高強(qiáng)度螺栓聲速檢測(cè)的壓電換能器研究應(yīng)用設(shè)計(jì)

肖嘉偉

摘要：為了建立快速簡(jiǎn)單的高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，本文從超聲波傳播理論出發(fā)，建立無應(yīng)力下螺栓聲速關(guān)系，研究了壓電換能器設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)選擇出了適合檢測(cè)螺栓聲速的壓電換能器，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從改進(jìn)壓電換能器出發(fā)能夠直接檢測(cè)螺栓聲速，并且保證了檢測(cè)精度要求，為超聲檢測(cè)螺栓應(yīng)力提供了新思路和方法。

關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè);聲彈性;聲速檢測(cè);壓電換能器

0 ?引言

螺栓，作為工業(yè)工程中最普遍連接件，廣泛應(yīng)用于航空航天、核能化工、水利發(fā)電、儀器儀表、新能源等工業(yè)領(lǐng)域[1]，起連接零件、密封機(jī)械、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)等作用。可以說，螺栓連接了制造業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，螺栓上施加的應(yīng)力是否在有效承受范圍內(nèi)，直接影響了整個(gè)設(shè)備或者結(jié)構(gòu)性能、壽命和安全可靠性。

目前，國內(nèi)外的螺栓應(yīng)力超聲檢測(cè)方法主要有兩種：?jiǎn)尾ǚê蜋M縱波聯(lián)合檢測(cè)法[2]。兩種方法都屬于間接檢測(cè)方法，即測(cè)量渡越時(shí)間來檢測(cè)螺栓應(yīng)力，渡越時(shí)間法的由于精度達(dá)到納秒級(jí)別，因此對(duì)設(shè)備精度要求非常高。聲速法測(cè)應(yīng)力有學(xué)者已經(jīng)提出[3]，但是由于無法直接檢測(cè)螺栓聲速，還是從檢測(cè)螺栓聲時(shí)出發(fā)得到理論結(jié)果。近年來，隨著超聲技術(shù)和理論的完善，檢測(cè)材料聲速的儀器在無損檢測(cè)領(lǐng)域日漸成熟，這使得直接檢測(cè)螺栓聲速有了現(xiàn)實(shí)的可能。本文將從固體聲學(xué)理論和聲彈性理論出發(fā)，建立無應(yīng)力下的螺栓聲速關(guān)系，然后考慮溫度的影響對(duì)其進(jìn)行修正。在理論上對(duì)壓電換能器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析，然后結(jié)合被測(cè)高強(qiáng)度螺栓的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)出適合檢測(cè)高強(qiáng)度螺栓聲速的壓電換能器，并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 ?螺栓應(yīng)力壓電換能器設(shè)計(jì)理論研究

根據(jù)固體中的聲波方程，考慮標(biāo)量勢(shì)和矢量勢(shì)的分離，可以得到簡(jiǎn)化的兩類平面波的聲波傳播速度公式[4]：

式中：CL代表固體中的縱波傳播速度，CT代表橫波傳播速度，λ和μ為各項(xiàng)同性的Lame常數(shù)，ρ為材料密度。從式（1）和式（2）可以看出，縱波聲速約為橫波的兩倍。

在無應(yīng)力情況下，聲彈性理論與固體聲傳播理論相一致，且與之相關(guān)的是固體材料的Lame常數(shù)，對(duì)于各項(xiàng)同性固體來說，完全可以用楊氏模量E和泊松比ν表征其彈性性質(zhì)：

根據(jù)溫度對(duì)聲速的影響，我們可以根據(jù)公式進(jìn)行修正，推導(dǎo)應(yīng)力與超聲波速的關(guān)系，最終完成對(duì)螺栓應(yīng)力的超聲檢測(cè)。可以發(fā)現(xiàn)，超聲波的傳播速度是螺栓應(yīng)力的檢測(cè)的核心因素，若能直接檢測(cè)聲速對(duì)應(yīng)力檢測(cè)是一種非常方便快捷的方法，而壓電換能器是檢測(cè)聲速的最基本最重要的器件。

壓電換能器是將電、聲波信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的器件，其種類繁多且性能各異，其本質(zhì)上是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，其原理是利用壓電晶片的壓電效應(yīng)完成高頻電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，一般由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護(hù)膜和外殼組成[5]，對(duì)壓電換能器的設(shè)計(jì)核心問題就是對(duì)壓電晶片的進(jìn)行聲學(xué)特性分析。基于壓電效應(yīng)，壓電晶片產(chǎn)生聲波，聲波源附近軸線上最后一個(gè)聲壓極大值致波源的距離為近場(chǎng)區(qū)長度N：

2 ?實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)螺栓為M36X200的偏航制動(dòng)器高強(qiáng)度螺栓，根據(jù)超聲檢測(cè)要求，需要對(duì)螺栓檢測(cè)面進(jìn)行加工處理，考慮到螺帽作為入射面，在機(jī)床或者車床上不方便加工，因此采用拋光機(jī)打磨，保證入射面粗糙度小于Ra3.2，最終螺栓長度為225.56mm。彈性模量為210MPa，屈服強(qiáng)度大于800MPa。

根據(jù)螺栓尺寸參數(shù)及理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)選擇了三種不同規(guī)格尺寸的壓電換能器，換能器具體參數(shù)如表1。

雙晶探頭有兩塊壓電晶片，發(fā)射和接受壓電晶片是獨(dú)立的，而單晶探頭只有一塊壓電晶片，同時(shí)充當(dāng)發(fā)射和接受功能，匹配層材料均選用環(huán)氧樹脂，保證檢測(cè)精度和耐磨性所有換能器阻尼50ohm，激勵(lì)信號(hào)源選用高斯連續(xù)脈沖信號(hào)。

超聲發(fā)射接收顯示儀采用Doppler Anyscan36，該設(shè)備顯示的是超聲波的全波，并且進(jìn)行了基本的降噪濾波處理，保證了實(shí)驗(yàn)器材精度。設(shè)備儀器能夠通過對(duì)兩個(gè)已知聲程（S1和S2）和回波（B1和B2）的時(shí)間進(jìn)行聲速和探頭零點(diǎn)計(jì)算。整個(gè)檢測(cè)環(huán)境位于恒溫實(shí)驗(yàn)室中，保證檢測(cè)溫度在25C°。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)采集卡將采集的信號(hào)保存，并在PC端分析，三個(gè)探頭的回波信號(hào)圖如圖1所示。

在圖1（a）中，采用的是雙晶探頭DA2.5P20，由于晶片發(fā)射和接受信號(hào)都是獨(dú)立的，相當(dāng)于晶片面積縮小一半，此時(shí)增加了近場(chǎng)區(qū)的長度，同時(shí)由于半擴(kuò)散角大于螺栓檢測(cè)角度，出現(xiàn)了側(cè)壁干涉現(xiàn)象，這無疑會(huì)增大檢測(cè)難度和降低精度。在圖1（b）中，采用單晶探頭N2.5P20，由于超聲信號(hào)的接受和發(fā)射都是統(tǒng)一的，因此晶片尺寸為實(shí)際尺寸，從回波信號(hào)圖可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁干涉現(xiàn)象大大減小，但是由于頻率不高還是存在一些抗信號(hào)干擾不強(qiáng)的問題，因此在保證衰減系數(shù)滿足檢測(cè)條件的情況下，提高頻率的同時(shí)提高晶片尺寸，采用了單晶探頭N5P20，回波信號(hào)如圖1（c），可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)信號(hào)在信號(hào)強(qiáng)度和抗干擾能力上都有所增加。

由于螺栓的聲速是一個(gè)常數(shù)，在已知聲程的情況下，檢測(cè)出聲時(shí)就能得到聲速。如果檢測(cè)聲速符合材料理論聲速范圍說明檢測(cè)的聲時(shí)在理論范圍內(nèi)。對(duì)于聲速的檢測(cè)采用過零檢測(cè)法，檢測(cè)原理如圖2所示。

聲速波形選擇并不是從起始發(fā)射波0#到第一次回波1#，而采用第一次回波1#和第二次回波2#的聲時(shí)間隔，采用這種聲時(shí)間隔選擇不僅可以消除諸如電路帶來的系統(tǒng)誤差，同時(shí)也能大大減少超聲衰減帶來的檢測(cè)精度影響[72]。在選擇回波過零檢測(cè)邏輯門時(shí)，一般設(shè)置在1#和2#的中間位置，能夠有效避免回波前沿和后沿畸變?cè)斐傻臏y(cè)量誤差，因此分別在1#和2#設(shè)置了邏輯門A和B，檢測(cè)儀器設(shè)備內(nèi)設(shè)置了閘門線，只需把閘門線移動(dòng)至邏輯門的位置，通過計(jì)算就能直接得到聲速值。為了保證可信度，檢測(cè)十次求平均值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得M36X200螺栓在N5P20單晶探頭檢測(cè)下聲速值為5919.6m/s，根據(jù)超聲無損檢測(cè)手冊(cè)[73]，鋼結(jié)構(gòu)的縱波在5900～5950m/s之間，檢測(cè)結(jié)果符合理論范圍。

3 ?結(jié)論

本文通過超聲理論研究和壓電換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察，設(shè)計(jì)研究出適合檢測(cè)螺栓聲速壓電換能器，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了實(shí)際檢測(cè)中適合測(cè)量螺栓聲速的壓電換能器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，且能夠保證精度要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，從硬件優(yōu)化檢測(cè)螺栓聲速而結(jié)合理論去檢測(cè)螺栓應(yīng)力這一方法是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉鎮(zhèn)清，華劍南，梁穗，王路.螺栓材料應(yīng)力與聲速、溫度關(guān)系的測(cè)定[J].應(yīng)用聲學(xué)，1997（05）：26-31.

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[5]林書玉.超聲換能器的原理及其設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.