專利名稱：材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉材料內(nèi)應(yīng)力測(cè)量裝置，尤其涉及材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
材料內(nèi)應(yīng)力對(duì)于機(jī)械構(gòu)件的性能影響極大，對(duì)于某些關(guān)鍵部件(如軋輥)，內(nèi)應(yīng)力可以說(shuō)是存在其內(nèi)部的一種無(wú)形缺陷，直接影響著它的工作狀態(tài)、使用壽命和安全性能，因此，準(zhǔn)確可靠而又簡(jiǎn)便易行地檢測(cè)出機(jī)械構(gòu)件內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力就顯得尤為重要了。
內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量方法可以分為有損和無(wú)損兩大類，有損測(cè)試方法也叫應(yīng)力釋放法，屬于機(jī)械的方法；無(wú)損測(cè)試方法屬于物理的方法，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生損傷。物理測(cè)定法主要包括X射線衍射法、磁性法、超聲波法等無(wú)損檢測(cè)方法。
超聲波測(cè)量法是利用材料的聲彈效應(yīng)，即施加在材料上的內(nèi)應(yīng)力變化引起超聲波傳播速度的變化，變化的大小取決于超聲波的波型、傳播方向、材料組織和應(yīng)力狀況等，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定超聲波在構(gòu)件內(nèi)傳播速度的變化得出應(yīng)力分布。
日本專利JP57088333A公開了一種應(yīng)力分布檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置包括被分別安裝在聲楔材料上的兩個(gè)發(fā)射頻率各不相同的超聲波發(fā)射晶振和一個(gè)安裝在聲楔上的超聲波接收晶振，對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將安裝有超聲波發(fā)射晶振的聲楔，分別安裝在被測(cè)物體表面的不同位置處，并將裝有超聲波接收晶振的聲楔放在物體上的指定位置。由于不同頻率的超聲波的交叉點(diǎn)的位置受材料聲學(xué)性能的影響，很難保證每次測(cè)量時(shí)與超聲波接收晶振之間的距離保持不變，且不同頻率的超聲波由于應(yīng)力引起的聲速變化差值非常小，因此，該方法的測(cè)量準(zhǔn)確性受到影響。
中國(guó)專利02154474.3公開了一種超聲螺栓緊固力測(cè)試裝置，它包括分別安裝在螺栓端面的縱波換能器、橫波換能器，以及超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大器；安裝在被夾緊工件兩端面的位移傳感器、測(cè)厚電路、中央處理器；安裝在螺母端面的溫度傳感器、測(cè)溫電路、中央處理器；主控振蕩器、時(shí)基脈沖電路、用于存儲(chǔ)材料系數(shù)的只讀存儲(chǔ)器ROM等。它采用聲彈性原理，通過(guò)測(cè)量超聲波在螺栓中傳播速度確定螺栓的緊固力，由于螺栓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且只有軸向拉力，因此利用超聲波技術(shù)檢測(cè)螺栓的緊固力相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且只能用于鋼結(jié)構(gòu)上高強(qiáng)度螺栓的軸向應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)，對(duì)材料內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)，對(duì)被測(cè)試件不造成損傷，測(cè)試裝置較簡(jiǎn)單、易行，測(cè)試精度較高。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的一種材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，包括超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器，超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器置于被測(cè)試件表面，其特征是所述測(cè)量裝置還包括微型計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路、脈沖發(fā)射電路、超聲波信號(hào)放大電路，脈沖發(fā)射電路輸出接超聲波發(fā)射換能器，脈沖發(fā)射電路同時(shí)輸出接數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路輸入端，數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路輸出端接高速數(shù)據(jù)采集卡，超聲波接收換能器接收到從超聲波發(fā)射換能器發(fā)出的流過(guò)被測(cè)試件固定距離的超聲波信號(hào)后，輸出接超聲波信號(hào)放大電路，超聲波信號(hào)放大電路輸出接高速數(shù)據(jù)采集卡，高速數(shù)據(jù)采集卡接收到數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路輸出的超聲波基礎(chǔ)信號(hào)和超聲波信號(hào)放大電路輸出的超聲波信號(hào)后輸出接計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的超聲波信號(hào)傳播時(shí)間差運(yùn)算后，計(jì)算出材料內(nèi)應(yīng)力。
上述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，所述脈沖發(fā)射電路由一個(gè)7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器外接一個(gè)石英晶體振蕩器和一個(gè)電阻器15組成，其輸出接一個(gè)電容器16和一個(gè)電阻器17組成的微分電路，微分電路輸出接一個(gè)可控硅控制極和正極、可控硅負(fù)極并接一個(gè)電阻器19和一個(gè)電容器20，電阻器19的另一端接工作電壓，電容器20另一端輸出一個(gè)超聲波發(fā)射脈沖。
上述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，所述數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路由兩個(gè)電容器8，11、兩個(gè)電阻器9，10和穩(wěn)壓管組成，電容器8、兩個(gè)電阻器9、10和電容器11接成串聯(lián)電路，穩(wěn)壓管并接在串聯(lián)電路的中間。
上述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，所述超聲波信號(hào)放大電路由三級(jí)放大器組成，三級(jí)放大器電路相同，第一級(jí)放大器電路由運(yùn)算放大器21、耦合電容器22和電阻器23、24、25組成，信號(hào)接耦合電容器22后接入運(yùn)算放大器21正輸入端，電阻器23一端接運(yùn)算放大器21正輸入端，另一端接接地極，電阻器24一端接運(yùn)算放大器21負(fù)輸入端，另一端接接地極，運(yùn)算放大器21輸出端和負(fù)輸入端串接電阻器25，第三級(jí)的運(yùn)算放大器31輸出接耦合電容器36后輸出信號(hào)。
本實(shí)用新型應(yīng)用超聲波可以透過(guò)固體進(jìn)行傳播的物理原理，通過(guò)超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器較精確地測(cè)量出超聲波在被測(cè)試材料內(nèi)部傳播固定距離所用的時(shí)間，由該傳播時(shí)間與材料內(nèi)應(yīng)力之間的相互關(guān)系，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，進(jìn)而計(jì)算出材料內(nèi)應(yīng)力的大小。本實(shí)用新型對(duì)被測(cè)試件不造成損傷，測(cè)試裝置較為簡(jiǎn)單、易行，測(cè)試精度較高。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本實(shí)用新型材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置方框圖；圖2為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路的電路圖；圖3為脈沖發(fā)射電路的電路圖；圖4為超聲波信號(hào)放大電路的電路圖。
(五)
具體實(shí)施方式
參見圖1，一種材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，包括超聲波發(fā)射換能器4和超聲波接收換能器5。超聲波發(fā)射換能器4和超聲波接收換能器5置于被測(cè)試件的表面，脈沖發(fā)射電路3通過(guò)超聲波發(fā)射換能器4向被測(cè)試件材料發(fā)出超聲波，超聲波在被測(cè)試件材料內(nèi)部傳播一段固定的距離后，被超聲波接收換能器5接收。超聲波信號(hào)放大電路7將微弱的超聲波信號(hào)放大后，通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡2送往微型計(jì)算機(jī)1。數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路6的輸入端與脈沖發(fā)射電路3相連，其輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡2相連，從而保證了采集到的數(shù)據(jù)同步一致。微型計(jì)算機(jī)1根據(jù)超聲波在被測(cè)試件材料固定距離內(nèi)的傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出該材料內(nèi)應(yīng)力的大小。
參見圖2，數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路6由兩個(gè)電容器8、11和兩個(gè)電阻器9、10組成一個(gè)串聯(lián)電路，穩(wěn)壓管12并接在該串聯(lián)電路的中間。電容器8、11的作用是隔離直流，電阻器9、10的作用是限制電流，穩(wěn)壓管12的作用是將高壓發(fā)射脈沖降壓成低壓的同步觸發(fā)脈沖。
參見圖3，脈沖發(fā)射電路3由一個(gè)7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器13外接一個(gè)石英晶體振蕩器14和一個(gè)電阻器15組成。石英晶體振蕩器14的頻率為32768Hz，經(jīng)過(guò)7位二進(jìn)制分頻后，產(chǎn)生一個(gè)512Hz的方波信號(hào)，該方波信號(hào)加在一個(gè)電容器16和一個(gè)電阻器17組成的微分電路上，產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖。微分脈沖通過(guò)一個(gè)可控硅18、一個(gè)電阻器19和一個(gè)電容器20后輸出一個(gè)超聲波發(fā)射脈沖。
參見圖4，超聲波信號(hào)放大電路7由三級(jí)放大器組成，三級(jí)放大器電路相同。第一級(jí)放大器由運(yùn)算放大器21、耦合電容器22和電阻器23、24、25組成；第二級(jí)放大器由運(yùn)算放大器26、耦合電容器27和電阻器28、29、30組成；第三級(jí)放大器由運(yùn)算放大器31、耦合電容器32、36和電阻器33、34、35組成。運(yùn)算放大器所采用的電源為±12V。
本實(shí)施例中的元器件參數(shù)為超聲波發(fā)射換能器4由1個(gè)壓電晶體組成，諧振頻率為1MHz；超聲波接收換能器5由2個(gè)壓電晶體組成，諧振頻率為1MHz，兩個(gè)壓電晶體之間采用距離為L(zhǎng)的兩根金屬長(zhǎng)方桿連接固定；
高速數(shù)據(jù)采集卡2采用美國(guó)國(guó)家儀器公司NI5112型數(shù)據(jù)采集卡，其采集頻率為100MS/s，總線方式為PCI，通道數(shù)為2，每個(gè)通道的緩存為16MB，分辨率為8位；數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路6由二個(gè)2KV2000P的電容器8、11，兩個(gè)3W1K的電阻器9、10和一個(gè)1W5V的穩(wěn)壓管12組成；脈沖發(fā)射電路3采用一個(gè)7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器/分頻器13，外接一個(gè)32768Hz的石英振蕩器14和一個(gè)1MΩ的電阻器15，從中引出一個(gè)512Hz的方波信號(hào)，加在由一個(gè)63V2000P的耦合電容16和一個(gè)1/2W1KΩ的電阻器17組成的微分電路上，微分脈沖通過(guò)一個(gè)可控硅18和一個(gè)1W200KΩ電阻器19、一個(gè)2KV2000P的電容器20產(chǎn)生一個(gè)超聲波發(fā)射脈沖；超聲波信號(hào)放大電路7由三級(jí)放大器組成。第一級(jí)放大器由LF357運(yùn)算放大器21、63V2200P耦合電容22和1/2W1KΩ電阻器23、1/2W1KΩ電阻器24、1/2W10KΩ電阻器25組成；第二級(jí)放大器由LF357運(yùn)算放大器26、63V2200P耦合電容27和1/2W1KΩ電阻器28、1/2W1KΩ電阻器29、1/2W10KΩ電阻器30組成；第三級(jí)放大器由LF357運(yùn)算放大器31、63V2200P耦合電容器32、63V2200P耦合電容器36以及1/2W1KΩ電阻器33、1/2W1KΩ電阻器34、1/2W10KΩ電阻器35組成。運(yùn)算放大器21、26、31所采用的電源為±12V。
本實(shí)用新型超聲波測(cè)量裝置，可以無(wú)損測(cè)量軋輥材料的應(yīng)力大小，進(jìn)而為預(yù)測(cè)和延長(zhǎng)軋輥的使用壽命提供依據(jù)。
權(quán)利要求1.一種材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，包括超聲波發(fā)射換能器(4)和超聲波接收換能器(5)，超聲波發(fā)射換能器(4)和超聲波接收換能器(5)置于被測(cè)試件表面，其特征是所述測(cè)量裝置還包括微型計(jì)算機(jī)(1)、高速數(shù)據(jù)采集卡(2)、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)、脈沖發(fā)射電路(3)、超聲波信號(hào)放大電路(7)，脈沖發(fā)射電路(3)輸出接超聲波發(fā)射換能器(4)，脈沖發(fā)射電路(3)同時(shí)輸出接數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)輸入端，數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)輸出端接高速數(shù)據(jù)采集卡(2)，超聲波接收換能器(5)接收到從超聲波發(fā)射換能器(4)發(fā)出的流過(guò)被測(cè)試件固定距離的超聲波信號(hào)后，輸出接超聲波信號(hào)放大電路(7)，超聲波信號(hào)放大電路(7)輸出接高速數(shù)據(jù)采集卡(2)，高速數(shù)據(jù)采集卡(2)接收到數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)輸出的超聲波基礎(chǔ)信號(hào)和超聲波信號(hào)放大電路(7)輸出的超聲波信號(hào)后輸出接計(jì)算機(jī)(1)，經(jīng)計(jì)算機(jī)(1)對(duì)輸入的超聲波信號(hào)傳播時(shí)間差運(yùn)算后，計(jì)算出材料內(nèi)應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，其特征是脈沖發(fā)射電路(3)由一個(gè)7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器(13)外接一個(gè)石英晶體振蕩器(14)和一個(gè)電阻器(15)組成，其輸出接一個(gè)電容器(16)和一個(gè)電阻器(17)組成的微分電路，微分電路輸出接一個(gè)可控硅(18)控制極和正極、可控硅(18)負(fù)極并接一個(gè)電阻器(19)和一個(gè)電容器(20)，電阻器(19)的另一端接工作電壓，電容器(20)另一端輸出一個(gè)超聲波發(fā)射脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，其特征是數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)由兩個(gè)電容器(8，11)、兩個(gè)電阻器(9，10)和穩(wěn)壓管(12)組成，電容器(8)、兩個(gè)電阻器(9、10)和電容器(11)接成串聯(lián)電路，穩(wěn)壓管(12)并接在串聯(lián)電路的中間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，其特征是超聲波信號(hào)放大電路(7)由三級(jí)放大器組成，三級(jí)放大器電路相同，第一級(jí)放大器電路由運(yùn)算放大器(21)、耦合電容器(22)和電阻器(23)(24)(25)組成，信號(hào)接耦合電容器(22)后接入運(yùn)算放大器(21)正輸入端，電阻器(23)一端接運(yùn)算放大器(21)正輸入端，另一端接接地極，電阻器(24)一端接運(yùn)算放大器(21)負(fù)輸入端，另一端接接地極，運(yùn)算放大器(21)輸出端和負(fù)輸入端串接電阻器(25)，第三級(jí)的運(yùn)算放大器(31)輸出接耦合電容器(36)后輸出信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及材料內(nèi)應(yīng)力測(cè)量裝置。一種材料內(nèi)應(yīng)力超聲波測(cè)量裝置，其超聲波發(fā)射換能器(4)和超聲波接收換能器(5)置于被測(cè)試件表面，其特征是所述測(cè)量裝置還包括微型計(jì)算機(jī)(1)、高速數(shù)據(jù)采集卡(2)、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路(6)、脈沖發(fā)射電路(3)、超聲波信號(hào)放大電路(7)，脈沖發(fā)射電路輸出接超聲波發(fā)射換能器，并同時(shí)輸出接數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路輸入端，數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路輸出端接高速數(shù)據(jù)采集卡，超聲波接收換能器接收到流過(guò)被測(cè)試件固定距離的超聲波信號(hào)，輸出接超聲波信號(hào)放大電路后再接高速數(shù)據(jù)采集卡，高速數(shù)據(jù)采集卡輸出接計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的超聲波信號(hào)傳播時(shí)間差運(yùn)算后，計(jì)算出材料內(nèi)應(yīng)力。本實(shí)用新型較簡(jiǎn)單、易行，測(cè)試精度較高。
文檔編號(hào)G01N29/00GK2842393SQ200520043899
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者范群, 王寅觀, 孫大樂(lè), 李勇攀, 張國(guó)星, 秦仁喜, 李小兵, 滕會(huì)麗, 姚利松 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司