四通道差分式超聲應力檢測儀的設計與實現

馬加濤,何攀聰,駱 琦,紀軒榮,袁懋誕

(1.廣東工業大學 機電工程學院,廣州 510006;2.廣州多浦樂電子科技股份有限公司,廣州 510663)

殘余應力是消除外部機械載荷和不均勻溫度場之后,仍然存在于材料內部的應力[1]。焊接、鍛壓、切削加工、噴丸、熱處理等過程都會使材料產生不均勻塑性變形或者相變,導致殘余應力的出現。殘余應力,尤其是殘余拉應力,一般情況下是有害的,會導致工件變形和尺寸不穩定,產生應力疲勞、加速應力腐蝕等。因此,殘余應力的精準、可靠測量,對于完善工件的制造工藝和保證其安全使用有重要的意義[2-3]。

根據對工件的影響,金屬結構件的殘余應力檢測方法可以分為有損檢測和無損檢測。有損檢測主要原理是通過破壞工件進行殘余應力的釋放,通過測量殘余應力釋放過程中的位移或者應變來計算該工件中的殘余應力。常見的有損檢測方法有鉆孔法、切條法等。無損檢測方法是利用工件內殘余應力引起的聲、光、磁等特性變化,借助專用儀器對殘余應力進行檢測。殘余應力無損檢測方法主要包括壓痕應變法、X射線衍射法[4]、磁測法[5]、超聲法等。與其他方法相比,超聲法不會對工件產生破壞,操作簡單,檢測效率高,且對檢測環境要求低。現有超聲應力檢測根據所使用的波型可以分為體波法、臨界折射縱波法、表面波法和導波法等。HE等[6]使用臨界折射縱波對變截面不銹鋼工件的絕對應力進行了測量,并使用應變片驗證測量結果。HU 等[7]通過有限元仿真優選了非線性超聲表面波的檢測頻率,并實現了不同鋁合金的應力測量。原帥等[8]研究了薄板結構中不同模態蘭姆波對應力的敏感程度,并對薄板多個位置進行了應力測量,檢測誤差小于±15 MPa。

現有超聲應力檢測研究主要在試驗室環境下通過常規超聲檢測裝置進行,設備的集成度低、便攜性差,無法滿足實際現場快速、靈活的檢測需求。近年來,國內外研究人員陸續研制出更適合現場檢測的便攜式超聲應力專用檢測設備。STEPOMSKI等[9]分析了螺栓中超聲導波的多模態和頻散特性,并研制出了基于線性調頻壓縮技術的便攜式螺桿應力檢測儀。華東理工大學李海權等[10]采用MSP430單片機結合使用直流升壓電路產生的高壓尖脈沖研制出基于臨界折射縱波的超聲應力檢測儀,并通過聲彈性系數的標定試驗驗證了應力測量的可行性。宋文濤等[11]將超聲應力檢測系統和調控系統相結合,實現了工件應力的自主調節與監測。

雖然這些超聲應力檢測設備能夠滿足特定場景下的應力檢測,但實際檢測效果受環境溫度和耦合狀態的影響很大。溫度會引起傳播聲速和聲程變化,因此,通常需要通過溫度標定進行溫度補償[12-13]。此外,當工件中存在應力梯度時,通常需要更換不同頻率的超聲探頭進行不同深度的應力測量。這會引起探頭與工件之間聲學耦合條件的改變,而超聲應力測量設備需要對納秒級的時間變化進行精確測量,因此,頻繁更換探頭會嚴重影響超聲應力測量的準確度。針對這些問題,文章開展了基于臨界折射縱波的四通道差分式超聲應力檢測儀研制工作。通過設計組合式超聲探頭實現4個不同頻率的超聲激勵,并通過雙通道接收的差分方式自動補償溫度對應力檢測結果的影響。最后利用所研制儀器對鋁合金與鈦合金結構進行應力系數標定和應力測量分析。

1 差分式臨界折射縱波應力測量原理

超聲應力測量的基本原理是聲彈性效應。最早由HUGHES和KELLY推導出介質內彈性波聲速與應力的關系[14],不同模式超聲對應力的敏感程度不一,而臨界折射縱波是所有模態中對應力最敏感的模態[11,15]。當材料內存在應力且在材料的彈性極限以內時,超聲臨界折射縱波沿著應力方向傳播的速度隨應力大小改變,其相互關系為

式中:v0和v分別為無應力和有應力狀態下臨界折射縱波的傳播速度;σ為材料中的應力;k為聲彈性系數,與材料的彈性常數相關。

式中:λ和μ為材料拉梅常數,代表其二階彈性模量;m和l是材料的三階彈性模量。

對式(1)求導得

由于應力對超聲波傳播速度的改變非常小,可以認為v≈v0,因此,聲速變化可近似為一階無窮小,將式(3)簡化為

若測得應力狀態下臨界折射縱波傳播速度的改變量dv,代入式(4)則可以算出應力值σ。若臨界折射縱波的傳播距離固定為L,對應的傳播時間為

此時工件中的應力變化可表示為

由式(5)可知,被測工件中應力大小與聲波傳播時間變化呈線性關系。因此,可以通過臨界折射縱波的聲時差實現應力測量。

由于材料中的聲速和聲程還會隨著環境溫度變化,且這種變化量在超聲應力測量中不可忽略,為了盡量避免溫度對應力測量的影響,采用一發兩收方式進行系統設計。雙接收式臨界折射縱波應力檢測系統結構示意如圖1所示,其工作時,超聲在楔塊中以第一臨界角斜入射,可在被測材料中激勵出沿近表面傳播的臨界折射縱波,此時根據斯涅爾定律,入射角即第一臨界角為

式中:v l1和v l2分別為楔塊和被測材料中的縱波聲速。

沿結構表面傳播的臨界折射縱波被兩個接收探頭以同樣角度接收。當兩接收探頭之間的應力發生變化時,其聲波傳播時間隨之變化。探頭1和2接收到臨界折射縱波的時間t1和t2分別為

式中:L1為發射探頭與接收探頭間的距離;L2為雙接收探頭的距離;L0為楔塊內部聲程。

雙接收探頭的時間差Δt為

假設當溫度T發生變化時,楔塊與被測試件中聲速都會隨之發生線性變化,溫度系數分別為αl1和αl2,則單探頭接收與雙探頭接收兩種情況下,時間隨溫度變化可分別表示為

由于楔塊中聲速的溫度系數通常大于被測金屬材料的溫度系數,采用雙探頭接收的差分式檢測系統可以大幅度降低溫度對聲時的影響。且僅需考慮雙接收探頭的距離L2,而不用考慮發射與接收楔塊中的超聲傳播路徑,從而避免了實際聲程不確定帶來的計算誤差。此外,聲程的準確測量可以在測量范圍改變時快速確定應力系數,無需重新進行應力系數標定。

此外,臨界折射縱波的傳播深度與超聲波的頻率有關,其經驗公式為D=V×f-0.96,其中V為被測材料的縱波聲速;f為臨界折射縱波的檢測頻率[11]。因此,基于上述一發兩收方式,調整激勵探頭的頻率,可以實現L2區域中不同深度的應力測量。因此,文章將發射探頭設計為四頻率組合式探頭,分別激勵4個晶片產生不同頻率的臨界折射縱波信號,檢測信號被兩個寬帶探頭同時接收,從而在無需更換超聲探頭的前提下實現不同頻率下的應力系數標定與應力測量。

2 四通道超聲應力檢測儀設計

2.1 總體結構設計

對常見金屬材料的殘余應力進行檢測時,應力導致的聲時差變化為納秒級別,因此,應力檢測儀的采樣率至少需要達到109Sa·s-1。同時,為了滿足不同厚度工件和不同深度的應力測量,儀器的頻率設計為0.5～20.0 MHz,對應激勵信號脈沖寬度為25～1 000 ns,與常規超聲探傷儀參數接近。由于檢測信號經過楔塊與被測工件衰減為毫伏級別,需要放大電路將其放大至可被采集卡接收,放大電路增益設計為0～110 d B。

設計的應力儀的結構框圖如圖2所示,主要包括主控制器、超聲檢測電路、輸入輸出設備和電源等模塊。為提高應力儀的集成度,應力儀以FPGA 為主控單元(采用INTEL公司Arria Ⅴ系列),該元器件屬于工業級應用產品,片上有1.9×105個邏輯單元,18個收發器,3個鎖相環,384個通用I/O(輸入/輸出)接口;外圍硬件包括晶振,JTAG(聯合測試工作組)接口、EPCS(串行存儲器)和EPCQ(四串行存儲器)、SDRAM(同步動態隨機存儲器)和SRAM(靜態隨機存取存儲器)。輸入輸出設備包括顯示屏、USB接口和鍵盤。儀器主機采用插入式電源適配器和鋰電池兩種供電方式,以適用于現場測試工作。

圖2 基于FPGA的超聲應力檢測儀結構框圖

2.2 超聲檢測電路設計

應力儀的檢測電路系統主要包括超聲激勵電路、信號處理和接收電路等。該儀器由4條相同超聲激勵電路組成,用于激勵發射探頭的4個晶片。為了提高回波信號的幅值穩定性和分辨率,應力儀通常使用負方波激勵發射探頭[16-17]。由于激勵探頭的負方波信號所需電壓較高,同時為了縮短下降沿時間,因此,場效應管Q1選擇耐壓值大、開關速度快的BSZ42DN25NS3-G,場效應管Q2 型號為TP2424。所選用場效應管驅動器型號為UCC27524,包含兩個驅動通道,能夠提供驅動場效應管Q1、Q2所需的大電流。設計的超聲激勵電路在輸出端可以輸出最大幅值為400 V 的負方波信號,同時可以通過FPGA控制電路使負方波的脈沖寬度(可調)為25～1 000 ns。

臨界折射縱波信號經過被測介質通過接收探頭進入信號處理電路。為了將接收到的信號中的高壓信號與放大電路隔離,保護放大電路,利用二極管的單向導電性,在放大電路的輸入處設置了雙向限幅電路。接收到的超聲信號電壓幅值一般為毫伏級別,為了避免其淹沒在環境噪聲中,需要放大電路對其進行放大。放大電路由3個AD603放大器組成,AD603單片可調最大增益為42 d B,可以通過外界電阻改變帶寬和增益大小。為實現所需0～110 d B的增益,前兩級放大電路程控增益調節范圍為0～40 d B,第三級程控增益調節范圍為0～30 d B。

應力檢測要求高采樣率以滿足微小渡越時間的測量,該儀器選用ADC08D的AD轉換器進行信號采集,其采樣率高達1 GHz,能將模擬信號轉化為分辨率為8 bit的數字信號。由于ADC08D為差分采集,因此還需利用差分放大器AD8330設計單端轉差分放大電路,從而將經過高通和低通濾波電路的單端信號轉變為差分信號。

2.3 應力儀程序設計

應力儀的程序設計包括硬件邏輯程序和操作軟件兩部分。硬件邏輯程序使用硬件描述語言Verilog進行編寫,開發軟件為Quartus,同時可作為硬件電路驅動部分硬件,包括脈沖激勵、AD轉換器和顯示屏等。操作軟件由C++編寫,用來控制所有的硬件設備,并實現應力檢測功能。檢測過程中,應力儀將兩個接收探頭接收到的臨界折射波信號在屏幕上進行顯示,該顯示界面如圖3所示,調整閘門大小和位置框選頭波信號后,儀器分別獲取閘門內信號幅值出現的時間,得到所需的聲時差Δt,同時顯示和記錄測量得到的應力值σ。

圖3 四通道應力儀界面

2.4 四頻率發射探頭的設計與制備

設計并制備了適配檢測儀的四頻率組合式超聲發射探頭,該探頭的結構和實物如圖4所示。其主要包括匹配層、4個并列排布的不同頻率的壓電晶片(晶片頻率分別為0.50,2.25,5.00,7.50 MHz)、吸聲材料、阻尼塊、電纜線和外殼等,探頭封裝后的探頭尺寸為20 mm×13 mm×16 mm(長×寬×高)。在實際應力檢測工程應用中,探頭的各晶片頻率和尺寸可以根據實際結構的厚度和深度要求進行設計與調整。文章所設計0.50 MHz主要用于驗證應力儀在低頻范圍的激勵效果,為工程實踐中厚板應力測量提供技術支撐,而2.25,5.00,7.50 MHz為超聲檢測的常用工作頻率。在測量過程中,應力儀分別激勵該探頭的4個晶片,能夠在不更換探頭的前提下使被測介質內產生不同頻率的臨界折射縱波,避免應力測量過程中更換探頭所導致的位置和耦合誤差。

圖4 四頻率探頭結構示意與實物

3 檢測系統測試與結果分析

3.1 不同頻率臨界折射縱波的激勵

對儀器的硬件與軟件整體調試之后,則需要對4個不同頻率的臨界折射縱波進行激勵和測試,通過標準拉伸試驗對不同材料的應力系數進行標定,再對應力測試結果進行分析,以評估檢測儀的整體性能。為保證探頭的準直和耦合,文章設計和制作了相應滑軌和夾持裝置,該裝置可以根據工件尺寸和應力分布情況進行探頭和楔塊位置的調整和固定,兩接收探頭最小間距為15 mm,試驗中相對位置設置為60 mm,以驗證儀器的均勻應力標定與測試效果。

首先,選用7 N75鋁合金試件進行臨界折射縱波的激勵試驗,工件尺寸為25 mm×25 mm×155 mm(長×寬×高,下同),其縱波聲速為6 260 m·s-1。楔塊選用的材料為聚苯乙烯,該材料中的聲速為2 337 m·s-1,根據式(6)計算得到臨界折射角約為22°。檢測儀激勵發射探頭,信號經過該工件傳播后,接收探頭接收到的各頻率超聲信號如圖5所示。從圖5可以看到,4個頻率均可以在25 mm 厚的鋁板中產生臨界折射縱波,且到達時間接近,但各頻率的能量峰值到達時間不一致,而且頻率越低,其偏差越大,尤其是0.5 MHz晶片,說明對有限厚度金屬板,下邊界的限制會產生一定程度的頻散現象。為有效地在結構中激勵臨界折射縱波,所激勵的臨界折射縱波波長需要遠小于試件的結構厚度。同時,隨著頻率的增加,由于超聲信號的衰減增大,接收信號的幅值也隨之減小。因此,需要適當控制臨界折射縱波激勵探頭與接收探頭之間的距離。

圖5 鋁板中不同頻率的臨界折射縱波信號

3.2 臨界折射縱波應力系數標定

為實現超聲應力測量,首先需要對材料的應力系數進行標定。為獲得準確應力,通常使用符合國家標準的拉伸機精確地產生均勻拉伸載荷,得到標準拉伸應力。文章通過拉伸機對均勻薄板試件進行標準拉伸,如圖6所示。受限于拉伸機夾持尺寸,拉伸試件厚度約為6 mm,試件材料為7N75鋁合金和TC4鈦合金,尺寸分別為400 mm×44.5 mm×6.22 mm 和400 mm×45.4 mm×6.44 mm。此外,由于0.5 MHz晶片在該厚度薄板中會產生大量蘭姆波信號,難以分離出臨界折射縱波信號,但根據超聲應力檢測原理,臨界折射縱波的應力系數僅與材料性質有關,在應力系數確定后,可以利用0.5 MHz晶片對厚度超過12 mm 的金屬板進行實際應力檢測。故文章僅對2.25,5.00,7.50 MHz 3個頻率進行臨界折射縱波應力系數標定和測試。

圖6 應力儀的標準拉伸試驗現場及拉伸試件

在應力系數標定試驗中,使用電子萬能試驗機對工件進行拉伸,每次測量點不少于10個,每個應力狀態保持不少于3 min,使用應力儀記錄雙接收探頭所采集信號的聲時差。重復上述過程4次,最終得到3個頻率的拉應力與聲時差的關系如圖7所示。為綜合考慮探頭耦合、頻率、人為操作等因素的影響,對所有的標定試驗數據進行線性擬合,擬合得到的直線斜率即為對應材料的聲彈應力系數。可知,7N75鋁合金的聲彈應力系數為2.640 MPa/ns,TC4鈦合金的聲彈應力系數為5.658 MPa/ns。

3.3 應力測試及誤差分析

將應力系數輸入到超聲應力儀中,分別對7N75鋁合金和TC4鈦合金進行拉伸和應力測試,將加載獲得的拉伸應力與超聲應力儀測量得到的應力值進行對比,分析超聲應力儀的測量誤差。試驗結果如圖8所示,可以看到,超聲應力儀的測量結果與實際應力數據基本吻合。其中,7N75鋁合金的應力檢測誤差最大為20.6 MPa,TC4鈦合金的應力檢測誤差最大為24.1 MPa,都在±30 MPa以內,證明了所研制的超聲應力儀可以準確地測量鋁合金和鈦合金的應力。

圖8 鋁合金及鈦合金的超聲應力檢測結果

4 結論

基于臨界折射縱波的聲彈性效應對金屬結構不同深度應力的超聲檢測方法進行了研究,設計并研制了差分式四通道超聲應力檢測儀,并對鋁合金和鈦合金試件進行了應力系數測量和應力測試,得到以下結論。

(1) 以FPGA為主控單元設計了超聲應力檢測儀,同時,利用程序控制放大器實現0～110 d B的高增益范圍可調,配合高達1 GHz的采樣芯片,能夠實現超聲信號納秒級時間的準確測量。

(2) 設計了四頻率組合式超聲激勵探頭,該探頭可以在不改變耦合條件和探頭位置的情況下實現不同頻率的測量,為不同深度殘余應力檢測提供技術支撐。

(3) 基于雙寬帶接收探頭設計了差分式四通道應力儀,可以減少環境溫度帶來的聲速和聲程誤差。

(4) 標準拉伸試驗結果表明,該系統工作穩定,對鋁和鈦合金薄板的殘余應力檢測誤差在±30 MPa以內,能夠滿足實際結構的應力測量需求。