动方 程：
[0038]
[0039]
[0040] 上述为理论计算的步骤，当上述步骤完成后根据实际的材料参数进行有限元仿 真。仿真该模型并设置不同楔角的楔体。利用瞬时傅里叶变换对其执行从时域到频域的变 换，然后利用空间傅里叶变换对其变换，得到的不同角度楔体中传播锥角波的色散曲线。
[0041] 最后进行实际的测量，圆柱体内楔体固定在三维可调的精密平移台上，通过调节 三维精密平移台，使圆柱体内楔体位于沿周向旋转的电控平移台中心正上方，且激发线源 作用于楔尖。移动探测光源，使得探测点作用于楔尖且位于聚焦的最佳位置。起始激发点 与探测点之间的角度为45°。脉冲激光经光纤耦合后探测光经过光纤照射到圆柱型楔体的 侧表面上激发超声波，计算机控制沿周向旋转的电控平移台，使得激发线源以Γ每步沿周 向移动，实现对圆柱型楔体楔尖的周向扫查，接收端另采用光纤引导检测光信号到激光多 普勒测振仪探测锥角波，通过感知样品表面反射回的散射光的频移并转换为电信号输入示 波器，实现声电转换，探测锥角波信号。
[0042] 对锥角波信号进行处理，使用二维傅里叶变换，时间间隔为2ns，空间间隔为 50 μ m，采样64组数据，得到频散曲线。通过调节谐数值模拟的楔尖的角度，改变频散曲线， 直到和实测得到的频散曲线吻合，通过反演，得到楔尖的角度。
[0043] 基于上述，本发明采用激光干涉法的光学方法检测圆柱型楔体的楔尖角度，激光 器产生激光，通过光纤传输引导照射到圆柱型楔体的侧表面上激发超声波，在接收端另采 用光纤引导检测光信号到激光多普勒测振仪探测锥角波。对探测锥角波信号进行信号处 理，绘制频散曲线。调节数值模拟楔尖的角度，使其频散曲线与实验得出的频散曲线吻合， 反演得出圆柱型楔体的楔角。
[0044] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于激光超声及光纤传感技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特征在于： 其方法如下： (1) 建立脉冲激光，脉冲激光产生的激光通过光纤传输引导照射到圆柱体内楔体即圆 柱体内锥形的侧表面上激发超声波即称为锥角波，激发线源以一定的角度沿圆柱体内楔体 周向移动，实现对圆柱提内楔体楔尖的周向扫查，获取圆柱体内楔体的实测数据，建立锥角 波的理论模型； (2) 通过求解锥角波的理论模型的方程，获知激光辐照样品产生锥角波的物理过程以 及锥角波的传播特性； (3) 建立热弹耦合的有限元方程，[瓦]的， [财]网+ = 式中[C]和[K]分别表示热容及热传导系数矩阵，{T}和 分别表示温度矢量以及温升的变化率矢量，{q}为热源向量，[M]和[S]分别表示质量 和刚度矩阵，和{U}分别表示加速度和位移矢量，{FMt}是系统受到的外界作用力矢量。 计算出圆柱型楔体三维模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来 计算模型中的应变位移场； (4) 数值模拟激光在不同角度楔体中激发产生的锥角波，绘制出激光分别在不同楔尖 角度的楔体上激发产生的锥角波频散曲线； (5) 被测物即圆柱体上锥角波信号的激发和接收；在接收端另采用光纤引导检测光信 号到干涉仪进行检测； (6) 实测上述步骤（5)的光信号提取，获得步骤（1)中实测数据，对实测数据进行二维 傅里叶变换分析处理，得到了沿圆柱体内楔体楔尖传播的锥角波的频散曲线； (7) 依据步骤（4)，通过调节数值模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，当得到频散 曲线与实测得出的频散曲线吻合时，反演得出实测圆柱型楔体的楔角角度值。2. 根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特 征在于，所述步骤（1)中激发产生锥角波的理论模型的热扩散方程表示为： 式中，是瞬态的温度分布，k，P和Cv分别表示热扩散系数、密度和定容比 热容，r、巾、z分别是柱坐标系中的三个坐标量。3. 根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方 法，其特征在于，所述步骤（2)中，在弹性体中，锥角波的传播特性为超声波传播满足 Navier-Stokes方程：其中，表示位移矢量，k，P和Cv分别表示热扩散系数、密度和定容比热容， 0 = (3A+2 aT表示热弹耦合系数，其中aT是线性热膨胀系数，A和y是Lam6常数。4. 根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特 征在于，上述步骤（5)和步骤（6)中，圆柱体固定在三维可调的精密平移台上，计算机控制 沿周向旋转的电控平移台，使得激光源沿周向移动，实现对圆柱体内楔体的周向扫查。5. 根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特 征在于，步骤（7)中，改变模拟楔尖的角度，直到理论频散曲线和实验结果吻合，反演得到 实测样品的角度。6. 根据权利要求1所述的一种用激光超声技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，其特 征在于，所述步骤（1)中，使用计算机控制电控平台上的移动激光源，使得激发线源以1° 每步沿圆柱体内楔体周向移动，实现对圆柱型楔体楔尖的周向扫查。
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光超声及光纤技术测量圆柱体内锥形尖角度的方法，包括：（1）建立激光作用下圆柱体内锥形侧面，锥角波的热弹耦合方程。（2）通过求解方程。（3）建立热弹耦合的有限元方程，计算出模型内部的瞬态温度场分布，再将温度场作为结构分析的体载荷来计算模型中的应变位移场。（4）绘制出激光在不用楔尖角度的楔体上激发产生的锥角波的频散曲线。（5）被测物上锥角波信号的激发和接收；（6）实测信号提取，采用二维傅里叶变换进行信号处理，得到锥角波的频散曲线；（7）通过调节理论模拟楔尖的角度，得到不同的频散曲线，直到和实验结果吻合，反演得到实际角度值。本发明较好地测量楔尖角度，更有效地对楔尖材料进行质量监测和维护。
【IPC分类】G01B11/26, G01B17/00
【公开号】CN105136069
【申请号】CN201510450927
【发明人】韩庆邦, 张雨, 贾静, 姜学平, 殷澄, 朱昌平
【申请人】河海大学常州校区
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月28日