基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法

1.本发明涉及超声导波无损应力测量技术，尤其涉及一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法。


背景技术：

2.钢管被广泛用作结构构件，尤其是轴向受力构件。轴向应力的无损测量对于在役钢管构件的结构健康监测至关重要。钢构件的无损应力测量方法有多种，如电阻应变片传感、光纤传感、振弦传感、x射线衍射法、磁弹性法和超声波方法等。但其中电阻应变计、光纤传感器和振弦传感器必须预先在构件的无应力状态进行部署，才能测得构件服役状态下的绝对应力。其他方法，包括x射线法、磁弹性法和超声波法，不需要预先在无应力状态下进行部署就可以检测在役构件的绝对应力。但x射线衍射方法依赖于x射线束与材料的晶格之间的相互作用，且容易受到组件表面质量的影响；磁弹性方法由于需要磁化过程，其应用受到磁化条件的限制。
3.目前超声波测力方法主要用于测量焊接区域的残余应力以及高强度螺栓、钢轨和多股绞线的轴向应力，尚无法测量圆管轴向应力。此外现有的超声波测力方法大多利用超声波的纵向模态，对于采用扭转模态超声波测量构件应力的方法尚无报道。本发明提出了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法，弥补了该技术领域的空白。


技术实现要素：

4.本发明的目的是弥补圆管轴向应力测量手段的不足，提供了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.根据本说明书的第一方面，提供一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，该装置包括：发射换能器、两个接收换能器、超声波发生器和pc机；
7.所述发射换能器固定在待测圆管的一端，用于激发沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0，1)扭转模态超声导波；
8.两个接收换能器沿轴线以间距l固定在待测圆管的中间段，分别接收沿圆管传输的t(0，1)扭转模态超声导波；
9.所述pc机用于设定沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0，1)扭转模式超声导波的参数，将参数传输到所述超声波发生器，接收来自接收换能器的超声导波信号，识别两个接收换能器接收到相同模态超声导波信号的时间间隔，计算得到导波群速度，基于温度修正后的群速度和轴向应力的线性关系实现圆管轴向应力测量。
10.进一步地，所述发射换能器采用由金属条和线圈组成的磁致伸缩换能器，所述磁致伸缩换能器沿环向固定在待测圆管的一端。
11.进一步地，所述接收换能器采用横波压电探头，通过环氧树脂粘合剂沿轴线固定在待测圆管上。
12.进一步地，所述接收换能器的间距l应大于某一可试验测得的值，使得圆管在无应力状态下测得的导波群速度保持稳定而不受接收换能器的间距影响。
13.根据本说明书的第二方面，提供一种利用上述装置进行圆管轴向应力测量的方法，该方法包括标定和测量两个步骤；
14.标定步骤首先测定不同环境温度t不同轴向应力σ下的导波群速度v，然后标定圆管材料的声弹性系数k，并获得不同环境温度下圆管轴向应力与导波群速度的线性关系式；
15.测量步骤首先测得导波在待测圆管内传输的群速度，同时测得当下的环境温度，采用该温度下圆管轴向应力与导波群速度的线性关系式计算得到待测圆管的轴向应力。
16.进一步地，在环境温度t下圆管轴向应力与导波群速度的线性关系式如下：
[0017][0018]
其中为零应力状态下导波群速度，k
t
为圆管材料的声弹性系数，σ为待测圆管轴向应力，v
t
为导波在轴向应力为σ的待测圆管中传播的群速度。
[0019]
进一步地，沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称t(0，1)扭转模式超声导波没有频散且传输速度仅与圆管的材料和环境温度有关，测量材质一致但不同尺寸圆管的轴向应力无需重复标定步骤。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置和方法，所采用的沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0,1)扭转模式超声导波没有频散且传输速度仅与圆管的材料和环境温度有关，测量材质一致但不同尺寸圆管的轴向应力无需重复标定步骤，为利用超声波测量在役钢管轴向绝对应力提供了有效手段。
附图说明
[0021]
图1为基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置的示意图；
[0022]
图2为基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量方法的流程图；
[0023]
图3为实施例所用圆管的示意图；
[0024]
图4为实施例拟合所得导波群速度-轴向应力关系图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。需要说明的是，本实施例仅仅是本发明一部分实施例，本实施例所设置的技术参数仅供参考。
[0026]
如图1所示，本发明提供的一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，包括发射换能器、两个接收换能器、超声波发生器和pc机；
[0027]
所述发射换能器固定在待测圆管的一端，用于激发沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0,1)扭转模态超声导波；
[0028]
两个接收换能器沿轴线以间距l固定在待测圆管的中间段，分别接收沿圆管传输的t(0,1)扭转模态超声导波；
[0029]
所述pc机用于设定沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0,1)扭转模式超声导波的参数，将参数传输到所述超声波发生器，接收来自接收换能器的超声导波
信号，识别两个接收换能器接收到相同模态超声导波信号的时间间隔，计算得到导波群速度，基于温度修正后的群速度和轴向应力的线性关系实现圆管轴向应力测量。
[0030]
在一个实施例中，发射换能器采用由金属条和线圈组成的磁致伸缩换能器，沿环向通过卡扣固定在待测圆管的一端。接收换能器采用横波压电探头，通过环氧树脂粘合剂沿轴线固定在待测圆管中间段。
[0031]
如图2所示，本实施例提供一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量方法，该方法包括标定和测量两个步骤：
[0032]
(1)标定阶段：
[0033]
(1.1)标定试件选用与被测圆管相同材质的圆管，并对标定用圆管进行一定的表面处理和热处理，消除圆管内的残余应力；
[0034]
(1.2)将发射换能器沿环向通过卡扣固定在圆管一端，将两个间距为l的接收换能器沿轴线通过环氧树脂粘合剂固定在圆管中间段，将环境温度控制在t；
[0035]
(1.3)测出圆管在不同标准轴向压力状态下两个接收换能器分别接收到的沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0，1)扭转模式超声导波信号，获得不同标准轴向压力状态下导波群速度v
t
；
[0036]
(1.4)通过最小二乘法拟合得到导波群速度-轴向应力关系式；
[0037]
(1.5)改变环境温度t，重复步骤(1.3)和步骤(1.4)，标定不同环境温度下的导波群速度-轴向应力关系式；
[0038]
(2)测量阶段：
[0039]
(2.1)对待测圆管进行表面处理，并进行测量装置安装、参数设置；
[0040]
(2.2)测出待测圆管在工作状态下两个接收换能器分别接收到的沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的t(0，1)扭转模式超声导波信号，计算得到圆管内导波传输群速度v
t
；
[0041]
(2.3)采用温度传感器测量得当下的环境温度t，并将步骤(1.5)标定所得的线性关系式根据温度进行线性内插，获得当下环境温度t下的导波群速度-轴向应力关系式；将步骤(2.2)测得的导波传输群速度v
t
代入上述温度修正后的关系式计算得到待测圆管的轴向应力。
[0042]
下面是一个具体实施例：
[0043]
如图3所示，本实施例所用圆管为长ls＝780mm、直径d＝88.5mm、壁厚4mm的q345钢管。发射换能器位于距离其中一端0.20m处，接收换能器位于试样中间，距离另一端0.20m，两个接收换能器之间的距离l＝0.19m。
[0044]
本实施例采用110khz、6周期的汉宁窗调制信号作为激励信号，每次采样时间为2分钟。如图4所示，标定阶段分别测得8个不同标准压力状态下圆管内导波群速度，并由最小二乘法拟合得导波群速度-轴向应力关系式。本实施例标定了-10℃至40℃温度范围每间隔2℃下q345钢管的导波群速度-轴向应力关系式。
[0045]
测量阶段环境温度为25℃，通过24℃和26℃下的导波群速度-轴向应力关系式插值得到25℃下导波群速度-轴向应力关系式为：
[0046]v25
＝0.0178σ+3474.49
[0047]
通过测量得到待测圆管导波传输群速度v
25
为3477.02m/s，代入上式计算可得待测
圆管的轴向应力σ为142.2mpa。
[0048]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。