本發(fā)明涉及聲彈性測(cè)量領(lǐng)域，尤其是涉及一種激光激發(fā)表面波測(cè)量聲彈性常數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

超聲波的剪切波在物體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙折射，其波速會(huì)隨應(yīng)力發(fā)生變化，這種利用測(cè)量聲速變化來(lái)反映物體內(nèi)部應(yīng)力分布的方法叫做聲彈性法。對(duì)于物體傳播的其他波，如縱波、瑞利波，它們的波速也隨應(yīng)力變化，同樣利用這種變化測(cè)量應(yīng)力的方法叫做廣義聲彈性法。通常認(rèn)為聲速與應(yīng)力間的關(guān)系是線性的，聲彈性常數(shù)即為用來(lái)表征這種線性關(guān)系的常數(shù)。超聲波法來(lái)測(cè)量材料的聲彈性常數(shù)除了傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)，還有近些年發(fā)展起來(lái)的電磁超聲和激光超聲，目前電磁超聲比較成熟的一般是通過(guò)sh波來(lái)進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)，但它只適用于導(dǎo)電或鐵磁性材料。激光超聲近年來(lái)已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支，具有非接觸、適應(yīng)范圍廣、空間分辨率高、寬頻帶、可實(shí)現(xiàn)快速全方位實(shí)時(shí)在線掃描等優(yōu)勢(shì)，且本實(shí)驗(yàn)所用的激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀設(shè)備攜帶方便，實(shí)現(xiàn)測(cè)量一體化，便于工業(yè)應(yīng)用，與傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，克服了傳統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量方法費(fèi)時(shí)耗力、破壞、體積龐大等缺點(diǎn)，因而該技術(shù)可被應(yīng)用于工件質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)、材料的無(wú)損檢測(cè)以及高溫高壓環(huán)境下測(cè)量等。由于聲彈性效應(yīng)是一種弱效應(yīng)，應(yīng)力引起的聲速變化量很小，因此，對(duì)波速變化的精確測(cè)量顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種激光激發(fā)壓電傳感接收、分辨率高、裝置方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的激光激發(fā)表面波測(cè)量聲彈性常數(shù)的方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種激光激發(fā)表面波測(cè)量聲彈性常數(shù)的方法，該方法包括以下步驟：

1)通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)裝置的各部件連接完整并通電；

2)將待檢試樣放置在加載夾具中，調(diào)整激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀的振鏡掃描頭與待檢試樣之間的距離，使待檢試樣位于振鏡掃描頭的焦距處，啟動(dòng)激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀，使振鏡掃描頭掃描的有效區(qū)域位于待檢試樣的中心處，并使待檢試樣的激光掃描面平行于振鏡掃描頭平面；

3)采用壓電傳感器獲取在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下激光激發(fā)的超聲表面波波速；

4)對(duì)待檢試樣進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)加載保持一定時(shí)間，待荷載穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且獲取不同載荷下的超聲表面波波速；

5)對(duì)不同載荷下的超聲表面波波速數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合得到波速的相對(duì)變化b隨應(yīng)力變化的直線方程，該直線方程的斜率即為待檢試樣的聲彈性常數(shù)。

所述的檢測(cè)裝置包括激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀、支撐架、計(jì)算機(jī)、加載夾具、材料試驗(yàn)機(jī)和壓電傳感器，所述的激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀設(shè)置在支撐架上，所述的待檢試樣固定在加載夾具中并由材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，所述的壓電傳感器設(shè)置在待檢試樣表面，所述的計(jì)算機(jī)分別與材料試驗(yàn)機(jī)、壓電傳感器和激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀連接。

所述的支撐架為可調(diào)節(jié)高度和位置的鋁型材支撐架。

所述的支撐架下端設(shè)有蹄腳，所述的蹄腳包括蹄腳座、防震橡膠墊和螺紋桿。

所述的步驟2)中，激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀的振鏡掃描頭與待檢試樣表面之間的距離為350mm。

所述的激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀為luft-1300激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀。

所述的步驟4)中，加載保持時(shí)間為5-10min。

所述的步驟5)中，直線方程的表達(dá)式為：

b＝kσ+b

其中，vi為第i次加載激光激發(fā)的超聲表面波波速，v0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下激光激發(fā)的超聲表面波波速，σ為應(yīng)力，k為聲彈性常數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)，由材料織構(gòu)效應(yīng)和未知?dú)堄鄳?yīng)力等因素引起。。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、采用激光激發(fā)、壓電傳感接收的方式，既保留了激光高分辨率的優(yōu)勢(shì)，又兼具了系統(tǒng)造價(jià)低、使用方便的特點(diǎn)，適合于工業(yè)上廣泛運(yùn)用。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量會(huì)引入由于試件拉壓過(guò)程中探頭間距離變化引起超聲波到達(dá)時(shí)間的變化，即計(jì)算所得聲速產(chǎn)生變化，而聲速隨應(yīng)力變化又十分微小，因此這種誤差不可忽視，luft-1300激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀激發(fā)的超聲波傳播距離只與激光設(shè)置的打點(diǎn)距離有關(guān)，不受試件拉伸變形及探頭位置的影響，并且分辨率極高，對(duì)于應(yīng)力引起的波速變化十分靈敏。

三、實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置搭建容易，激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀已實(shí)現(xiàn)一體化裝置，實(shí)驗(yàn)步驟操作便捷，耗時(shí)少，并且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該實(shí)驗(yàn)具有較高的精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為檢測(cè)裝置簡(jiǎn)化圖。

圖3為通過(guò)檢測(cè)鑄鐵材料瑞利波波速隨加載應(yīng)力的變化關(guān)系圖。

圖4為通過(guò)檢測(cè)鑄鐵材料瑞利波波速相對(duì)變化隨加載應(yīng)力的變化圖。

圖中標(biāo)記說(shuō)明：

1、激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀，2、支撐架，3、蹄腳，4、計(jì)算機(jī)，5、加載夾具，6、材料試驗(yàn)機(jī)，7、壓電傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

本實(shí)施例為一種基于激光超聲表面波法關(guān)于鑄鐵制動(dòng)盤聲彈性常數(shù)的測(cè)定，具體檢測(cè)過(guò)程為：

1)通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)裝置連接完整，通電；

2)將加工好的鑄鐵長(zhǎng)方體試塊(31.8mm×14.3mm×80mm)放置于mts647液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具中，調(diào)整激光掃描頭與樣品之間的距離，使樣品位于它的焦距上，啟動(dòng)激光儀的紅光掃描命令，使振鏡掃描頭能夠掃描的有效區(qū)域位于待檢對(duì)象中心處，并使待檢對(duì)象激光掃描面平行于振鏡鏡頭平面；

3)精確測(cè)定無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下激光激發(fā)的超聲表面波波速，利用表面波壓電探頭測(cè)得鑄鐵的表面波波速；

4)對(duì)待檢試樣進(jìn)行逐級(jí)加載，每次加載保持5-10min，待荷載穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于matlb軟件編程計(jì)算出不同載荷下表面波波速；

5)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注意觀察不同載荷下超聲波波速與所加載載荷的關(guān)系，加載在材料的彈性范圍內(nèi)；

6)基于聲彈性理論，編程計(jì)算出該鑄鐵制動(dòng)盤材料的聲彈性常數(shù)，進(jìn)一步寫出其聲彈性方程，通過(guò)對(duì)該材料制動(dòng)盤其他位置的波速測(cè)量，代入實(shí)驗(yàn)所得的聲彈性方程，即可進(jìn)行該制動(dòng)盤表面殘余應(yīng)力的標(biāo)定。

如圖1和2所示，檢測(cè)裝置包括激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀(luft)及用于調(diào)節(jié)激光儀位置的鋁型材支撐架、計(jì)算機(jī)、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、超聲波接收探頭。圖1為一種基于激光超聲法聲彈性常數(shù)的測(cè)定系統(tǒng)，包括激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀1、可調(diào)節(jié)高度和位置鋁型材的支撐架2、計(jì)算機(jī)4、實(shí)驗(yàn)樣品的加載夾具5、材料試驗(yàn)機(jī)6、壓電傳感器7。其中l(wèi)uft1300檢測(cè)儀系統(tǒng)由激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀1、支撐架2和計(jì)算機(jī)4三部分組成。蹄腳3由蹄腳座、防震橡膠墊和螺紋桿組成，具有支撐、防震等作用，螺桿可調(diào)節(jié)高度。首先檢測(cè)前先調(diào)整鏡頭平面到被檢試樣距離為350mm，然后計(jì)算機(jī)4發(fā)出紅光掃描命令給激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀1，進(jìn)行掃描定位，使檢測(cè)試樣位于掃描區(qū)域的有效位置，并在待測(cè)試樣上選擇合適位置放置壓電傳感器7，調(diào)整好位置后，計(jì)算機(jī)4發(fā)出激光掃描命令給激光超聲場(chǎng)檢測(cè)儀1，進(jìn)行檢測(cè)區(qū)域激光打點(diǎn)，激光在被檢試樣上根據(jù)打點(diǎn)區(qū)域設(shè)置來(lái)回掃描激發(fā)聲波，壓電傳感器7固定在遠(yuǎn)場(chǎng)處接收信號(hào)，最后通過(guò)系統(tǒng)軟件分析采集數(shù)據(jù)，再由usb接口輸入計(jì)算機(jī)4，并基于可視化編程完成對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的控制和對(duì)超聲波信號(hào)的處理和結(jié)果顯示。

如圖3所示，擬合所得線性相關(guān)系數(shù)為0.9984，為高度相關(guān)，由此擬合出的波速隨應(yīng)力變化直線方程為：

v＝7.666×10^-2σ+2418.976

如圖4所示，擬合所得線性相關(guān)系數(shù)為0.9984，為高度相關(guān)，由此得出的聲彈性方程為

3.169×10^-5/mpa即為該鑄鐵制動(dòng)盤的聲彈性常數(shù)，通過(guò)對(duì)同種材質(zhì)制動(dòng)盤不同部位超聲波波速的測(cè)量，代入即可求出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

本發(fā)明利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的激光超聲非接觸實(shí)驗(yàn)裝置，選用光纖脈沖激光器作為超聲波激發(fā)光源，壓電探頭接收回波信號(hào)能直接計(jì)算出超聲波波速，并且對(duì)于超聲波波速的微小變化測(cè)量精度高。