一种基于SH导波的温度应力在线监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SH导波的温度应力在线监测系统及其监测方法。本发明专利技术采用水平剪切导波来进行温度应力监测，该种导波对应力的敏感性高，完全非频散的特性有利于高精度的信号时差计算，相比于频散的兰姆波拥有更高的测量精度；剪切型的压电换能器制作方便且体积小，与非接触的电磁超声换能器相比能量转换效率高，信噪比大，能够粘贴到待测试件上，消除了传统的耦合剂的造成测量误差；采用了导波监测和应变电测相结合的方法，消除了粘接方式带来的传播距离变化的影响，进一步提高了测量精度；本发明专利技术设计完备，测量精度高，很适合用于实时在线的温度应力监测。时在线的温度应力监测。时在线的温度应力监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SH导波的温度应力在线监测系统及其监测方法


[0001]本专利技术涉及超声无损检测
，具体涉及一种基于超声导波的温度应力在线监测系统及其监测方法。

技术介绍

[0002]在高速铁路中，无缝线路的使用能够大幅减缓轮轨冲击，降低设备损耗，提高乘坐的舒适性，然而由于轨缝的消除，钢轨在长度方向不能自由伸缩，温度变化时钢轨内部会产生巨大的温度应力，带来轨道屈曲甚至断裂的风险。在大型建筑工程中，水泥混凝土材料会随着环境温度的改变发生体积膨胀，由此产生的温度应力对主体安全影响也不可忽视。因此，在实际工程应用中对结构件进行实时在线的温度应力监测十分重要。传统的应力测量方法包括应变电测法、巴克豪森磁性法、X射线衍射法、超声法，其中超声法凭借其穿透能力强，方向性好、检测方式简单等优点被广泛使用。超声法的基本原理是声弹性效应，即通过弹性介质中的波速变化量和应力之间的线性关系来进行应力测量。由于常见金属材料的声弹性效应比较弱，因此应力测量准确性十分依赖于高精度的波速测量。
[0003]传统用于应力检测的超声波为临界折射纵波(LCR)，因为这种体波的波速对应力的敏感性最高。然而，临界折射纵波的激励装置是通过压电换能器的厚度振动模式产生纵波，再根据斯涅耳折射，经过锲形块以第一临界角斜射到待测试件中，这种组合结构只能封装成探头，使用耦合剂来传递弹性波进行应力测量，无法对试件进行实时、在线的应力监测，并且耦合剂的厚度无法精确控制并且可能会随温度和湿度等环境条件发生显著变化，因此所测量的应力值往往会存在较大的误差。至于非接触式的电磁超声探头可以消除耦合剂的影响，又因为其功耗较高，能量转换效率低，设备体积大等特点并不适用于长期在线监测。

技术实现思路

[0004]针对以上温度应力在线监测的难点，本专利技术提出了一种基于水平剪切导波的温度应力在线监测系统及其监测方法，采用剪切型的压电换能器发射并接收水平剪切(shear horizontal,SH)导波对温度应力进行在线监测。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种基于水平剪切导波的温度应力在线监测系统。
[0006]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，如钢轨被两端的夹头和螺丝约束，工程结构中的建筑物中的混凝土块被建筑物中的其他结构约束。
[0007]本专利技术的基于水平剪切导波的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d
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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；
[0008]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，从而实现长期实时在线监测待测试件的温度应力。
[0009]依据声弹性效应，自由状态与受约束状态的温度应力差值dσ满足：
[0010][0011]其中，σ(T)为温度T下待测试件的温度应力，σ1为处于自由状态下的参考样品中的温度应力，K为声弹性常数，dV为受约束状态与自由状态下的波速差值，V为自由状态下的波速；由于自由状态样品中的温度应力σ1始终为0，从而得到：
[0012][0013]在小变形的情况下，波速、传播距离和传播时间的变化表示为：
[0014][0015]dS为受约束状态与自由状态下的传播距离差值，S为自由状态下的传播距离，dt为受约束状态与自由状态下的传播时间差值，t为自由状态下的传播时间。
[0016]由于受约束状态与自由状态均为处于相同的温度，传播距离的差值仅由温度应力导致的泊松效应产生：
[0017][0018]其中，v为材料的泊松比，ε为通过电阻应变片得到的待测试件的温度应力的方向上由温度应力所产生的应变。
[0019]从而得到温度T下待测试件中的温度应力σ(T)为：
[0020][0021]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，ε(T)为温度T下待测试件的温度应力的方向上由温度应力所产生的应变。
[0022]值得一提的是，对于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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d
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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，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
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200mm。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李法新，陈铭桐，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：