[发明专利]一种基于共线混频技术的空气耦合超声应力检测系统及其检测方法

说明书

本发明是一种基于共线混频技术的空气耦合超声应力检测系统及其检测方法。本发明所述系统包括：超声非线性测试系统、示波器、负载、低通滤波器、激励空耦换能器、接收空耦换能器、放大器和计算机；本发明采用非接触式无损检测技术，避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。本发明利用共线混频技术，根据数据融合理论利用差频非线性系数及和频非线性系数定义综合系数因子实现待测件应力的有效表征，消除差频非线性系数与和频非线性系数之间存在的冗余，加强互补性，改善待测件应力表征的可靠性。

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，是一种基于共线混频技术的空气耦合超声应力检测系统及其检测方法。

背景技术

金属构件加工制造及服役过程中，因热膨胀和塑性变形分布不均匀，残余应力是难以避免的。残余应力对机械构件的疲劳强度、尺寸稳定性、抗腐蚀性能等产生重要影响，及时准确检测出残余应力，对保证构件的结构强度及工作可靠性，保障重要金属构件服役安全具有重要意义。

在工业生产检验中，超声波检测是当前应用最为广泛的无损检测方法，具有原理简单、操作方便、无辐射、检测深度较大等优点。超声应力检测原理是根据超声波在金属零件内传播时，超声波的一些特性系数，如波速、频率、能量、超声非线性系数等参数的变化与残余应力有关，通过特征参数的变化间接反映残余应力。

传统超声应力检测法主要是应用声弹性理论，即在不同的应力状态下，超声波的波速会发生变化。而在实际的检测过程中，由应力改变引起的超声波传播速度的变化是很小的，这导致了测量过程中引入的不必要误差会对检测结果产生很大的影响。非线性超声检测方法可极大弥补传统超声方法的不足，相比于波速，应力引起的材料非线性更加明显，故非线性超声检测方法可更好的表征应力状态。同时，非线性超声混频技术具有空间选择、波形转换、频率可选、方向可控等明显优势。

空气耦合超声是一种新型超声检测方法，其区别于传统超声检测的突出优势是在检测过程中不需要施加耦合剂，对某些特殊要求的检测场合或者特殊材料的检测具有得天独厚的优势，比如不适合使用耦合剂检测的复合材料、药材、木材等。传统超声在被换能器激发出来后必须通过耦合剂传递到被测物体，这样是为了保证能量最大化的传递，但与此同时材料也会受到污染甚至损伤，这就使得超声检测的使用受到了一定的限制；而空气耦合超声就很好的克服了这些问题，可以直接通过空气将声波传递出去，完成非接触式的无损检测，对复杂的几何构件也有良好的适应能力，所以对其研究具有很重要的意义。

目前，市场上对于待测件进行非线性超声应力检测往往是采用接触式超声换能器配合楔块进行超声波的激励与接收，并通过分析接收回波的基波幅值与二次谐波幅值来得到非线性系数，结合非线性系数与应力的关系从而实现应力的检测。采用接触式探头和楔块必须使用耦合剂从而保证声波有效进入待测件，然而，耦合剂的存在会引入系统的非线性，产生不可避免的系统误差，导致应力检测结果的准确性。同时，对某些特殊要求的检测场合或者特殊材料的检测不允许接触或者使用耦合剂，传统非线性超声应力检测方法将不再适用。本发明基于非线性超声混频技术，采用空气耦合超声换能器实现超声应力检测。将两个空耦换能器同轴线放置于待测件的两端，一个用于激励纵波脉冲，一个用于接收超声波。利用系统的超外差接收功能，由差频分量及和频分量随激励信号频率的变化情况，优选出最佳混频检测参数。通过对接收信号进行频谱分析获得差频非线性系数及和频非线性系数，并根据数据融合理论利用两系数定义综合系数因子，对应力进行定量检测。本发明采用非接触式无损检测技术，避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。相比于传统非线性超声检测方法中通过二次谐波获得的非线性系数表征应力，本发明利用共线混频技术，根据数据融合理论利用差频非线性系数及和频非线性系数定义综合系数因子实现待测件应力的表征，消除差频非线性系数与和频非线性系数之间存在的冗余，加强互补性，改善材料应力表征的可靠性。

发明内容

本发明为避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。