[发明专利]基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，其特征在于，该装置包括：发射换能器、两个接收换能器、超声波发生器和PC机；

所述发射换能器固定在待测圆管的一端，用于激发沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的T(0,1)扭转模态超声导波；

两个接收换能器沿轴线以间距L固定在待测圆管的中间段，分别接收沿圆管传输的T(0,1)扭转模态超声导波；

所述PC机用于设定沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称的T(0,1)扭转模式超声导波的参数，将参数传输到所述超声波发生器，接收来自接收换能器的超声导波信号，识别两个接收换能器接收到相同模态超声导波信号的时间间隔，计算得到导波群速度，基于温度修正后的群速度和轴向应力的线性关系实现圆管轴向应力测量。

2.根据权利要求1所述的基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，其特征在于，所述发射换能器采用由金属条和线圈组成的磁致伸缩换能器，所述磁致伸缩换能器沿环向固定在待测圆管的一端。

3.根据权利要求1所述的基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，其特征在于，所述接收换能器采用横波压电探头，通过环氧树脂粘合剂沿轴线固定在待测圆管上。

4.根据权利要求1所述的基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，其特征在于，所述接收换能器的间距L应大于某一可试验测得的值，使得圆管在无应力状态下测得的导波群速度保持稳定而不受接收换能器的间距影响。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述装置进行圆管轴向应力测量的方法，其特征在于，该方法包括标定和测量两个步骤；

标定步骤首先测定不同环境温度t不同轴向应力σ下的导波群速度V，然后标定圆管材料的声弹性系数K，并获得不同环境温度下圆管轴向应力与导波群速度的线性关系式：

其中，t为环境温度，为零应力状态下导波群速度，K_t为圆管材料的声弹性系数，σ为待测圆管轴向应力，V_t为导波在轴向应力为σ的待测圆管中传播的群速度；

测量步骤首先测得导波在待测圆管内传输的群速度，同时测得当下的环境温度，采用该温度下圆管轴向应力与导波群速度的线性关系式计算得到待测圆管的轴向应力；

沿圆管轴向传输、质点振动方向为切向的轴对称T(0,1)扭转模式超声导波没有频散且传输速度仅与圆管的材料和环境温度有关，测量材质一致但不同尺寸圆管的轴向应力无需重复标定步骤。