一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法及设备技术

本公开涉及一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法及设备，利用在界面间传播的界面波，在三层复合板的中间层激励产生和接收导波信号，利用接收到的信号，测得到界面波波速，通过多次改变激励信号的频率，得到界面波在复合板传播的频散曲线，找到群速度稳定转折频率；利用界面波群速度与相速度稳定转折频率一致、相速度稳定转折频率和三层复合板中间层厚度的乘积(即频厚积)为一定值，且相速度稳定转折频率又与中间层厚度有关这一原理，在已知稳定转折频率的情况下，用频厚积与稳定转折频率做商，得到三层复合板中间层的准确厚度。该测量方法简单易行，测量精度高，测量结果可靠，适用于三层复合板中间层厚度的精确测量。

Method and apparatus for measuring thickness of middle layer of three layer composite board

The invention relates to a method for measuring the thickness of the middle layer of the three layer composite plate and equipment, using the interface wave propagation at the interface between the three layers in the middle layer of composite plate excitation generation and reception of guided wave signal, the received signal can be measured, the interface wave velocity, by changing the frequency of the excitation signal for many times. Interfacial waves in composite plate spread dispersion curves, find group velocity stable turning frequency; the interface wave group velocity and phase velocity, stable turning frequency phase velocity stable transition frequency and the three layer of the middle layer thickness of composite plate product (i.e. frequency thickness products) to a certain value, and the phase velocity and frequency stability of turning and the middle layer thickness on this principle, in the case of known stable turning frequency, with frequency thickness products do business with stable turning frequency, accurate thickness of the three layers of the middle layer of the composite board. The method is simple, accurate and reliable. It can be applied to the accurate measurement of the thickness of three layers of composite plates.

【技术实现步骤摘要】

本公开属机械结构长度精密测量领域，具体涉及一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法及设备。
技术介绍
随着科学技术的进步，各种拥有优异性能的复合、智能材料不断出现并应用于现代工程结构中。传统材料因其自身局限性，在力学性能、材料特性、稳定性、耐环境性能等方面均表现出一定的劣势，难以满足现代工程应用对材料的高性能要求。未来的材料必然由传统的天然、单一转向新型的人造、复合。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。层状金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上牢固结合而形成的一种新型复合材料。它可以充分发挥各层金属的性能优点，克服单一材料的缺陷，具有任何一个组元材料无法具备的综合性能，有效扩大工程应用范围。金属基复合材料(MMC)因其特有的高强度、高硬度、耐磨及耐高温等优良性能，引起国内外材料科学者的普遍关注，现已发展成为先进复合材料的一个重要分支。先进金属复合材料的研究深度和应用广度，已成为衡量一个国家科技发展水平的标志。而当前层状金属复合材料在加工使用的过程中，还存在一个很重要的问题，即难以对复合材料各层厚度直接进行精确测量。目前对其各层厚度的确定主要靠加工工艺来保证，难以进行直接测量，有精度差、容易因加工过程中的缺陷导致厚度发生改变而难以发现的缺点，给层状金属复合材料的性能保证带来很大隐患。
技术实现思路
针对上述部分问题，本公开一方面利用超声导波这一新工具，提出了一种对多层复合材料中间层厚度进行精确测量的方法及设备。所述方法和设备利用超声导波中的界面波稳定转折频率与中间层板厚的乘积为一定值这一原理实现，其计算精度高、检测操作方便、成本低、简单可靠，提高了铝钢钛复合板中间层厚度测量效率与准确性，有重大的工程意义。一方面，本公开提供了一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法，所述方法包括下述步骤：S100、获取被测三层复合板的频厚积；S200、获取被测三层复合板的界面波频散曲线；S300、找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散时所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；S400、根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：进一步地，所述界面波频散曲线通过下述步骤获取：S201、在被测三层复合板的中间层界面两端分别粘贴表面波传感器；S202、利用表面波传感器在界面间传播的界面波，在被测三层复合板的中间层激励产生和接收导波信号；S203、利用接收到的导波信号，获得界面波波速；S204、改变表面波传感器激励信号的频率，绘制激励频率-波速曲线，得到界面波在被测三层复合板传播时的频散曲线。进一步地，所述频厚积通过下述步骤获取：S101、通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到相速度频散曲线；S102、从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。进一步地，所述步骤S204之前还包括：S2041、预估被测三层复合板中间层厚度范围；S2042、利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：进一步地，所述利用接收到的导波信号的步骤包括使用希尔伯特变换对采集到的信号进行包络处理分析。进一步地，所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率范围选择，使其中心频率接近界面波群速度稳定转折频率。另一发面，本公开提供了一种用于测量三层复合板中间层厚度的设备，所述设备包括第一获取模块、第二获取模块、定位模块、第一计算模块，其中：所述第一获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的频厚积；所述第二获取模块，被配置用于：获取被测三层复合板的界面波频散曲线；所述定位模块，被配置用于：找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；所述第一计算模块，被配置用于：根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：进一步地，所述设备还包括表面波传感器，用于粘贴在被测三层复合板的中间层界面两端；在一端中间层的表面波传感器激励产生导波信号，所述导波信号在界面间以界面波的形式传播，在另一端的表面波传感器接收导波信号。进一步地，所述设备还包括仿真计算模块，其被配置用于：通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到各自的相速度频散曲线；并从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。进一步地，所述设备还包括预估模块，其被配置用于：根据预估的被测三层复合板中间层厚度范围，利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：进一步地，所述仿真计算模块包括包络分析单元，其被配置用于：使用希尔伯特变换对采集到的信号进行包络处理分析。进一步地，所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率范围选择，使其中心频率接近界面波群速度稳定转折频率。综上，由于本公开在三层复合板的中间层厚度测量中采用了界面波，本公开相对于传统方法具有下列显著优势：(1)本公开可用于一些不能直接测量厚度的场合，解决了传统测量方法对复合板中间层厚度无法测量的问题；(2)本公开对复合板本身无任何影响，可以在不影响复合板使用性能的基础上对其各层的厚度进行测量；(3)界面波有在稳定转折频率之后不频散的特性，保证了其相速度稳定转折频率与群速度稳定转折频率的一致；(4)本公开计算精度高、成本低，检测操作方便，提高了复合板各层厚度测量效率；(5)本公开简单可靠，便于工程实践中使用。附图说明图1为中间层厚度分别为0.04m与0.02m时三层复合板I1模式和I2模式界面波频散曲线示意图；图2为所述材料三层复合板中界面波的相速度频散曲线；图中：较长的线代表测量使用的I1模式(铝钢界面间的界面波模式)界面波频散曲线，稳定转折点为频率为261.25KHz，较短的线为I2模式(钢钛界面间的界面波模式)的界面波；图3为铝钢钛复合板中传感器安装示意图，其中1、2分别为激励传感器和接收传感器，l为Al-Steel界面长度，d为中间层厚度；图中：实线为中间层厚度为0.04m的情况，虚线为中间层厚度为0.02m的情况；图4为接收传感器接收到的信号，波峰1、波峰2分别为直达波信号与反射回波信号，波峰对应的时间分别为t1和t2；图5为对接收到的信号进行希尔伯特变换后的信号，波峰1、波峰2分别为t1和t2时的信号。具体实施方式本公开的目的之一是提供一种检测简单、计算准确的三层复合板中间层厚度的检测方法。下面就图1-5讲述本公开方法内容。步骤(一)、获取被测三层复合板的频厚积三层复合板的频厚积只与三层板的材料有关，可以通过仿真的方式获得被测三层复合板的频厚积，具体可以采用下述步骤进行：S101、通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层复合板进行仿真，得到相速度频散曲线；S102、从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。其中，频散曲线为波速与激励频率的关系曲线。步骤(二)、获取被测三层复合板的界面波频散曲线所述界面波频散曲线优选通过下述步骤获取：S201、在被测三层复合板的中间层界面两端分别粘贴表面波传感器；S202、利用表面波传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：S100、获取被测三层复合板的频厚积；S200、获取被测三层复合板的界面波频散曲线；S300、找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散时所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；S400、根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：

【技术特征摘要】
1.一种用于测量三层复合板中间层厚度的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：S100、获取被测三层复合板的频厚积；S200、获取被测三层复合板的界面波频散曲线；S300、找到所述界面波频散曲线上信号由频散转为不频散时所对应的频率，将该频率作为界面波群速度稳定转折频率；S400、根据下述公式求得被测三层复合板中间层厚度：2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述界面波频散曲线通过下述步骤获取：S201、在被测三层复合板的中间层界面两端分别粘贴表面波传感器；S202、利用表面波传感器在界面间传播的界面波，在被测三层复合板的中间层激励产生和接收导波信号；S203、利用接收到的导波信号，获得界面波波速；S204、改变表面波传感器激励信号的频率，绘制激励频率-波速曲线，得到界面波在被测三层复合板传播时的频散曲线。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频厚积通过下述步骤获取：S101、通过对与被测三层复合板具有相同材料的三层金属复合板进行仿真，得到相速度频散曲线；S102、从所述相速度频散曲线上找到相速度稳定转折频率，求得所述被测三层复合板的频厚积。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S204之前还包括：S2041、预估被测三层复合板中间层厚度范围；S2042、利用获取的频厚积，根据下述公式获得预估界面波群速度稳定转折频率范围，从而确定表面波传感器激励信号的频率范围：5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述表面波传感器根据预估界面波群速度稳定转折频率选择，使其中心频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，周伟蒙，李明航，耿旭，田飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61