粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法

摘要

本发明涉及粘接结构界面粘接应力的超声波测量方法，属于无损检测技术领域。本发明利用粘接界面的反射回波确定反射系数，利用反射系数和谐振频率共同确定粘接结构处于理想粘接区的界面粘接应力。通过粘接界面的多次反射回波的特点，选取谐振频率。利用该谐振频率作为检测先进钢材-粘接剂-先进钢材的中心频率。在该谐振频率下，粘接界面随着刚度的变化超声波回波信号不断的发生变化，充分利用界面的反射回波得出反射系数，进而求得界面的粘接应力。本发明解决了界面粘接应力大小无法快速、准确及在役测量的现状。

主权项

1.粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1)：确定检测粘接界面的谐振频率利用波动方程得到粘接结构中波传播时的位移表达式①和应力表达式②，然后根据粘接界面连续的连接条件表达式③得到反射系数的表达式④，如下：(a)粘接界面的位移和应力表达式：$u=\left\{\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)}={\mathrm{Ie}}^{i(k_{1}x-\mathrm{\omega t})}+A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\omega t})}\\ u^{\left(2\right)}=A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\omega t})}\end{array}\right.$①$\sigma =\left\{\begin{array}{c}{\sigma }_x^{\left(1\right)}=i({\lambda }_1+2{\mu }_1)·k_1[I{e}^{i(k_{1}x-\mathrm{\omega t})}-A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\omega t})}]\\ {\sigma }_x^{\left(2\right)}=i({\lambda }_i+2{\mu }_2)·k_2·A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\omega t})}\end{array}\right.$②(b)粘接界面的连接条件表达式：$\left.\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)}=u^{\left(2\right)}\\ {\sigma }_x^{\left(1\right)}={\sigma }_x^{\left(2\right)}\end{array}\right\}$③(c)通过上述方程得到界面一次反射回波的反射系数表达式：$R_1=\frac{z_{2L}-z_{1L}}{z_{1L}+z_{2L}}$④其中，I、A_R和A_T为幅值；f为频率；μ₁、μ₂、λ₁和λ₂分别为固体和粘接层处的Lame常数；z_1L＝ρ₁c_1L、z_2L＝ρ₂c_2L，z_1L和z_2L分别为固体和粘接层的阻抗，ρ₁和ρ₂为固体和粘接层的密度，c_1L和c_2L分别为固体和粘接层的纵波波速；R₁为反射系数；u⁽¹⁾和u⁽²⁾分别为固体和粘接层中波传播的位移；和为固体和粘接层中波传播的应力；粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数表达式⑥：${\sigma }_x^{\left(1\right)}={\sigma }_x^{\left(2\right)}=K_N(u^{\left(1\right)}-u^{\left(2\right)})$⑤$R_2=\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\pi fi}{z}_{2L}{z}_{1L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\pi fi}{z}_{2L}{z}_{1L}/K_N}$⑥粘接界面存在多次反射回波时，粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数的表达式⑦：$\left|R_3\right|=\left|\frac{\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{-2i{k}_{2}d}}{1+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\pi fi}{z}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{-2i{k}_{2}d}}\right|$⑦其中，K_N为粘接界面的法向刚度系数；R₂和R₃分别为粘接界面一次和多次的反射系数；d为粘接层厚度；k₂为波数；对表达式⑦求极小值，从而得到表达式⑧：$\mathrm{fd}=\frac{c_{2L}(2n-1)}{4}\times {10}^3$⑧其中，n为谐振频率的阶数，为大于等于1的自然数，当n选定后，谐振频率与粘接层厚度的乘积为常数，d为粘接层厚度，单位为毫米；通过粘接层介质的纵波波速带入表达式⑧中可以确定粘接界面刚度检测的谐振频率；步骤2)：粘接界面粘接应力的测定通过大量实验，确定粘接界面应力的计算公式为：σ＝(1-|R₁|-|R₁|²+|R₁|³)(1-|R₁|)σ₀                ⑨其中，σ₀＝A_maxK_N，A_max为脉冲信号位移幅值，K_N为粘接界面的法向刚度系数；它们分别利用下面的关系得出：其中实际检测的脉冲信号的电压幅值与脉冲信号位移幅值A_max的转化关系为：1mv＝6nm，理论上的K_N值通过表达式④等于表达式⑥可以得出；步骤3)：由函数发生器(4)产生一个中心频率可调的高斯脉冲波，激励频率为步骤1)得到的谐振频率；步骤4)：激励信号经功率放大器(3)进行功率放大后，传入自激励自接收传感器(2)；步骤5)：自激励自接收传感器(2)高斯脉冲波信号传入粘接结构(1)中不断的传播，并使其在粘接结构(1)中多次的反射；步骤6)：自激励自接收传感器(2)接收高斯脉冲波在粘接结构(1)中多次反射后的信号，在示波器(5)上显示，并存储到计算机(6)中；步骤7)：利用一维小波包分析方法对接收到的时域信号进行消噪处理，分析高斯脉冲回波在粘接固体界面的回波，分别将反射系数R₁、脉冲信号位移幅值A_max、刚度系数K_N带入表达式⑨中，从而得出粘接界面的粘接应力。