机械领域专利申请技术交底书
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机械领域专利申请技术交底书
发明名称
一种距离可调以及角度同步可调的临界折射纵波应力检测装置及方法
二、技术领域
该发明属于超声无损检测领域，可以应用在金属材料以及复合材料的平面应力场测量领域中。
三、背景技术
在机械零部件的加工制造以及使用过程中，应力的产生是及其普遍的，应力主要表现为残余应力和结构承力，这些应力的存在不仅会降低工件的疲劳强度，而且会导致结构在循环载荷的作用下产生变形和开裂等工艺缺陷，在使用过程中更是会使这些损伤加剧，从而导致结构强度和稳定性的大幅下降，因此为了保证结构在服役过程中的安全性，对关键结构定期进行应力检测具有重要意义。基于超声波的声弹性效应，可以实现对被测对象内部应力进行无损检测，在各种模式的超声波中，临界折射纵波对其传播方向的应力敏感度最高，而且测量装置简单，可以实现被测对象平面应力场的快速、高精度在役测量。
2017年张某某等在发明专利CN***4020.8中，公开了“一种测量各向异性材料平面应力的装置”，该方法基于各向异性三向法，设计了正八边形的超声斜入射楔块，采用六个超声换能器组成三个“一发一收”的结构形式，但是这种方法仅适用于单一材料，如果换一种材料，声速发生变化，即需要重新加工具有不同角度的斜入射装置，增加了测量成本。2019年刘某某等人在发明专利CN***6A中公开了“一种复合材料表面应力超声测量方法”，该方法设计了可变入射角度的超声测量装置，通过调节换能器偏转角度，可以实现在具有各向异性的复合材料的不同方向激励出临界折射纵波，从而大大提高检测装置的适用范围，但是该装置中两个换能器的距离固定，在测量不同材料或者沿复合材料的不同方向测量时，测量适应性较低，对于速度较大的情况，为了有效辨识声时差，发射探头和接收探头之间的距离应较大；但是对于声速较小的情况，可以减小发射探头和接收探头之间的距离，提高应力检测的空间分辨力。同时该方法中发射换能器的入射角度和接收换能器的接收角度需要分别进行调整，无法精准保证两个换能器的偏转角度一致，从而会影响临界折射纵波接收信号的质量，降低应力检测灵敏度。
四、发明内容（此部分为专利的核心）
针对现有方法的不足，本发明面向在役平面应力场测量需求，发明了一种距离可调以及超声换能器偏转角度同步可调的临界折射纵波应力检测装置及方法，在现有机械结构方案基础上，创新性地引入了收发探头联动结构和螺纹丝杠结构，通过这个联动结构和螺纹丝杠结构的相互配合，可以实现发射探头和接收探头的偏转角度同步可调；同时再添加一个螺纹丝杠结构，将收发两端的楔块进行连接，可以进一步实现收发探头之间的传播距离精确可调，通过机械结构的改进，大大提高了发明装置的适用范围，同时利用多角度测量方案，可以实现被测对象平面应力场的精准测量。
本发明采用的技术方案是一种距离可调以及超声换能器偏转角度同步可调的临界折射纵波应力检测装置及方法，其特征是，首先根据检测装置目标偏转角度范围和收发探头距离范围设计检测装置的关键零部件，根据装置中使用的弧形楔块的半径，选择合适的凹面换能器，利用凹面换能器自身的聚焦性能，提高临界折射纵波信号发射能量，从而有效保证接收换能器信号的信噪比，将收发换能器与变角度和变距离装置进行组装；然后集成超声脉冲收发系统，利用单通道高频高压脉冲装置发射负尖波脉冲，激励发射探头在被测对象内部产生临界折射纵波，将接收通道的探头与高带宽接收放大装置进行连接，经过一级模拟放大与滤波后，利用单通道高速数据采集系统对接收信号进行采集，将采集到的信号通过PCIE总线实时发送到PC端进行数据处理；最后，通过 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 每次测量得到的结果，计算被测材料的声弹性常数，然后对多次测量结果取平均值，得到最终标定的声弹性常数K11，K22和K12。最后对被测对象进行测量时，得到三个方向传播下，被测对象相对零应力标准件的传播声时差，然后建立公式（3）中的三个方程组，联立方程组即可确定测量位置的平面应力场。
本发明提出的距离可调以及角度同步可调测量装置有效保证了不同测量对象的最优空间分辨力，同时解决了超声探头收发角度调整复杂以及角度不一致的问题，有效提高了检测装置的适用范围，而且建立多角度平面应力场测量方法，通过联立三个方程，可以完整得到被测对象的平面应力场。
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