，所述信號(hào)放大器的輸入端與所述接收聲表面波換能器連接，所述自動(dòng)增益放大器的輸出端分別與所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸入端和示波器的輸入端連接。
11.一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，包括如下步驟1)設(shè)置測(cè)量裝置，將發(fā)射聲表面波換能器和接收聲表面波換能器相向設(shè)置于涂抹有耦合劑的被測(cè)工件表面，并通過夾具進(jìn)行夾持限位，通過吸附裝置將夾具吸附固定在被測(cè)工件表面；發(fā)射聲表面波換能器的接線座與脈沖裝置連接，接收聲表面波換能器的接線座與信號(hào)放大裝置連接，信號(hào)放大裝置與信號(hào)觸發(fā)裝置連接，信號(hào)放大裝置和信號(hào)觸發(fā)裝置分別和示波器連接，信號(hào)觸發(fā)裝置通過延遲器分別與脈沖裝置和計(jì)數(shù)器連接；2)第一次測(cè)試通過脈沖裝置產(chǎn)生脈沖激勵(lì)發(fā)射聲表面波換能器發(fā)出超聲波，并產(chǎn)生在被測(cè)工件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，接收聲表面波換能器接收到傳播的表面波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給信號(hào)放大裝置；信號(hào)放大裝置將接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大后并將其分別傳輸給信號(hào)觸發(fā)裝置與示波器，通過示波器監(jiān)測(cè)放大后的波形；信號(hào)觸發(fā)裝置接收到電信號(hào)后，產(chǎn)生觸發(fā)電信號(hào)分別輸出到延遲器和示波器，通過示波器監(jiān)測(cè)顯示的波形；通過延遲器延遲一定時(shí)間后將觸發(fā)電信號(hào)傳輸給脈沖裝置和計(jì)數(shù)器，激勵(lì)脈沖裝置發(fā)出脈沖信號(hào)，并將發(fā)出的脈沖信號(hào)發(fā)送給發(fā)射聲表面波換能器進(jìn)行下一個(gè)發(fā)射、接收、放大、觸發(fā)的脈沖循環(huán)，計(jì)數(shù)器記錄第一次測(cè)試的脈沖循環(huán)次數(shù)，并記錄完成脈沖循環(huán)次數(shù)后的累積時(shí)間；3)第二次測(cè)試在完成第一次測(cè)試后，使進(jìn)行第二次測(cè)試的接收聲表面波換能器的位置與進(jìn)行第一次測(cè)試時(shí)聲表面波換能器所在位置保持距離At，再重復(fù)步驟2)進(jìn)行第二次測(cè)試，計(jì)數(shù)器記錄第二次測(cè)試時(shí)的脈沖循環(huán)次數(shù)，記錄第二次測(cè)試的累計(jì)時(shí)間；4)通過累積時(shí)間除以脈沖循環(huán)次數(shù)，可得第一次測(cè)試的單次脈沖循環(huán)的平均時(shí)間T1和第二次測(cè)試的單次脈沖循環(huán)的平均時(shí)間T2 ;根據(jù)第一次測(cè)試接 收聲表面波換能器和第二次測(cè)試接收聲表面波換能器的距離，通過公式 計(jì)算 聲表面波在被測(cè)工件中的傳播聲速V。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，其特征在于所述接收聲表面波換能器包括同向設(shè)置在所述夾具內(nèi)的第一聲表面波換能器和第二聲表面波換能器，其距離為M所述第一接收聲表面波換能器和所述第二接收聲表面波換能器不同時(shí)與所述信號(hào)放大裝置連接；在所述步驟2)中的第一次測(cè)試時(shí)，將所述第一接收聲表面波換能器的接線座與所述信號(hào)放大裝置連接進(jìn)行測(cè)試；在所述步驟3)中的第二次測(cè)試時(shí)，將所述第二接收聲表面波換能器的接線座與所述信號(hào)放大裝置連接進(jìn)行測(cè)試。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，其特征在于所述夾具具鐵磁性，其外形呈—廠匕，其包括具有長(zhǎng)條開口的槽及位于所述槽的兩側(cè)壁壁端的側(cè)翼；在所述槽的槽頂處開設(shè)有至少三個(gè)槽孔；所述夾具通過所述吸附裝置吸附在被測(cè)工件上；所述發(fā)射聲表面波換能器和所述接收聲表面波換能器分別位于所述夾具的槽內(nèi)，其接線座分別穿過所述槽孔進(jìn)行限位；所述槽內(nèi)深度和所述吸附裝置的高度之和小于所述發(fā)射聲表面波換能器高度或所述接收聲表面波換能器高度，且其高度差小于Imnin
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，其特征在于所述吸附裝置為永磁圓鋼片，所述永磁圓鋼片吸附在所述側(cè)翼與所述被測(cè)工件之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的測(cè)量方法，其特征在于所述信號(hào)放大裝置由信號(hào)放大器、門放大器、自動(dòng)增益放大器依次連接組成，所述信號(hào)放大器的輸入端與所述接收聲表面波換能器連接，所述自動(dòng)增益放大器輸出端分別與所述示波器和所述信號(hào)觸發(fā)裝置的輸入端連 接。
全文摘要
一種用于精確測(cè)量鐵磁性材料表面波聲速的夾具、測(cè)量裝置及測(cè)量方法。夾具外形呈，由槽及位于槽的兩側(cè)的側(cè)翼組成；在槽頂處開設(shè)有三個(gè)槽孔；夾具通過吸附裝置吸附在被測(cè)工件上。通過夾具固定三只聲表面波換能器于被測(cè)工件材料表面，通過由脈沖裝置、信號(hào)放大裝置、信號(hào)觸發(fā)裝置、延遲器、計(jì)數(shù)器及發(fā)射換能器、接收換能器及夾具組成的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)換能器與材料表面之間彈性接觸，減小外界干擾和換能器移動(dòng)引起的耦合變化和測(cè)量誤差。采用本夾具、測(cè)量裝置及測(cè)試方法測(cè)試材料的表面波聲速，不僅不需移動(dòng)換能器位置，簡(jiǎn)化了測(cè)試過程，消除聲波信號(hào)在電路和換能器中的延遲，實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料表面波聲速的精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01H5/00GK102928062SQ20121044144
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者宋廣三, 魏勤, 王寧偉, 李丙祥, 王成, 陸毅, 朱金連, 朱登峻, 衛(wèi)婷 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫綜合技術(shù)中心