[发明专利]一种基于SH导波的温度应力在线监测系统及其监测方法

权利要求书

1.一种基于水平剪切导波的温度应力在线监测系统，待测试件处于受约束状态，由于温度变化从而产生温度应力，待测试件的温度应力的方向即受约束方向，其特征在于，所述温度应力在线监测系统包括：第一和第二剪切型发射压电换能器、第一和第二剪切型接收压电换能器、第一和第二电阻应变片、参考样品、无线应变传感器、脉冲超声信号源、无线数据采集卡和计算机；其中，第一和第二剪切型发射压电换能器以及第一和第二剪切型接收压电换能器的结构相同，包括压电陶瓷晶片和电极，压电陶瓷晶片为长条状的厚度剪切型d₁₅模式，长度为L，宽度为W，厚度为d，极化沿着长度方向，面积为LW的两个表面分别作为电极面，在两个电极面上分别制备电极，用于施加电场；第一剪切型发射压电换能器和第一剪切型接收压电换能器分别粘接固定在待测试件的表面，第一剪切型发射压电换能器和第一剪切型接收压电换能器沿长度方向平行，并使长度方向平行待测试件的温度应力的方向，二者之间有距离；第一电阻应变片粘贴在第一剪切型发射压电换能器与第一剪切型接收压电换能器的中间位置，电阻应变片的方向平行于待测试件的温度应力的方向；参考样品与待测试件置于相同的温度环境，参考样品的材料与待测试件的材料相同，且处于自由状态下；第二剪切型发射压电换能器和第二剪切型接收压电换能器分别粘接固定在参考样品的表面，第二剪切型发射压电换能器和第二剪切型接收压电换能器沿长度方向平行，并使长度方向平行待测试件的温度应力的方向，二者之间有距离且距离等于第一剪切型发射压电换能器与第一剪切型接收压电换能器之间的距离；第二电阻应变片粘贴在第二剪切型发射压电换能器与第二剪切型接收压电换能器的中间位置；第一和第二电阻应变片采用惠斯通电桥的半桥方式连接至无线应变传感器；第一和第二剪切型发射压电换能器分别通过各自的电极连接至脉冲超声信号源；第一和第二剪切型接收压电换能器分别通过各自的电极连接至无线数据采集卡；无线应变传感器、脉冲超声信号源和无线数据采集卡分别通过无线网络连接至计算机；

计算机远程控制脉冲超声信号源发出激励信号，分别传输至第一和第二剪切型发射压电换能器，分别激励处于受约束状态的待测试件和处于自由状态下的参考样品产生超声导波，超声导波为纯的零阶非频散模态的水平剪切导波，并且水平剪切导波的偏振方向平行于待测试件的温度应力的方向，传播方向垂直于待测试件的温度应力的方向，第一和第二剪切型接收压电换能器接收超声导波；无线数据采集卡分别采集第一和第二剪切型接收压电换能器接收到的超声导波，并通过无线网络传输至计算机；待测试件和参考样品处于相同的温度下，由于待测试件处于受约束状态而参考样品处于自然状态，因此相应产生不同的温度应力，温度应力不同会产生不同的应变，从而使得第一电阻应变片与第二电阻应变片的电阻不同；第一和第二电阻应变片分别接收待测试件和参考样品的由于电阻变化而产生的电压信号，无线应变传感器采集第一和第二电阻应变片接收的电压信号，并通过无线网络传输至计算机；由于第一和第二电阻应变片采用惠斯通电桥的半桥方式连接无线应变传感器，计算机直接计算得到温度应力所产生的应变；计算机通过无线网络接收无线数据采集卡和无线应变传感器的信号，采用互相关分析算法分别计算得到超声导波在受约束状态与自由状态下的传播时间，并通过应变校准温度应力带来的传播距离的影响，从而得到两者的波速差值；依据声弹性效应计算出当前温度下待测试件的温度应力，温度T下待测试件的温度应力σ(T)满足：

其中，dt(T)为温度T下受约束状态与自由状态下的传播时间差值，t(T)为温度T下自由状态下的传播时间，K为声弹性常数，ε(T)为温度T的由温度应力所产生的应变，从而实现长期实时在线监测待测试件的温度应力。

2.如权利要求1所述的温度应力在线监测系统，其特征在于，所述无线应变传感器、脉冲超声信号源和无线数据采集卡均为电池驱动。

3.如权利要求1所述的温度应力在线监测系统，其特征在于，所述压电陶瓷晶片的长度为10～20mm，宽度为2～3mm，厚度为0.4～0.8mm。

4.如权利要求1所述的温度应力在线监测系统，其特征在于，所述第一剪切型发射压电换能器与第一剪切型接收压电换能器之间的距离为40mm-200mm。