[发明专利]一种相控阵空气耦合换能器及其平面应力超声测量方法和装置

说明书

一种相控阵空气耦合换能器及其平面应力超声测量方法和装置，属于超声检测技术领域。解决单晶元的接触式超声换能器测量方向仅由一个传播路径获得声时差信息来得到应力分量，影响平面应力测量准确性的问题。所述方法包括：接收激励信号的换能器信号将激励信号传输至压电陶瓷，转化为声信号传至待测件，声信号在待测件产生LCR波；待测件发送回波信号至接收响应信号的换能器，并转化为响应信号传输至接收响应信号的信号连接端；根据LCR波和响应信号通过数据处理获取声时差；调节换能器角度，重复上述操作，获取其余两个对应测量方向的声时差；根据莫尔圆应力理论和三个方向的应力完成待测件待测区域的平面应力测量。适用于应力检测领域。

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，主要涉及一种相控阵空气耦合换能器及其平面应力超声测量方法。

背景技术

在材料制造过程中，由于受加工环境的影响，可能会导致工件产生不均匀的机械变形、温度变化或相变，材料变形不均匀，从而产生残余应力。残余应力的存在会影响工件的强度和其他机械性能，并可能导致工件在使用过程中出现变形和开裂等缺陷；缺陷最终影响工件的状态，如精度和使用寿命。因此，为强度分析和加工变形预测提供理论依据，评价工件的残余应力和状态已成为当前制造业研究的重点。

残余应力的测量属于反问题的研究领域，通过输出应变或等效位移来反转残余应力的大小和方向。目前，根据测试原理，测量技术可分为两类。一类包括破坏性测试方法，如机械和化学方法；一类包括非破坏性测试方法。破坏性测试方法的原理涉及以某种方式释放和测量工件应力。通过测量该区域的应变或位移，可以根据弹性力学原理获得残余应力状态。破坏性测试方法相对简单，测试精度通常较高，但在某些情况下，表面损伤是不可接受的。因此，为了防止样品受损，使用特定类型的设备测量材料本身物理特性的无损检测方法得到了迅速发展。这些方法不影响测量后工件的继续使用，在大多数情况下适用于残余应力测量；因此，无损检测方法逐渐成为残余应力测试的发展方向。

传统平面应力测量方法多采用单晶元的接触式超声换能器，由于接触式超声换能器不可避免地需要定制配合使用的楔块用于产生不同的入射角，且需使用耦合剂保证足够有效的声耦合。楔块和耦合剂的使用导致接触式超声换能器进行平面应力测量的操作较为不便，无法应用于自动化、工业化场合使用。同时，单晶元的接触式超声换能器在测量时，每个测量方向仅由一个传播路径获得声时差信息来得到应力分量，然而由于应力引起材料速度的变化较小，引起的声时差变化也是ns级，故极易受外界噪声以及温度等外界环境因素影响，同时，由于耦合剂的薄厚不均无法控制，引起的声时差误差更是无法忍受，从而影响平面应力测量的准确性。

发明内容

本发明解决了单晶元的接触式超声换能器在测量时，每个测量方向仅由一个传播路径获得声时差信息来得到应力分量，影响平面应力测量的准确性，且接触式超声换能器使用耦合剂会影响平面应力测量准确性的问题。

本发明提供这一种相控阵空气耦合换能器，所述换能器包括：

N个压电陶瓷、匹配层和背衬层；

所述N个压电陶瓷均匀分布且固定于匹配层上表面，所述背衬层固定在压电陶瓷上。

进一步的，还提供一种优选实施方式，所述换能器还包括：壳体；

所述N个压电陶瓷、匹配层和背衬层均固定在壳体内部。

进一步的，还提供一种优选实施方式，所述换能器还包括：信号连接端；

所述信号连接端固定于壳体外部，用于接收激励信号和传播信号。

本发明还提供一种基于相控阵空气耦合换能器的平面应力超声测量方法，所述方法是根据上述任一项所述的换能器实现的，所述方法包含两个换能器，一个换能器用于接收激励信号，另一个换能器用于接收响应信号，所述方法包括：