一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法及设备与流程

本公开属机械结构长度精密测量领域，具体涉及一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法及设备。

背景技术：

随着科学技术的进步，各种拥有优异性能的复合、智能材料不断出现并应用于现代工程结构中。传统材料因其自身局限性，在力学性能、材料特性、稳定性、耐环境性能等方面均表现出一定的劣势，难以满足现代工程应用对材料的高性能要求。未来的材料必然由传统的天然、单一转向新型的人造、复合。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。层状金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上牢固结合而形成的一种新型复合材料。它可以充分发挥各层金属的性能优点，克服单一材料的缺陷，具有任何一个组元材料无法具备的综合性能，有效扩大工程应用范围。金属基复合材料(MMC)因其特有的高强度、高硬度、耐磨及耐高温等优良性能，引起国内外材料科学者的普遍关注，现已发展成为先进复合材料的一个重要分支。先进金属复合材料的研究深度和应用广度，已成为衡量一个国家科技发展水平的标志。

而当前层状金属复合材料在加工使用的过程中，还存在一个很重要的问题，即难以对复合材料各层厚度直接进行精确测量。目前对其各层厚度的确定主要靠加工工艺来保证，难以进行直接测量，有精度差、容易因加工过程中的缺陷导致厚度发生改变而难以发现的缺点，给层状金属复合材料的性能保证带来很大隐患。

技术实现要素：

针对上述部分问题，本公开一方面利用超声导波这一新工具，提出了一种对多层复合材料中间层厚度进行精确测量的方法及设备。所述方法和设备利用超声导波中的界面波稳定转折频率与中间层板厚的乘积为一定值这一原理实现，其计算精度高、检测操作方便、成本低、简单可靠，提高了铝钢钛复合板中间层厚度测量效率与准确性，有重大的工程意义。

一方面，本公开提供了一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法，所述方法包括下述步骤：

S100、获取被测三层复合板的频厚积；

S200、获取被测三层复合板的界面波频散曲线；

S300、找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散时所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；

S400、根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

进一步地，所述界面波频散曲线通过下述步骤获取：

S201、在被测三层复合板的中间层界面两端分别粘贴表面波传感器；

S202、利用表面波传感器在界面间传播的界面波，在被测三层复合板的中间层激励产生和接收导波信号；

S203、利用接收到的导波信号，获得界面波波速；

S204、改变表面波传感器激励信号的频率，绘制激励频率-波速曲线，得到界面波在被测三层复合板传播时的频散曲线。

进一步地，所述频厚积通过下述步骤获取：

S101、通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到相速度频散曲线；

S102、从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。

进一步地，所述步骤S204之前还包括：

S2041、预估被测三层复合板中间层厚度范围；

S2042、利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：

进一步地，所述利用接收到的导波信号的步骤包括使用希尔伯特变换对采集到的信号进行包络处理分析。

进一步地，所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率范围选择，使其中心频率接近界面波群速度稳定转折频率。

另一发面，本公开提供了一种用于测量三层复合板中间层厚度的设备，所述设备包括第一获取模块、第二获取模块、定位模块、第一计算模块，其中：

所述第一获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的频厚积；

所述第二获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的界面波频散曲线；

所述定位模块，被配置用于：找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；

所述第一计算模块，被配置用于：根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

进一步地，所述设备还包括表面波传感器，用于粘贴在被测三层复合板的中间层界面两端；

在一端中间层的表面波传感器激励产生导波信号，所述导波信号在界面间以界面波的形式传播，在另一端的表面波传感器接收导波信号。

进一步地，所述设备还包括仿真计算模块，其被配置用于：通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到各自的相速度频散曲线；并从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。

进一步地，所述设备还包括预估模块，其被配置用于：根据预估的被测三层复合板中间层厚度范围，利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：

进一步地，所述仿真计算模块包括包络分析单元，其被配置用于：使用希尔伯特变换对采集到的信号进行包络处理分析。

进一步地，所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率范围选择，使其中心频率接近界面波群速度稳定转折频率。

综上，由于本公开在三层复合板的中间层厚度测量中采用了界面波，本公开相对于传统方法具有下列显著优势：

(1)本公开可用于一些不能直接测量厚度的场合，解决了传统测量方法对复合板中间层厚度无法测量的问题；

(2)本公开对复合板本身无任何影响，可以在不影响复合板使用性能的基础上对其各层的厚度进行测量；

(3)界面波有在稳定转折频率之后不频散的特性，保证了其相速度稳定转折频率与群速度稳定转折频率的一致；

(4)本公开计算精度高、成本低，检测操作方便，提高了复合板各层厚度测量效率；

(5)本公开简单可靠，便于工程实践中使用。

附图说明

图1为中间层厚度分别为0.04m与0.02m时三层复合板I1模式和I2模式界面波频散曲线示意图；

图2为所述材料三层复合板中界面波的相速度频散曲线；

图中：较长的线代表测量使用的I1模式(铝钢界面间的界面波模式)界面波频散曲线，稳定转折点为频率为261.25KHz，较短的线为I2模式(钢钛界面间的界面波模式)的界面波；

图3为铝钢钛复合板中传感器安装示意图，其中1、2分别为激励传感器和接收传感器，l为Al-Steel界面长度，d为中间层厚度；

图中：实线为中间层厚度为0.04m的情况，虚线为中间层厚度为0.02m的情况；

图4为接收传感器接收到的信号，波峰1、波峰2分别为直达波信号与反射回波信号，波峰对应的时间分别为t₁和t₂；

图5为对接收到的信号进行希尔伯特变换后的信号，波峰1、波峰2分别为t₁和t₂时的信号。

具体实施方式

本公开的目的之一是提供一种检测简单、计算准确的三层复合板中间层厚度的检测方法。下面就图1-5讲述本公开方法内容。

步骤(一)、获取被测三层复合板的频厚积

三层复合板的频厚积只与三层板的材料有关，可以通过仿真的方式获得被测三层复合板的频厚积，具体可以采用下述步骤进行：

S101、通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到相速度频散曲线；

S102、从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。

其中，频散曲线为波速与激励频率的关系曲线。

步骤(二)、获取被测三层复合板的界面波频散曲线

所述界面波频散曲线优选通过下述步骤获取：

S201、在被测三层复合板的中间层界面两端分别粘贴表面波传感器；

S202、利用表面波传感器在界面间传播的界面波，在被测三层复合板的中间层激励产生和接收导波信号；

S203、利用接收到的导波信号，获得界面波波速；

S204、改变表面波传感器激励信号的频率，绘制激励频率-波速曲线，得到界面波在被测三层复合板传播时的频散曲线。

为了获得满足要求的界面波频散曲线，使用的表面波传感器的中心频率优选在界面波群速度稳定转折频率附近，因此，需要对界面波群速度稳定转折频率进行预估，以确定表面波传感器的中心频率。对界面波群速度稳定转折频率进行预估可以采用下述步骤：

S2041、预估被测三层复合板中间层厚度范围；

S2042、利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：

由于表面波传感器其中心频率一般有0.5MHz、1MHz、1.5MHz等，分布较为分散，所以存在预估的中心频率范围内没有任何一个传感器的中心频率的可能，但是又因为表面波传感器带宽很大，因此只需要找到中心频率接近预估频率的表面波传感器就可以完成测量。

在步骤S203中，利用接收到的导波信号的步骤包括对信号进行包络处理分析，在本方法中可以使用希尔伯特变换，也可以使用其它的方法对采集的信号进行分析处理。

步骤(三)、找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率

步骤(四)、根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

由上可以看出，本公开方法是利用界面波群速度与相速度稳定转折频率一致、频厚积为一定值且稳定转折频率又与中间层厚度有关这一原理，在已知稳定转折频率的情况下，用频厚积与稳定转折频率做商，进而得到三层复合板中间层的准确厚度。这种方法可以解决解决传统测量方法对复合板中间层厚度无法测量的问题，可以在不影响复合板使用性能的基础上对其各层的厚度进行测量而对复合板无任何影响，并且计算精度高、检测操作方便、成本低、简单可靠，提高了三层复合板中间层厚度测量效率与准确性，具有广泛地适用性。

下面实施例将本方法应用于铝钢钛复合板中间层厚度测量，其中：铝钢钛复合板是将铝钢钛三层板依次粘结在一起的，即连接为完全焊接。

首先，获取该铝钢钛复合板的频厚积。三层复合板具有下述特点：

(1)对于相同材质的三层复合板，其中间层厚度不同，相速度稳定转折频率也不同。图1为中间层厚度分别为0.04m与0.02m时所述材料三层复合板I1模式和I2模式界面波频散曲线，其中，I1模式为铝钢界面间的界面波模式，I2模式为钢钛界面间的界面波模式，实线代表中间层厚度为0.04m的情况，虚线代表中间层厚度为0.02m的情况，在I2模式下，两种厚度的曲线几乎重合。从图1可知不同中间层厚度的三层复合板的相速度稳定转折频率不同。

(2)频厚积与三层复合板的材料有关，虽然三层复合板中间层厚度不同，相速度稳定转折频率也不同，但是相同材质上界面波的频厚积相同，即：相同材料的频厚积为一个定值，该定值等于界面波在该复合板界面间传播时的相速度稳定转折频率和该复合板中间层厚度的乘积。这点可以通过对相同材料的、不同厚度的三层复合板仿真获得。

在这里，分别对中间层厚度为0.01m、0.02m、0.03m、0.04m、0.05m的铝钢钛复合板进行仿真。图2示意了对铝钢钛复合板中间层厚度为0.04m进行界面波仿真的相速度频散曲线。将铝钢界面间的界面波模式记作I1模式，将钢钛界面间的界面波模式记作I2模式，图2中较长的线代表测量使用的I1模式，较短的线为I2模式。从相应的图中，找到相速度稳定转折频率并计算了频厚积，结果如下标1所示，可知铝钢钛复合板中I1模式的界面波频厚积为10.45kHz·m，相同材料的频厚积为一个定值。

表1：

从表1可知，虽然不同厚度的相速度稳定转折频率不同，但是它们的频厚积相同。因此，实际测量时，为了获取铝钢钛复合板的频厚积，可以采用对于被测铝钢钛复合板具有相同材质的三层复合板进行一次仿真即可。

其次，预估被测铝钢钛复合板中间层厚度范围；利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：

根据上述计算结果，选择具有距离该结果最近的中心频率的表面波传感器，将表面波传感器粘贴在铝钢钛复合板的中间层，如图3所示，在中间层界面两端分别粘贴激励传感器和接收传感器，其中：1、2分别为激励传感器和接收传感器，l为Al-Steel界面长度，d为中间层厚度。

图4为接收传感器接收到的信号。利用希尔伯特变换或者用其它方法对信号进行包络处理分析，得到波峰1、波峰2分别为直达波信号与反射回波信号，以及波峰1、波峰2分别对应的时间t₁和t₂如图4所示。由此，可以获得界面波的波速v为：

改变激励频率，得到多组波速值，绘制出波速v与激励频率f的关系曲线，得到界面波在被测三层复合板传播时的界面波频散曲线。

然后，从所述界面波频散曲线上找到信号由频散转为不频散时所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率。

最后，根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

另一发面，本公开提供了一种用于测量三层复合板中间层厚度的设备，所述设备包括第一获取模块、第二获取模块、定位模块、第一计算模块，其中：

所述第一获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的频厚积；

所述第二获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的界面波频散曲线；

所述定位模块，被配置用于：找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；

所述第一计算模块，被配置用于：根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

进一步地，所述设备还包括表面波传感器，用于粘贴在被测三层复合板的中间层界面两端；

在一端中间层的表面波传感器激励产生导波信号，所述导波信号在界面间以界面波的形式传播，在另一端的表面波传感器接收导波信号。

进一步地，所述设备还包括仿真计算模块，其被配置用于：通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到各自的相速度频散曲线；并从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。

进一步地，所述设备还包括预估模块，其被配置用于：根据预估的被测三层复合板中间层厚度范围，利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：

进一步地，所述仿真计算模块包括包络分析单元，其被配置用于：使用希尔伯特变换对采集到的信号进行包络处理分析。其中，希尔伯特变换可以使用其它包络处理方法进行替换。

进一步地，所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率范围选择，使其中心频率接近界面波群速度稳定转折频率。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本公开设备可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件来实现，其中专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本公开而言更多情况下，涉及仿真、计算等数据处理内容通过软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，除了使用表面波传感器产生和采集界面波信号外，本公开的技术方案中对信号处理、仿真计算和/或计算部分均可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述的方法。

以上对本公开所提供的一种铝钢钛复合板中间层厚度测量的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，比如将本公开方法及装置可以应用于非金属材料，如玻璃材料的复合板。综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。