一种基于微波网络分析的界面刚度超声检测方法

1.本发明涉及一种无损检测方法，尤其是一种基于微波网络分析的界面刚度超声检测方法。


背景技术：

2.接触界面广泛存在于工程结构之中，对结构宏观性能具有显著影响。界面刚度是表征界面接触情况的重要参数，对其进行检测与评价直接关系到工程结构的可靠性和安全性。
3.目前，承压界面的刚度检测方法主要分为直接检测法和超声检测法。直接检测法指通过检测界面受力及界面位移从定义上直接测得界面刚度，定义法虽然简单易用，但是由于实际工程结构的复杂性，很难直接测量接触界面位移情况；超声检测法为通过检测超声波传播至接触界面的反射/透射系数来表征界面刚度，无需直接测量界面压力及位移，目前已被广泛应用于工程实际当中。
4.但现有超声检测技术需分别检测入射波和透射波，实验程序复杂，实验误差较大；且界面刚度超声检测结果与界面刚度直接测量值相比数值明显偏高。因次，有必要对现有超声检测方法进行改良。
5.微波网络技术是现代电子装备必备的关键测试技术，该技术指通过时域或频域测量待测网络的阻抗特性和传输特性，与超声检测反射/透射系数相类似，通过检测微波网络入射波电压与反射/透射波电压关系可表征被测元件传输特性。


技术实现要素：

6.针对现有的界面刚度检测方法实验步骤复杂、检测结果误差较大等问题，本发明提供了一种基于微波网络s参数的界面刚度检测方法，检测方法简化实验程序、减小实验误差，符合实际界面接触情况。
7.本发明的技术方案：
8.一种基于微波网络分析的界面刚度超声检测方法，步骤如下：
9.1、应用微波网络s参数的界面刚度检测理论模型建立：
10.通过检测微波网络s参数(微波网络分析仪可直接读取s参数)，来表征界面刚度情况。通过理论推导出界面刚度检测模型，如式(1)：
[0011][0012]
式中，k为界面刚度，ρ为结构材料密度，c为超声波纵波波速，ω为角频率，s为微波网络s参数。由上式可以看出，在界面两侧材料不变的情况下，检测微波网络s参数即可获得界面刚度数值，从而实现界面接触状态的实时监测。
[0013]
2、微波网络s参数检测界面刚度的技术方案：
[0014]
步骤1、搭建实验系统
[0015]
实验系统分为加载和检测两部分，加载部分负责提供实验加载载荷同时向待测试件发射及接收超声信号，检测部分负责实时检测微波网络s参数并记录实验数据。
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(1)搭建实验系统加载部分
[0017]
实验系统加载部分包括加载装置、承载装置、限位块及超声探头；将两待测试件贴合，形成接触界面；分别将两超声探头置入限位块中，超声探头实现超声信号与电磁信号间的转换；两限位块分别置于试件上下表面，限位块用于固定超声探头同时向待测试件传递加载载荷；超声探头表面与试件接触部位使用甘油作为耦合介质；加载装置和承载装置分别固定在限位块上，加载装置用于向接触界面施加载荷，承载装置内含压力传感器，可实时反馈加载力值；
[0018]
(2)搭建实验系统检测部分
[0019]
实验系统检测部分包括计算机系统与微波网络分析仪；计算机系统通过网线与微波网络分析仪连接，负责记录实验数据；微波网络分析仪用于产生正弦波扫频信号，同时实时检测微波网络s参数；超声发射探头和超声接收探头分别与微波网络分析仪的1端口和2端口相连；
[0020]
步骤2、寻找合适检测频率
[0021]
适当加载载荷，使待测试件接触界面呈压紧状态，调整微波网络分析仪使其显示频域检测界面，根据超声探头中心频率选择合适频段，从低到高进行均匀扫频，记录幅值最高处频率值。
[0022]
步骤3、寻找合适加载范围
[0023]
为保证卸载时两待测试件仍保持接触状态，根据待测试件材质设置最小加载力值；逐渐增大载荷，微波网络分析仪s参数随载荷增大逐渐增大，当载荷增大至一定程度时，界面刚度变化逐渐趋于平缓，界面刚度增大速率随载荷增大逐渐减小。记录此时载荷为最大加载力值，并根据最大加载力值选择合适的加载力间隔。
[0024]
步骤4、施加载荷并读取s参数
[0025]
实验前对待测试件在最小至最大加载力值区间进行多次加载
‑
卸载操作，以便排除试件塑性变形对测量结果造成干扰，将微波网络分析仪频率设置为步骤3检测值，调整加载装置载荷为最小加载力值，读取微波网络分析仪s参数，接着逐渐增大加载装置载荷，每增大一次加载力值读取对应微波网络分析仪s参数。
[0026]
步骤5、实验数据分析
[0027]
将实验测得不同载荷条件下的s参数代入界面刚度检测模型，计算对应载荷下的界面刚度值，即可实时监测待测结构接触界面刚度随载荷变化情况，实现接触界面刚度的间接检测。
[0028]
本发明的有益效果：本发明方法只需检测一次超声波信号，无需分别对入射波、透射波分别进行两次检测，有效简化实验流程；而且微波网路分析法检测实验结果更符合实际界面接触情况，从而为接触界面刚度检测提供了一种新型的微波网络分析检测方法。
附图说明
[0029]
图1是应用微波网络分析的界面刚度超声检测装置示意图。
[0030]
图2是限位块及超声探头装配位置图。
[0031]
图3是应用微波网络分析的界面刚度超声检测流程图。
[0032]
图4是实验例界面刚度检测结果曲线图。
[0033]
图中：1计算机系统；2微波网络分析仪；3加载装置；4限位块；5待测试件；6超声探头；7承载装置。
具体实施方式
[0034]
下面以某型45钢方块试件为例，进一步说明本发明的具体实施方式。
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步骤1、搭建实验系统
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将超声接收探头与限位块配合，置于承载装置表面，如图2所示，超声接收探头接线与微波网络分析仪2端口相连，将待测试件配合形成接触界面整体置于限位块上，将超声发射探头与限位块配合置于待测试件整体上表面，超声发射探头接线与微波网络分析仪1端口相连，网络分析仪与计算机系统通过网线连接。
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步骤2、寻找合适检测频率
[0038]
对待测试件施加100n载荷，使其接触界面呈压紧状态，调整网络分析仪使其显示频域检测界面，超声探头出厂中心频率为5mhz，设置网络分析仪进行2
‑
8mhz频段扫频，记录频域图中幅值最高处频率6.2mhz为检测频率。
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步骤3、寻找合适加载范围
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待测试件材质为45钢，预估结构刚度较大，设置最小加载载荷为1kn，逐渐增大载荷，微波网络分析仪s参数随载荷增大而增大，当载荷增大至一定程度时，s参数趋于稳定，可反映此时界面刚度达到极限，记录此时加载载荷为10kn。
[0041]
步骤4、进行实验并获得界面刚度检测结果
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实验前对待测试件在1kn至10kn力值区间进行多次加载
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卸载操作，排除塑性变形对检测结果的干扰，将微波网络分析仪频率设置为6.2mhz，调整加载载荷为1kn，读取微波网络分析仪s参数，之后逐渐增大加载载荷，每增大1kn读取对应s参数，通过计算机对载荷及s参数进行收集，将s参数代入式1中，计算可得对应载荷条件下界面刚度，计算结果如表1所示，待测试件界面刚度检测结果曲线图如图4所示。
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表1对应载荷下实验测得s参数及计算获得界面刚度数据
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