[发明专利]一种激光超声波技术测量圆柱体内锥形锥尖角度的方法

权利要求书

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，

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，{F_ext}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,ρ和c_v分别表示热扩散系数、密度和定容比热容，r、φ、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,ρ和c_v分别表示热扩散系数、密度和定容比热容，β＝(3λ+2μ)α_T表示热弹耦合系数，其中α_T是线性热膨胀系数，λ和μ是Lamé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。