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超聲應力檢測分析儀（USG_S2_AN_P1.0）
（ 應用案例：http://www.jwsci.com/anli.php）
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1 超聲檢測應力方法及優勢
超聲波能靈敏地反映被測件內部的信息，利用超聲可無損測定被測對象積聚的應力?；诔暡晱椥岳碚摰膽y量方法是利用了受應力材料中聲雙折射現象的原理。在各向同性材料中，由縱波聲彈性關系可得到主應力和，橫波聲彈性關系可得到主應力差；在正交異性材料中，每種波都與主應力和主應力差有關。被測對象中超聲波速與應力之間的存在固有的關系，且這種關系在同一溫度下具有較好的線性度。超聲應力儀正是將這種物理特性轉為現實應用的典型力學定量檢測產品。超聲波檢測殘余應力分為兩種情況：1）檢測試件內部應力；2）檢測試件表面應力。 超聲波無損檢測技術對于大多數介質而言穿透能力比較強，在一些金屬材料中穿透能力可達數米，并且超聲檢測儀器可便攜到室外或現場使用，與上述章節所述的其他應力檢測方法相比，使用超聲檢測應力方法具有以下優勢： 1） 不對被測對象產生任何損傷 2） 測量非常快速，所見即所得，且可便攜以適合現場作業，也可用于系統集成實現自動化或半自動化應力檢測
3） 測量深度較大，即可實現表面應力檢測，也可用于內部應力檢測 4） 無任何輻射，對操作人員無任何傷害 5） 既可測量應力，也可以檢測試件內部的缺陷，其他應力檢測方法無法實現 6） 適用材料廣泛，理論上可以應用于任何非吸聲材料 由戩威機電研制的超聲應力測量分析儀是一款用于測量材料、結構件中殘余應力（包括拉應力和壓應力）和內應力的精密儀器。定量測量被檢對象中的應力對于早期預測構件的變形和損壞具有重大的意義。 圖1.1 超聲應力測量分析儀
1.1 測量原理 圖1.1.1 基于超聲的應力測量原理示意圖
利用超聲檢測應力的基本原理如圖1.1.1所示。整個儀器主要由：超聲脈沖信號源、數據采集模塊、數據分析預處理模塊、應力分析軟件系統、超聲波探頭及人機交互終端組成。在被測對象上安放兩個超聲波探頭，分別是發射和接收探頭，探頭的另外一端分別連接到儀器的信號端口。儀器向發射探頭發出激勵信號后，發射探頭激發出超聲波并沿被測對象傳播，當超聲波遇到有應力聚集的區域，超聲波傳播的速度發生變化（更準確地說是相位），如圖1.1.2所示，接收探頭采集到信號回傳至測量儀器，由儀器分析捕捉到這個速度變化量，結合事先標定的材料特征參數，可計算出目標區域應力的大小。 圖1.1.2 應力對傳播中的超聲波聲速（相位）的影響
基于上述測量原理和超聲波在介質中傳播的形式，結合應力的分布特征，典型的應力測量場景分為兩大類： 1）近表面應力檢測 這是材料或零部件殘余應力檢測較為典型的應用場景。使用一對收發分離的超聲波探頭（也稱超聲波換能器），如圖1.3.3所示，這對探頭設計時（根據被測對象的聲速）聲束入射角需滿足第一臨界角的基本條件，激發的超聲波也被稱做“臨界折射縱波”（LCR），聲傳播的基本特征是：超聲激勵方式為脈沖激勵形式，LCR沿被測對象近表面區域傳播。 可測量的深度取決于使用探頭的頻率和被測對象材質 D=αf-0.96 式中，α為檢測深度修正系數，單位為mm/ns，常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81；f為探頭中心頻率，單位為MHz。
圖1.1.3 基于LCR近表面應力檢測方法示意圖
圖1.1.4 臨界折射縱波的典型回波信號
表1.1.1 常見材料表面應力測量深度
材質名稱 | 超聲探頭頻率（MHz） | 測量深度范圍（mm） | 備注 | 鋼 | 5 | 1.28 |
| 鋁 | 5 | 1.37 |
| 銅 | 5 | 1.03 |
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2）體應力檢測 本處所述的體應力是相對于近表面應力檢測而言，主要針對的是近表面以下深度的應力。在這種應用場景下，使用LCR無法觸及待檢測區域，需使用收發一體的脈沖回波超 聲波探頭，如圖1.1.5所示，聲束入射方向與被測對象法線方向一致，聲波傳播形式為縱波（L）。較為典型的應用案例為螺栓應力測量。實際上，這種方式可以推廣至預緊力檢測，只要確保探頭與被測對象的耦合可靠。
圖1.1.5基于超聲縱波體應力檢測方法示意圖
1.2 測量方法 應力測量方法主要分為兩種：1）絕對應力值測量；2）相對應力值測量。這兩種方法的區分在于基準的選擇。這里所述基準指的是在與被測對象具有相同狀態的參考試塊上所采集到的參考超聲回波信號（基準聲速）。被測對象應力測量啟動后，其余測試區域使用該基準參考信號進行聲速差異分析計算，來確定相對的應力測量值，如圖1.2.1所示。若參考試塊不存在應力（即零應力），那么被測對象的應力測量值屬于絕對應力值。
圖1.2.1 殘余應力相對測量法
如圖1.2.2所示，當參考試塊應力值Sx已知，那么被測對象的實測應力值Sn就可以轉換為絕對值。獲取參考試塊應力值Sx屬于標定、校準范疇?？偠灾?，被測對象的實測應力值屬于相對應力值還是絕對應力值，取決于參考試塊應力值（由基準聲速表征）是否已知。
圖1.2.2 應力測量絕對值與相對值示意圖
超聲應力儀應用案例：http://www.jwsci.com/anli.php 2儀器性能指標 2.1 采樣率 應力測試信號高保真，12位A/D總合成不低于1GS/s的高速高精信號采樣速率直取應力狀態原始信息，不使用數值插值合成還原原始數據。最高時域分辨率為0.37ns。
2.2 信號源 信號源指的是儀器內部用于控制超聲波發射、接收的激勵源。應力測量的精度和可靠性很大程度上取決于激勵信號的質量。戩威研制的超聲信號源采用歐美設計標準。具體技術指標如表2.2.1所示。
表2.2.1 超聲信號源性能 超聲信號發射性能參數 | 脈沖重復頻率（PRF） | 最高可達10KHz | 激勵電壓 | 矩形脈沖100v、300V | 脈沖寬度 | 脈寬不超過1ns，在20ns~2us范圍內以0.5ns的步進可調 | 匹配阻抗 | 在20~500歐姆范圍內以5歐姆的步進可調 | 超聲信號接收調理性能參數 | 增益調節 | 線性放大系統，0~100dB，0.2dB步進量 | 高通濾波 | 截止頻率0.5MHz、1.0MHz、2.0MHz、5.0MHz和7.5MHz | 低通濾波 | 截止頻率 25MHz | 匹配阻抗 | 在20~500歐姆范圍內以5歐姆的步進可調 | 超聲信號分析處理性能參數 | 檢波方式 | 全波、正半波、負半波和RF信號中四選一 | 信號抑制 | 線性放大系統，0~100dB，0.2dB步進量 | 材料數據庫 | 500 ~15,000 m/s，可從控制臺人工調節或選擇； | A/D采樣 | 探傷使用16 bits，100 MS/s；應力分析12bits，2.5GS/s | 視頻濾波 | 軟件跟蹤，跟蹤速度分檔可調 | 動態濾波 | 跟蹤動態檢測對象所造成的基礎電平的變化，剔除毛刺噪聲 | DAC/TCG/GCG | 可存儲16條DAC或TCG曲線，每條最多1024點，1/65536分級可調；每個檢測周期最大可選4種DAC曲線作為參考；GCG單獨門控增益可設. | A-SCAN顯示 | 實時動態顯示512點 | 閘門性能參數（應用于探傷） | 獨立閘門個數 | 4（5）個 | 同步方式 | 觸發同步和始波同步二選一 | 浮動門 | I門浮動跟蹤可選 | 起始范圍 | 在0.02~500us范圍內以0.001us的步進可調 | 閘門寬度 | 在0.02~500us范圍內以0.001us的步進可調 | 閘門高度 | 在0~100%范圍內以0.1%的步進可調 | 報警邏輯 | 正邏輯和負邏輯二選一 | 報警可靠系數 | 0~15 | 門-門（測厚） | B-A門 | 測厚計算精度 | 0.37ns*材料聲速 | 厚度測量值顯示 | 最大值、最小值和平均值 | 報警輸出 | 可選，最多8項，由用戶自定義 |
2.3 測量效率和精度 單點測試用時不超過4s，在實時檢測模式下，可連續檢測。聲速時延測量精度最高0.37ns，應力測量精度在±10Mpa，分辨率為(0.37*聲彈系數)MPa。
2.4 線性度可靠性 線性度（非線性誤差）不超過0.297%，線性度測試結果如圖2.4.1所示。
圖2.4.1 線性度測試
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（a）7N01鋁合金標定驗證 （b）45#鋼全標定驗證 （c）鋁合金連續加載測試
2.5 重復可靠性 單點重復測試500次，測量值波動不超過±0.6MPa。測試結果如圖2.5.1所示。
圖2.5.1 重復可靠性測試
2.6 接口 圖2.6.1 儀器接口 ① 充電接口（DC24v）， 直流電源接口
② LAN：10M/100M以太網口
③ BNC探頭接口：T/R收發一體超聲探頭接口（一般用于探傷）
④ BNC探頭接口：T收發分離超聲探頭接口
⑤ USB接口，直通主控制器
⑥ USB接口，直通主控制器
2.7 續航能力
儀器內置鋰電池，可連續使用5~6小時?？赏饨舆m配器24v-5A （120W）進行充電。使用節能設計理念，信號源、采集單元和處理模塊可獨立上電和關閉，在不使用某個單元或模塊時，可單獨關閉。
2.8 補償技術 擁有溫度補償、材料晶粒修正、信號防抖、耦合狀態補償、噪聲抑制等技術。
2.9 工作環境 存放溫度：--20℃～70℃；使用溫度：-10℃～50℃；相對濕度：不大于95%。 2.10 主控制器
主項 | 子項 | 性能參數 | 系統參數 | 處理器 | Intel i5-4200U | 內存 | 4GB DDR3 | 磁盤 | 板載 32G，支持 SATA2.5"SSD、HDD 擴展 | 顯示接口 | 支持 HDMI 和 VGA | I/O 接口 | 網口 | 2*RJ-45 | 音頻 | LINE-in/out 端口 | USB | 接口面 2 個 USB2.0 和 2 個 USB3.0 | 串口 | 1*RS-232/485 | 觸摸屏 | 顯示屏 | 10.4"VGA TFT LED | 分辨率 | 1024x768 | 亮度 | 350cd/m2 | 對比度 | 600:1 | 最大色彩 | 16M | 顯示面積 | 304.13x228.10mm | 反應時間 | 8ms | 像素距離 | 0.297x0.297 | 最大視角 | (H)160/(V)160 | 類型 |
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3 應力檢測方法比較 目前，測量應力的方法主要分為兩大類：物理檢測法和機械檢測法。物理檢測法，如X射線衍射法、超聲波法和磁測法等，這些方法均屬于無損檢測，對工件不會造成物理損傷，但成本較高；機械法在測量的過程中要對工件體做全部或部分的破壞，例如切割法（又稱剖分法）和環芯法對工件的破壞較大，一般將具有殘余應力的部分從構件中分離或切割出來，使應力釋放，然后測量其應變的變化求出殘余應力，屬于間接測量手段。現有其他應力檢測手法比較如表3.1所示。
表3.1 應力檢測方法比較匯總表
方法 | 原理 | 適用對象 | 優缺點 | X射線衍射法
| 根據布拉格定律2dsinθ=nλ，當受力時d會發生變化，通過X射線譜位偏移的大小計算應力
| 常規法：彈性各向異性的同性晶態材料。側傾法：脆性、不透明材料
| 1）無損、準確、可靠； 2）成本高； 3）射線穿透能力有限，只能測量樣品表層幾微米厚度的應力； 4）存在輻射，長期操作人員有存在職業病
| 中子衍射法
| 與X射線衍射法類似，通過研究衍射束的峰值位置和強度來獲得應變和應力
| 復合材料、多相材料等
| 1）無損、穿透能力強； 2）空間分辨率可達到毫米量級； 3）可以測量材料內部的殘余應力； 4）成本高，無法用于現場測量； 目前國際上穩態堆上用此方法進行材料內部應力測量，但未廣泛開展使用
| 磁測法
| 利用鐵磁材料的磁致伸縮效應將應力的變化轉化成可以測量的電量來測量應力
| 鐵磁性材料
| 儀器輕便、操作簡單、測量速度快，但此法只有用于鐵磁性材料，且對材料結構等因素也較敏感
| Stoney公式法
| 利用Stoney公式通過測量鍍膜前后材料曲率半徑的變化計算殘余應力。
| 懸臂梁法：適合基片彈性好、厚度均勻、薄膜厚度與樣品長度比值較小的器件；基片曲率法：主要應用于基底是圓形或長方形的材料
| 無損、可用于現場測量
| 剝層曲率半徑法
| 對基片采用雙層鍍膜，通過測量曲率的半徑變化，利用Stoney公式計算應力
| 硬質薄膜材料
| 工藝相對繁瑣，不適合現場測試
| 盲孔法
| 通過鉆孔釋放樣品應力，通過測量應變計上的應變利用彈性理論計算應力
| 各向同性的彈性材料，對一般金屬材料要需要修正計算方法
| 操作繁瑣、測量精度高，但對構件造成損傷，并且粘貼應變片需要一定的工藝要求
| 裂紋柔度法
| 釋放被測物的殘余應力，通過測定相應的應變、位移或轉角等量值，計算分析殘余應力
| 各種熱（冷）軋板材表層與全厚應力分布
| 應變測量元件的靈敏度大，具有更好的敏感性和精確性，但測試誤差有待研究
| 納米壓痕法
| 采用硬度試驗方法、借鑒盲孔法的應變測量思想、根據應力場干涉理論而形成的一種全新的殘余應力測量方法
| 薄膜材料
| 有極高的力分辨率和位移分辨率、能連續記錄加載和卸載期間載荷位移的變化
| 濺射深度剖析法
| 應力致擴散前后的深度剖面發生變化
| 薄膜材料
| 需在薄膜內產生較大的應力，深度剖析有較高的深度分辨率，目前該方法還沒有任何報道
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