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超聲應(yīng)力檢測(cè)分析儀（USG_S2_AN_P1.0）
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1 超聲檢測(cè)應(yīng)力方法及優(yōu)勢(shì)
超聲波能靈敏地反映被測(cè)件內(nèi)部的信息，利用超聲可無(wú)損測(cè)定被測(cè)對(duì)象積聚的應(yīng)力。基于超聲波聲彈性理論的應(yīng)力測(cè)量方法是利用了受應(yīng)力材料中聲雙折射現(xiàn)象的原理。在各向同性材料中，由縱波聲彈性關(guān)系可得到主應(yīng)力和，橫波聲彈性關(guān)系可得到主應(yīng)力差；在正交異性材料中，每種波都與主應(yīng)力和主應(yīng)力差有關(guān)。被測(cè)對(duì)象中超聲波速與應(yīng)力之間的存在固有的關(guān)系，且這種關(guān)系在同一溫度下具有較好的線性度。超聲應(yīng)力儀正是將這種物理特性轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的典型力學(xué)定量檢測(cè)產(chǎn)品。超聲波檢測(cè)殘余應(yīng)力分為兩種情況：1）檢測(cè)試件內(nèi)部應(yīng)力；2）檢測(cè)試件表面應(yīng)力。 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言穿透能力比較強(qiáng)，在一些金屬材料中穿透能力可達(dá)數(shù)米，并且超聲檢測(cè)儀器可便攜到室外或現(xiàn)場(chǎng)使用，與上述章節(jié)所述的其他應(yīng)力檢測(cè)方法相比，使用超聲檢測(cè)應(yīng)力方法具有以下優(yōu)勢(shì)： 1） 不對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生任何損傷 2） 測(cè)量非常快速，所見即所得，且可便攜以適合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，也可用于系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化應(yīng)力檢測(cè)
3） 測(cè)量深度較大，即可實(shí)現(xiàn)表面應(yīng)力檢測(cè)，也可用于內(nèi)部應(yīng)力檢測(cè) 4） 無(wú)任何輻射，對(duì)操作人員無(wú)任何傷害 5） 既可測(cè)量應(yīng)力，也可以檢測(cè)試件內(nèi)部的缺陷，其他應(yīng)力檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn) 6） 適用材料廣泛，理論上可以應(yīng)用于任何非吸聲材料 由戩威機(jī)電研制的超聲應(yīng)力測(cè)量分析儀是一款用于測(cè)量材料、結(jié)構(gòu)件中殘余應(yīng)力（包括拉應(yīng)力和壓應(yīng)力）和內(nèi)應(yīng)力的精密儀器。定量測(cè)量被檢對(duì)象中的應(yīng)力對(duì)于早期預(yù)測(cè)構(gòu)件的變形和損壞具有重大的意義。 圖1.1 超聲應(yīng)力測(cè)量分析儀
1.1 測(cè)量原理 圖1.1.1 基于超聲的應(yīng)力測(cè)量原理示意圖
利用超聲檢測(cè)應(yīng)力的基本原理如圖1.1.1所示。整個(gè)儀器主要由：超聲脈沖信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析預(yù)處理模塊、應(yīng)力分析軟件系統(tǒng)、超聲波探頭及人機(jī)交互終端組成。在被測(cè)對(duì)象上安放兩個(gè)超聲波探頭，分別是發(fā)射和接收探頭，探頭的另外一端分別連接到儀器的信號(hào)端口。儀器向發(fā)射探頭發(fā)出激勵(lì)信號(hào)后，發(fā)射探頭激發(fā)出超聲波并沿被測(cè)對(duì)象傳播，當(dāng)超聲波遇到有應(yīng)力聚集的區(qū)域，超聲波傳播的速度發(fā)生變化（更準(zhǔn)確地說是相位），如圖1.1.2所示，接收探頭采集到信號(hào)回傳至測(cè)量?jī)x器，由儀器分析捕捉到這個(gè)速度變化量，結(jié)合事先標(biāo)定的材料特征參數(shù)，可計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域應(yīng)力的大小。 圖1.1.2 應(yīng)力對(duì)傳播中的超聲波聲速（相位）的影響
基于上述測(cè)量原理和超聲波在介質(zhì)中傳播的形式，結(jié)合應(yīng)力的分布特征，典型的應(yīng)力測(cè)量場(chǎng)景分為兩大類： 1）近表面應(yīng)力檢測(cè) 這是材料或零部件殘余應(yīng)力檢測(cè)較為典型的應(yīng)用場(chǎng)景。使用一對(duì)收發(fā)分離的超聲波探頭（也稱超聲波換能器），如圖1.3.3所示，這對(duì)探頭設(shè)計(jì)時(shí)（根據(jù)被測(cè)對(duì)象的聲速）聲束入射角需滿足第一臨界角的基本條件，激發(fā)的超聲波也被稱做“臨界折射縱波”（LCR），聲傳播的基本特征是：超聲激勵(lì)方式為脈沖激勵(lì)形式，LCR沿被測(cè)對(duì)象近表面區(qū)域傳播。 可測(cè)量的深度取決于使用探頭的頻率和被測(cè)對(duì)象材質(zhì) D=αf-0.96 式中，α為檢測(cè)深度修正系數(shù)，單位為mm/ns，常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81；f為探頭中心頻率，單位為MHz。
圖1.1.3 基于LCR近表面應(yīng)力檢測(cè)方法示意圖
圖1.1.4 臨界折射縱波的典型回波信號(hào)
表1.1.1 常見材料表面應(yīng)力測(cè)量深度
材質(zhì)名稱 | 超聲探頭頻率（MHz） | 測(cè)量深度范圍（mm） | 備注 | 鋼 | 5 | 1.28 |
| 鋁 | 5 | 1.37 |
| 銅 | 5 | 1.03 |
|
2）體應(yīng)力檢測(cè) 本處所述的體應(yīng)力是相對(duì)于近表面應(yīng)力檢測(cè)而言，主要針對(duì)的是近表面以下深度的應(yīng)力。在這種應(yīng)用場(chǎng)景下，使用LCR無(wú)法觸及待檢測(cè)區(qū)域，需使用收發(fā)一體的脈沖回波超 聲波探頭，如圖1.1.5所示，聲束入射方向與被測(cè)對(duì)象法線方向一致，聲波傳播形式為縱波（L）。較為典型的應(yīng)用案例為螺栓應(yīng)力測(cè)量。實(shí)際上，這種方式可以推廣至預(yù)緊力檢測(cè)，只要確保探頭與被測(cè)對(duì)象的耦合可靠。
圖1.1.5基于超聲縱波體應(yīng)力檢測(cè)方法示意圖
1.2 測(cè)量方法 應(yīng)力測(cè)量方法主要分為兩種：1）絕對(duì)應(yīng)力值測(cè)量；2）相對(duì)應(yīng)力值測(cè)量。這兩種方法的區(qū)分在于基準(zhǔn)的選擇。這里所述基準(zhǔn)指的是在與被測(cè)對(duì)象具有相同狀態(tài)的參考試塊上所采集到的參考超聲回波信號(hào)（基準(zhǔn)聲速）。被測(cè)對(duì)象應(yīng)力測(cè)量啟動(dòng)后，其余測(cè)試區(qū)域使用該基準(zhǔn)參考信號(hào)進(jìn)行聲速差異分析計(jì)算，來確定相對(duì)的應(yīng)力測(cè)量值，如圖1.2.1所示。若參考試塊不存在應(yīng)力（即零應(yīng)力），那么被測(cè)對(duì)象的應(yīng)力測(cè)量值屬于絕對(duì)應(yīng)力值。
圖1.2.1 殘余應(yīng)力相對(duì)測(cè)量法
如圖1.2.2所示，當(dāng)參考試塊應(yīng)力值Sx已知，那么被測(cè)對(duì)象的實(shí)測(cè)應(yīng)力值Sn就可以轉(zhuǎn)換為絕對(duì)值。獲取參考試塊應(yīng)力值Sx屬于標(biāo)定、校準(zhǔn)范疇。總而言之，被測(cè)對(duì)象的實(shí)測(cè)應(yīng)力值屬于相對(duì)應(yīng)力值還是絕對(duì)應(yīng)力值，取決于參考試塊應(yīng)力值（由基準(zhǔn)聲速表征）是否已知。
圖1.2.2 應(yīng)力測(cè)量絕對(duì)值與相對(duì)值示意圖
超聲應(yīng)力儀應(yīng)用案例：http://www.jwsci.com/anli.php 2儀器性能指標(biāo) 2.1 采樣率 應(yīng)力測(cè)試信號(hào)高保真，12位A/D總合成不低于1GS/s的高速高精信號(hào)采樣速率直取應(yīng)力狀態(tài)原始信息，不使用數(shù)值插值合成還原原始數(shù)據(jù)。最高時(shí)域分辨率為0.37ns。
2.2 信號(hào)源 信號(hào)源指的是儀器內(nèi)部用于控制超聲波發(fā)射、接收的激勵(lì)源。應(yīng)力測(cè)量的精度和可靠性很大程度上取決于激勵(lì)信號(hào)的質(zhì)量。戩威研制的超聲信號(hào)源采用歐美設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。具體技術(shù)指標(biāo)如表2.2.1所示。
表2.2.1 超聲信號(hào)源性能 超聲信號(hào)發(fā)射性能參數(shù) | 脈沖重復(fù)頻率（PRF） | 最高可達(dá)10KHz | 激勵(lì)電壓 | 矩形脈沖100v、300V | 脈沖寬度 | 脈寬不超過1ns，在20ns~2us范圍內(nèi)以0.5ns的步進(jìn)可調(diào) | 匹配阻抗 | 在20~500歐姆范圍內(nèi)以5歐姆的步進(jìn)可調(diào) | 超聲信號(hào)接收調(diào)理性能參數(shù) | 增益調(diào)節(jié) | 線性放大系統(tǒng)，0~100dB，0.2dB步進(jìn)量 | 高通濾波 | 截止頻率0.5MHz、1.0MHz、2.0MHz、5.0MHz和7.5MHz | 低通濾波 | 截止頻率 25MHz | 匹配阻抗 | 在20~500歐姆范圍內(nèi)以5歐姆的步進(jìn)可調(diào) | 超聲信號(hào)分析處理性能參數(shù) | 檢波方式 | 全波、正半波、負(fù)半波和RF信號(hào)中四選一 | 信號(hào)抑制 | 線性放大系統(tǒng)，0~100dB，0.2dB步進(jìn)量 | 材料數(shù)據(jù)庫(kù) | 500 ~15,000 m/s，可從控制臺(tái)人工調(diào)節(jié)或選擇； | A/D采樣 | 探傷使用16 bits，100 MS/s；應(yīng)力分析12bits，2.5GS/s | 視頻濾波 | 軟件跟蹤，跟蹤速度分檔可調(diào) | 動(dòng)態(tài)濾波 | 跟蹤動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)象所造成的基礎(chǔ)電平的變化，剔除毛刺噪聲 | DAC/TCG/GCG | 可存儲(chǔ)16條DAC或TCG曲線，每條最多1024點(diǎn)，1/65536分級(jí)可調(diào)；每個(gè)檢測(cè)周期最大可選4種DAC曲線作為參考；GCG單獨(dú)門控增益可設(shè). | A-SCAN顯示 | 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示512點(diǎn) | 閘門性能參數(shù)（應(yīng)用于探傷） | 獨(dú)立閘門個(gè)數(shù) | 4（5）個(gè) | 同步方式 | 觸發(fā)同步和始波同步二選一 | 浮動(dòng)門 | I門浮動(dòng)跟蹤可選 | 起始范圍 | 在0.02~500us范圍內(nèi)以0.001us的步進(jìn)可調(diào) | 閘門寬度 | 在0.02~500us范圍內(nèi)以0.001us的步進(jìn)可調(diào) | 閘門高度 | 在0~100%范圍內(nèi)以0.1%的步進(jìn)可調(diào) | 報(bào)警邏輯 | 正邏輯和負(fù)邏輯二選一 | 報(bào)警可靠系數(shù) | 0~15 | 門-門（測(cè)厚） | B-A門 | 測(cè)厚計(jì)算精度 | 0.37ns*材料聲速 | 厚度測(cè)量值顯示 | 最大值、最小值和平均值 | 報(bào)警輸出 | 可選，最多8項(xiàng)，由用戶自定義 |
2.3 測(cè)量效率和精度 單點(diǎn)測(cè)試用時(shí)不超過4s，在實(shí)時(shí)檢測(cè)模式下，可連續(xù)檢測(cè)。聲速時(shí)延測(cè)量精度最高0.37ns，應(yīng)力測(cè)量精度在±10Mpa，分辨率為(0.37*聲彈系數(shù))MPa。
2.4 線性度可靠性 線性度（非線性誤差）不超過0.297%，線性度測(cè)試結(jié)果如圖2.4.1所示。
圖2.4.1 線性度測(cè)試
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（a）7N01鋁合金標(biāo)定驗(yàn)證 （b）45#鋼全標(biāo)定驗(yàn)證 （c）鋁合金連續(xù)加載測(cè)試
2.5 重復(fù)可靠性 單點(diǎn)重復(fù)測(cè)試500次，測(cè)量值波動(dòng)不超過±0.6MPa。測(cè)試結(jié)果如圖2.5.1所示。
圖2.5.1 重復(fù)可靠性測(cè)試
2.6 接口 圖2.6.1 儀器接口 ① 充電接口（DC24v）， 直流電源接口
② LAN：10M/100M以太網(wǎng)口
③ BNC探頭接口：T/R收發(fā)一體超聲探頭接口（一般用于探傷）
④ BNC探頭接口：T收發(fā)分離超聲探頭接口
⑤ USB接口，直通主控制器
⑥ USB接口，直通主控制器
2.7 續(xù)航能力
儀器內(nèi)置鋰電池，可連續(xù)使用5~6小時(shí)。可外接適配器24v-5A （120W）進(jìn)行充電。使用節(jié)能設(shè)計(jì)理念，信號(hào)源、采集單元和處理模塊可獨(dú)立上電和關(guān)閉，在不使用某個(gè)單元或模塊時(shí)，可單獨(dú)關(guān)閉。
2.8 補(bǔ)償技術(shù) 擁有溫度補(bǔ)償、材料晶粒修正、信號(hào)防抖、耦合狀態(tài)補(bǔ)償、噪聲抑制等技術(shù)。
2.9 工作環(huán)境 存放溫度：--20℃～70℃；使用溫度：-10℃～50℃；相對(duì)濕度：不大于95%。 2.10 主控制器
主項(xiàng) | 子項(xiàng) | 性能參數(shù) | 系統(tǒng)參數(shù) | 處理器 | Intel i5-4200U | 內(nèi)存 | 4GB DDR3 | 磁盤 | 板載 32G，支持 SATA2.5"SSD、HDD 擴(kuò)展 | 顯示接口 | 支持 HDMI 和 VGA | I/O 接口 | 網(wǎng)口 | 2*RJ-45 | 音頻 | LINE-in/out 端口 | USB | 接口面 2 個(gè) USB2.0 和 2 個(gè) USB3.0 | 串口 | 1*RS-232/485 | 觸摸屏 | 顯示屏 | 10.4"VGA TFT LED | 分辨率 | 1024x768 | 亮度 | 350cd/m2 | 對(duì)比度 | 600:1 | 最大色彩 | 16M | 顯示面積 | 304.13x228.10mm | 反應(yīng)時(shí)間 | 8ms | 像素距離 | 0.297x0.297 | 最大視角 | (H)160/(V)160 | 類型 |
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3 應(yīng)力檢測(cè)方法比較 目前，測(cè)量應(yīng)力的方法主要分為兩大類：物理檢測(cè)法和機(jī)械檢測(cè)法。物理檢測(cè)法，如X射線衍射法、超聲波法和磁測(cè)法等，這些方法均屬于無(wú)損檢測(cè)，對(duì)工件不會(huì)造成物理?yè)p傷，但成本較高；機(jī)械法在測(cè)量的過程中要對(duì)工件體做全部或部分的破壞，例如切割法（又稱剖分法）和環(huán)芯法對(duì)工件的破壞較大，一般將具有殘余應(yīng)力的部分從構(gòu)件中分離或切割出來，使應(yīng)力釋放，然后測(cè)量其應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力，屬于間接測(cè)量手段。現(xiàn)有其他應(yīng)力檢測(cè)手法比較如表3.1所示。
表3.1 應(yīng)力檢測(cè)方法比較匯總表
方法 | 原理 | 適用對(duì)象 | 優(yōu)缺點(diǎn) | X射線衍射法
| 根據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ，當(dāng)受力時(shí)d會(huì)發(fā)生變化，通過X射線譜位偏移的大小計(jì)算應(yīng)力
| 常規(guī)法：彈性各向異性的同性晶態(tài)材料。側(cè)傾法：脆性、不透明材料
| 1）無(wú)損、準(zhǔn)確、可靠； 2）成本高； 3）射線穿透能力有限，只能測(cè)量樣品表層幾微米厚度的應(yīng)力； 4）存在輻射，長(zhǎng)期操作人員有存在職業(yè)病
| 中子衍射法
| 與X射線衍射法類似，通過研究衍射束的峰值位置和強(qiáng)度來獲得應(yīng)變和應(yīng)力
| 復(fù)合材料、多相材料等
| 1）無(wú)損、穿透能力強(qiáng)； 2）空間分辨率可達(dá)到毫米量級(jí)； 3）可以測(cè)量材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力； 4）成本高，無(wú)法用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量； 目前國(guó)際上穩(wěn)態(tài)堆上用此方法進(jìn)行材料內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量，但未廣泛開展使用
| 磁測(cè)法
| 利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)將應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化成可以測(cè)量的電量來測(cè)量應(yīng)力
| 鐵磁性材料
| 儀器輕便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快，但此法只有用于鐵磁性材料，且對(duì)材料結(jié)構(gòu)等因素也較敏感
| Stoney公式法
| 利用Stoney公式通過測(cè)量鍍膜前后材料曲率半徑的變化計(jì)算殘余應(yīng)力。
| 懸臂梁法：適合基片彈性好、厚度均勻、薄膜厚度與樣品長(zhǎng)度比值較小的器件；基片曲率法：主要應(yīng)用于基底是圓形或長(zhǎng)方形的材料
| 無(wú)損、可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量
| 剝層曲率半徑法
| 對(duì)基片采用雙層鍍膜，通過測(cè)量曲率的半徑變化，利用Stoney公式計(jì)算應(yīng)力
| 硬質(zhì)薄膜材料
| 工藝相對(duì)繁瑣，不適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
| 盲孔法
| 通過鉆孔釋放樣品應(yīng)力，通過測(cè)量應(yīng)變計(jì)上的應(yīng)變利用彈性理論計(jì)算應(yīng)力
| 各向同性的彈性材料，對(duì)一般金屬材料要需要修正計(jì)算方法
| 操作繁瑣、測(cè)量精度高，但對(duì)構(gòu)件造成損傷，并且粘貼應(yīng)變片需要一定的工藝要求
| 裂紋柔度法
| 釋放被測(cè)物的殘余應(yīng)力，通過測(cè)定相應(yīng)的應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角等量值，計(jì)算分析殘余應(yīng)力
| 各種熱（冷）軋板材表層與全厚應(yīng)力分布
| 應(yīng)變測(cè)量元件的靈敏度大，具有更好的敏感性和精確性，但測(cè)試誤差有待研究
| 納米壓痕法
| 采用硬度試驗(yàn)方法、借鑒盲孔法的應(yīng)變測(cè)量思想、根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)干涉理論而形成的一種全新的殘余應(yīng)力測(cè)量方法
| 薄膜材料
| 有極高的力分辨率和位移分辨率、能連續(xù)記錄加載和卸載期間載荷位移的變化
| 濺射深度剖析法
| 應(yīng)力致擴(kuò)散前后的深度剖面發(fā)生變化
| 薄膜材料
| 需在薄膜內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，深度剖析有較高的深度分辨率，目前該方法還沒有任何報(bào)道
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