一种斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测方法

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一种斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种对斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测方法。
背景技术
[0002] 裂纹的无损检测一直是工业应用与科学研究的重要课题，特别是表面裂纹，由于其出现几率高，对结构安全的危害性大，因此，发展一种科学、可靠的方法和技术，实现表面裂纹的检测和裂纹深度的测量，是学术界长期以来不断努力的目标。表面裂纹有两种形式，一为垂直表面裂纹，另一种为斜角表面裂纹，两种表面裂纹在实际工业结构中均普遍存在。
表面裂纹可以处于张开、闭合或介于二者之间的不同状态，更增加了超声波检测的难度、降低了检测结果的可靠性。无损检测的目的在于：(a)检测出表面裂纹的存在；(b)测定表面裂纹的深度与形状。(a)项的工作较容易，已经有许多的方法与技术可以实现，而(b)项的工作则非常困难，至今仍是学术研究中未能完全解决的难题。
[0003] 目前针对表面裂纹形状与深度的测量具有一些现成方式，如表面波或表面波绕射与散射的测量方式，但可行性与准确性仍然存在很大的问题。本发明的目的是针对试件中的斜角表面裂纹特征(包括倾斜角度和深度)，采用线聚焦超声换能器对试件进行水平方向步进测量，确定斜角表面裂纹反射回波的传播路径，使之可以更准确地测量斜角表面裂纹缺陷的倾斜角度和深度。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决材料中斜角表面裂纹特征(包括倾斜角度和深度)的检测问题，提出一种准确的斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测方法。
[0005] 为了实现上述目的，本方法采用了如下方案：
[0006] 步骤1)：确立计算斜角表面裂纹倾斜角度和深度的公式
[0007] 图1为斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测示意图，斜角表面裂纹反射回波的传播路径为垂直传播到斜角表面裂纹并按原路径返回的声束路径，可根据如下公式计算斜角表面裂纹的倾斜角度θf：
[0008]
[0009] 其中：VS为被检测试件的纵波波速，Δz为X方向线聚焦超声换能器的移动距离，Δt为换能器移动Δz后的斜角表面裂纹反射回波时间变化量。
[0010] 求得斜角表面裂纹的倾斜角度后，则在超声换能器中心正下方斜角表面裂纹深度h：
[0011]
[0012] 其中：tf为换能器接收到的斜角表面裂纹反射回波时间，tD为换能器接收到的试件上表面直接反射回波时间。
[0013] 步骤2)：搭建测试系统
[0014] 为了方便X方向步进测量，搭建了一套进行水平步进测量的测试系统，如图2所示。
该测试系统主要包括：试样(1)、水槽(2)、换能器(3)、X轴移动平台(4)、脉冲激励/接收仪(5)、示波器(6)、GPIB总线(7)、PXI总控制系统(8)、移动伺服马达(9)。其中，在X轴移动平台(4)下面安装有换能器(3)，换能器(3)与脉冲激励/接收仪(5)相连，脉冲激励/接收仪(5)与示波器(6)相连，示波器(6)通过GPIB总线(7)与PXI总控制系统(8)相连，PXI总控制系统(8)与移动伺服马达(9)相连。所述水槽(2)内充满有水，试样(1)放置在水槽(2)的底部。
[0015] 步骤3)：起始位置数据采集
[0016] 将含有斜角表面裂纹的试件置于线聚焦超声换能器下方，换能器位于试件的左边。脉冲激励/接收仪(5)在发出一个带宽为10-50MHz的脉冲后转换为接收状态，当接收到反射信号后，将信号传输进示波器(6)，示波器的采样频率为fs，fs为0.5-5GHz，采样点数为Ns，Ns的取值范围为10000-100000点。经过示波器的低通滤波后，通过GPIB总线(7)存储进PXI总控制系统(8)。
[0017] 步骤4)：X轴方向步进测量
[0018] 将换能器水平方向移动一个距离Δz0，Δz0的取值范围为0.5-1mm，待移动完成后进行数据采集，采样频率为fs，采样点数为Ns。采集结束后再将换能器水平向右移动Δz0进行数据采集，如此循环往复，共移动距离z，z的取值范围为15-100mm，因此将得到M组电压数据，M由z与Δz0共同决定，为15-200组。
[0019] 步骤5)：斜角表面裂纹回波时间拟合
[0020] 示波器接收到的第一个回波为试件上表面直接反射回波，因为斜角表面裂纹在试件底面的上方，所以第二个回波即为斜角表面裂纹反射回波，进而确定不同位置时上表面与斜角表面裂纹的反射回波时间。
[0021] 步骤6)：斜角表面裂纹倾斜角度计算
[0022] 将换能器沿X方向移动位移Δz、斜角表面裂纹反射回波时间变化量以及试件的纵波波速VS带入公式(1)，即可求得斜角表面裂纹的倾斜角度。
[0023] 步骤7)：斜角表面裂纹深度计算
[0024] 当换能器位于斜角表面裂纹上方某一任意位置，反射回波信号既有上表面反射回波又有斜角表面裂纹反射回波，将上表面与斜角表面裂纹回波时间tD与tf，试件的纵波波速VS与斜角表面裂纹的倾斜角度θf带入公式(2)，即可求得换能器中心正下方斜角表面裂纹的深度。
[0025] 本发明具有以下优点：1)试件中斜角表面裂纹倾斜角度与深度测量准确；2)不对试件结构进行任何破坏。
附图说明
[0026] 图1斜角表面裂纹倾斜角度和深度的检测示意图；
[0027] 图2水平步进测量系统示意图；
[0028] 图3起始位置时域波形图；
[0029] 图4 10°斜角表面裂纹反射回波时域波形叠加图。
[0030] 图中：1、试样，2、水槽，3、换能器，4、X轴移动平台，5、脉冲激励/接收仪，6、示波器，
7、GPIB总线，8、PXI总控制系统，9、移动伺服马达。
具体实施方式
[0031] 以下结合具体事例对本发明的内容做进一步的详细说明：
[0032] 步骤1)：确立斜角表面裂纹倾斜角度和深度计算公式
[0033] 工作方式为换能器激发出超声信号，经耦合剂水传播到试件上表面，在试件上表面发生折射传播到斜角表面裂纹，被斜角表面裂纹反射又回到压电薄膜被换能器本身接收到。图1中带箭头黑色粗实线为换能器接收到的斜角表面裂纹反射回波传播路径。当换能器沿X轴方向移动Δz时，声波在水中的传播路程不变，换能器接收到的斜角表面裂纹反射回波时间变化量为Δt，进而可以求得声波由试件上表面传播到斜角表面裂纹的路程变化量ΔS。在ΔOAB中，ΔS和Δz已知，则很容易求得θ的角度，而斜角表面裂纹的倾斜角度θf与θ相等，则斜角表面裂纹倾斜角度：
[0034]
[0035] 其中：VS为被检测试件的纵波波速，Δz为X方向线聚焦超声换能器的移动距离，Δt为水平移动Δz后的斜角表面裂纹反射回波时间变化量。
[0036] 声波在从试件上表面到斜角表面裂纹之间的传播路程：
[0037]
[0038] 已知斜角表面裂纹的倾斜角度，在ΔOCD中，根据余弦定理，超声换能器中心正下方斜角表面裂纹深度：
[0039]
[0040] 其中：tf为换能器接收到的斜角表面裂纹反射回波时间，tD为换能器接收到的试件上表面直接反射回波时间。
[0041] 步骤2)：搭建测试系统
[0042] 为了方便X方向步进测量，搭建了一套进行水平步进测量的测试系统，如图2所示。
该测试系统主要包括：试样(1)、水槽(2)、换能器(3)、X轴移动平台(4)、脉冲激励/接收仪(5)、示波器(6)、GPIB总线(7)、PXI总控制系统(8)、移动伺服马达(9)。其中，在X轴移动平台(4)下面安装换能器(3)，换能器(3)与脉冲激励/接收仪(5)相连，脉冲激励/接收仪(5)与示波器(6)相连，示波器(6)通过GPIB总线(7)与PXI总控制系统(8)相连，PXI总控制系统(8)与移动伺服马达(9)相连。
[0043] 步骤3)：起始位置数据采集
[0044] 将含有斜角表面裂纹缺陷的钢材料试件置于线聚焦超声换能器下方，试件中斜角表面裂纹倾斜角度为10°，换能器位于试件的左边。脉冲激励/接收仪(5)在发出一个带宽为
10-50MHz的脉冲后转换为接收状态，当接收到反射信号后，将信号传输进示波器(6)，示波器的采样频率为fs，fs为5GHz，采样点数为Ns＝10000。经过示波器的低通滤波后，通过GPIB总线(7)存储进PXI总控制系统(8)，起始位置时域波形如图3所示。
[0045] 步骤4)：X轴方向步进测量
[0046] 将换能器沿水平方向移动一个距离Δz0＝1mm，待移动完成后进行电压数据采集，采集结束后再将换能器沿水平方向移动Δz0＝1mm进行数据采集，采样频率fs＝5GHz，采样点数Ns＝10000，如此循环往复，共移动20mm，因此将得到21组电压数据。
[0047] 步骤5)：斜角表面裂纹回波时间拟合
[0048] 找出上表面回波与斜角表面裂纹回波即将分开时换能器的位置，画出此位置后的反射回波时域波形叠加图，如图4中黑色实线所示，黑色虚线为斜角表面裂纹回波直线拟合，因为是水平方向移动，所以上表面回波时间点相同。从中选择连续六组斜角表面裂纹回波幅值较大的反射回波信号，表1为该六组信号中试件上表面与斜角表面裂纹反射回波的时间。
[0049] 表1试件上表面直接反射回波与斜角表面裂纹反射回波时间
[0050]
[0051] 步骤6)：斜角表面裂纹倾斜角度计算
[0052] 水平移动Δz＝1mm后的斜角表面裂纹反射回波时间变化量Δt：
[0053] Δt＝tf(i+1)-tf(i)   (1)
其中i为换能器移动位移，依次取4到8。
[0054] 将取得的斜角表面裂纹反射回波时间变化量Δt带入公式(1)即可得到斜角表面裂纹的倾斜角度。其中刚的纵波波速VS＝5900m/s，计算得到5个斜角表面裂纹倾斜角度θf，分别为9.95°、9.85°、9.78°、9.47°、10.3°，然后做平均，即可得到更准确的斜角表面裂纹倾斜角度为θf＝9.88°，试验检测结果与实际相吻合。
[0055] 步骤7)：斜角表面裂纹深度计算
[0056] 将换能器位于不同位置时上表面与斜角表面裂纹反射回波时间带入公式(2)，即可求得不同位置下换能器中心正下方斜角表面裂纹的深度h，如表2所示：
[0057] 表2换能器中心正下方斜角表面裂纹深度
[0058]
[0059] 本发明具有以下优点：1)试件中斜角表面裂纹倾斜角度与深度测量准确；2)不对试件结构进行任何破坏。