专利名称：一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具、测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种无损超声波检测用的夹具、测量装置及测量方法，主要用于精确测试超声表面波在铁磁性材料中的声速，实现材料性能表征。属于无损检测技术领域。
背景技术：
在无损检测行业中，超声表面波经常用来检测金属工件的表面缺陷、表征材料的性能以及分析构件的受载情况。在描述超声波传播特征的物理量中传播声速是一个重要物理量。对于一般的工业应用表面波声速可大致进行测量，对测量的精确度并没有太高的要求，但是对于一些特定的场合，必须对表面波声速进行精确测量，传统的测量方法则不能满足要求。例如用表面波声速评估材料的微观组织结构和各向异性，以及用表面波测试构件中载荷应力和焊缝的残余应力等。当材料在制备和加工过程中其微观组织结构发生会变 化，导致材料的声传播特性发生变化和声各向异性，并最终体现出声速的微小变化。在用表面波测试材料中的载荷应力和残余应力时，由声弹性效应可知应力也将导致声速的微小变化。用传统的声速测试方法则无法分辨上述作用导致的声速的变化。传统的表面波声速测定方法是飞行时间法，手工或/和机械控制声表面波换能器改变声程，由测得的时间延迟计算声速。测量时间时可用相位比较法或者回振法。若测试要求不高时，可直接测试发射波和第一次底面回波的时间进行计算，要求高时则通过采用二次波法，即利用第一次、第二次底面回波测试声波在材料中的传播时间。对于第一种方法测试的时间不仅包括了声波的传播时间，也包括了声波在线路中、耦合剂和探头中的时间。第二种测试方法虽然消除了测试的系统误差，但在测试过程中只考虑了传播时间，并没有考虑材料变形等其它因素的影响，而这一点在用表面波法测应力时尤其重要，手工控制无法保证测量过程中换能器与构件间耦合稳定，机械控制并非弹性接触，因为材料受力必然引起变形，可能造成声程的改变，控制装置的受力变形也会影响耦合状态。如果在测试声速时没有考虑这一点，也将导致误差。例如，在中国专利200810054608中揭示了通过二次波法测量材料声速的方法。发明人针对传统表面波声速测量的不足之处，设计发明了精确测量铁磁性材料的表面波声速专门夹具，测量装置及测量方法，不仅改善了探头与材料之间的耦合条件，而且具有操作简单，使用便捷的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种用于精确测量铁磁性材料的表面波声速的夹具，测量装置及测量方法，能够实现声表面波换能器(以下简称换能器)与材料之间弹性接触，测量时无需手工改变声程，同时适用于竖直或倾斜测试面的声速测量。为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈_π_,其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔；所述夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。所述吸附装置为永磁圆钢片，所述永磁圆钢片吸附在所述侧翼与所述被测工件之间。本发明提供的另一技术方案为一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于包括夹具、起发射作用的发射声表面波换能器、起接收作用的接收声表面波换能器、脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器，其中所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器分别通过所述夹具夹持限位；所述脉冲装置的输出端与所述发射声表面波换能器连接；所述接收声表面波换能器与所述信号放大装置的输入端连接；所述信号放大装置的输出端与所述信号触发装置的输入端连接；所述信号触发装置的输出端与所述延迟器的输入端连接，所述延迟器的输出端分别与所述脉冲装置的输入端和所述计数器的输入端连接；所述夹具通过吸附装置吸附固定在被测工件表面。所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器依次相向设置在所述夹具的槽 内，所述发射声表面波换能器和接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述槽孔进行定位；所述吸附装置位于所述侧翼与被测工件之间对所述夹具进行固定；所述槽内深度和所述吸附装置的高度之和小于所述发射声表面波换能器高度或接收声表面波换能器高度，且其高度差小于1mm。所述接收声表面波换能器为两个依次同向设置的第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器，所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述夹具的槽孔进行定位；所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器不同时与所述信号放大装置连接。所述夹具的槽宽与槽孔分别和所述发射声表面波换能器和所述接收声表面波换能器的宽度和接线座相匹配。所述信号放大装置及所述信号触发装置的输出端分别与示波器的输入端连接。所述信号放大装置由依次连接的信号放大器、门放大器及自动增益放大器组成，所述信号放大器的输入端与所述接收声表面波换能器连接，所述自动增益放大器的输出端分别与所述信号触发装置的输入端和示波器的输入端连接。本发明提供的另一技术方案是一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，包括如下步骤1)设置测量装置，将发射声表面波换能器和接收声表面波换能器相向设置于涂抹有耦合剂的被测工件表面，并通过夹具进行夹持限位，通过吸附装置将夹具吸附固定在被测工件表面；发射声表面波换能器的接线座与脉冲装置连接，接收声表面波换能器的接线座与信号放大装置连接，信号放大装置与信号触发装置连接，信号放大装置和信号触发装置分别和示波器连接，信号触发装置通过延迟器分别与脉冲装置和计数器连接；2)第一次测试通过脉冲装置产生脉冲激励发射声表面波换能器发出超声波，并产生在被测工件表面传播的表面波，接收声表面波换能器接收到传播的表面波并将其转换为电信号传输给信号放大装置；信号放大装置将接收到的电信号进行放大后并将其分别传输给信号触发装置与示波器，通过示波器监测放大后的波形；信号触发装置接收到电信号后，产生触发电信号分别输出到延迟器和示波器，通过示波器监测显示的波形；通过延迟器延迟一定时间后将触发电信号传输给脉冲装置和计数器，激励脉冲装置发出脉冲信号，并将发出的脉冲信号发送给发射声表面波换能器进行下一个发射、接收、放大、触发的脉冲循环，计数器记录第一次测试的脉冲循环次数，并记录完成脉冲循环次数后的累积时间；3)第二次测试在完成第一次测试后，使进行第二次测试的接收声表面波换能器的位置与进行第一次测试时声表面波换能器所在位置保持距离，再重复步骤2)进行第二次测试，计数器记录第二次测试时的脉冲循环次数，记录第二次测试的累计时间；4)通过累积时间除以脉冲循环次数，可得第一次测试的单次脉冲循环的平均时间T1和第二次测试的单次脉冲循环的平均时间T2 ;根据第一次测试接收声表面波换能器和第二次测试接收声表面波换能器之
间的距离，通过公示
权利要求
1.一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔；所述夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。
2.根据权利要求I所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述吸附装置为永磁圆钢片，所述永磁圆钢片吸附在所述侧翼与所述被测工件之间。
3.一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于包括夹具、起发射作用的发射声表面波换能器、起接收作用的接收声表面波换能器、脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器，其中所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器分别通过所述夹具夹持限位；所述脉冲装置的输出端与所述发射声表面波换能器连接；所述接收声表面波换能器与所述信号放大装置的输入端连接；所述信号放大装置的输出端与所述信号触发装置的输入端连接；所述信号触发装置的输出端与所述延迟器的输入端连接，所述延迟器的输出端分别与所述脉冲装置的输入端和所述计数器的输入端连接；所述夹具通过吸附装置吸附固定在被测工件表面。
4.根据权利要求3所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈_11_，其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔。
5.根据权利要求4所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器依次相向设置在所述夹具的槽内，所述发射声表面波换能器和接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述槽孔进行定位；所述吸附装置位于所述侧翼与被测工件之间对所述夹具进行固定；所述槽内深度和所述吸附装置的高度之和小于所述发射声表面波换能器高度或接收声表面波换能器高度，且其高度差小于 Imnin
6.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述吸附装置为永磁圆钢片。
7.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述接收声表面波换能器为两个依次同向设置的第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器，所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述夹具的槽孔进行定位；所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器不同时与所述信号放大装置连接。
8.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述夹具的槽宽与槽孔分别和所述发射声表面波换能器和所述接收声表面波换能器的宽度和接线座相匹配。
9.根据权利要求3所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述信号放大装置及所述信号触发装置的输出端分别与示波器的输入端连接。
10.根据权利要求9所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述信号放大装置由依次连接的信号放大器、门放大器及自动增益放大器组成，所述信号放大器的输入端与所述接收声表面波换能器连接，所述自动增益放大器的输出端分别与所述信号触发装置的输入端和示波器的输入端连接。
11.一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，包括如下步骤1)设置测量装置，将发射声表面波换能器和接收声表面波换能器相向设置于涂抹有耦合剂的被测工件表面，并通过夹具进行夹持限位，通过吸附装置将夹具吸附固定在被测工件表面；发射声表面波换能器的接线座与脉冲装置连接，接收声表面波换能器的接线座与信号放大装置连接，信号放大装置与信号触发装置连接，信号放大装置和信号触发装置分别和示波器连接，信号触发装置通过延迟器分别与脉冲装置和计数器连接；2)第一次测试通过脉冲装置产生脉冲激励发射声表面波换能器发出超声波，并产生在被测工件表面传播的表面波，接收声表面波换能器接收到传播的表面波并将其转换为电信号传输给信号放大装置；信号放大装置将接收到的电信号进行放大后并将其分别传输给信号触发装置与示波器，通过示波器监测放大后的波形；信号触发装置接收到电信号后，产生触发电信号分别输出到延迟器和示波器，通过示波器监测显示的波形；通过延迟器延迟一定时间后将触发电信号传输给脉冲装置和计数器，激励脉冲装置发出脉冲信号，并将发出的脉冲信号发送给发射声表面波换能器进行下一个发射、接收、放大、触发的脉冲循环，计数器记录第一次测试的脉冲循环次数，并记录完成脉冲循环次数后的累积时间；3)第二次测试在完成第一次测试后，使进行第二次测试的接收声表面波换能器的位置与进行第一次测试时声表面波换能器所在位置保持距离At，再重复步骤2)进行第二次测试，计数器记录第二次测试时的脉冲循环次数，记录第二次测试的累计时间；4)通过累积时间除以脉冲循环次数，可得第一次测试的单次脉冲循环的平均时间T1和第二次测试的单次脉冲循环的平均时间T2 ;根据第一次测试接 收声表面波换能器和第二次测试接收声表面波换能器的距离，通过公式 计算 声表面波在被测工件中的传播声速V。
12.根据权利要求11所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，其特征在于所述接收声表面波换能器包括同向设置在所述夹具内的第一声表面波换能器和第二声表面波换能器，其距离为M所述第一接收声表面波换能器和所述第二接收声表面波换能器不同时与所述信号放大装置连接；在所述步骤2)中的第一次测试时，将所述第一接收声表面波换能器的接线座与所述信号放大装置连接进行测试；在所述步骤3)中的第二次测试时，将所述第二接收声表面波换能器的接线座与所述信号放大装置连接进行测试。
13.根据权利要求11或12所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，其特征在于所述夹具具铁磁性，其外形呈—厂匕，其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔；所述夹具通过所述吸附装置吸附在被测工件上；所述发射声表面波换能器和所述接收声表面波换能器分别位于所述夹具的槽内，其接线座分别穿过所述槽孔进行限位；所述槽内深度和所述吸附装置的高度之和小于所述发射声表面波换能器高度或所述接收声表面波换能器高度，且其高度差小于Imnin
14.根据权利要求13所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，其特征在于所述吸附装置为永磁圆钢片，所述永磁圆钢片吸附在所述侧翼与所述被测工件之间。
15.根据权利要求11所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量方法，其特征在于所述信号放大装置由信号放大器、门放大器、自动增益放大器依次连接组成，所述信号放大器的输入端与所述接收声表面波换能器连接，所述自动增益放大器输出端分别与所述示波器和所述信号触发装置的输入端连 接。
全文摘要
一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具、测量装置及测量方法。夹具外形呈，由槽及位于槽的两侧的侧翼组成；在槽顶处开设有三个槽孔；夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。通过夹具固定三只声表面波换能器于被测工件材料表面，通过由脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器及发射换能器、接收换能器及夹具组成的测量装置实现换能器与材料表面之间弹性接触，减小外界干扰和换能器移动引起的耦合变化和测量误差。采用本夹具、测量装置及测试方法测试材料的表面波声速，不仅不需移动换能器位置，简化了测试过程，消除声波信号在电路和换能器中的延迟，实现铁磁性材料表面波声速的精确测量。
文档编号G01H5/00GK102928062SQ20121044144
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者宋广三, 魏勤, 王宁伟, 李丙祥, 王成, 陆毅, 朱金连, 朱登峻, 卫婷 申请人:镇江出入境检验检疫局检验检疫综合技术中心