[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

说明书

本发明公开了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法。钢管轴向应力的无损检测对于在役钢管构件的结构健康监测至关重要，本发明基于声弹性理论，开发了一种利用扭转模态超声导波测量圆管轴向应力的装置。该装置包括发射换能器和两个接收换能器。实施时位于待测圆管一端的发射换能器激发出预期波，经圆管传播被两个间距L固定的接收换能器接收，通过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获得导波群速度。具体检测方法为，通过实验标定圆管轴向应力与导波群速度的线性关系；利用标定得到的线性关系，通过检测待测圆管的导波群速度推算得到待测圆管的轴向应力。

技术领域

本发明涉及超声导波无损应力测量技术，尤其涉及一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法。

背景技术

钢管被广泛用作结构构件，尤其是轴向受力构件。轴向应力的无损测量对于在役钢管构件的结构健康监测至关重要。钢构件的无损应力测量方法有多种，如电阻应变片传感、光纤传感、振弦传感、X射线衍射法、磁弹性法和超声波方法等。但其中电阻应变计、光纤传感器和振弦传感器必须预先在构件的无应力状态进行部署，才能测得构件服役状态下的绝对应力。其他方法，包括X射线法、磁弹性法和超声波法，不需要预先在无应力状态下进行部署就可以检测在役构件的绝对应力。但X射线衍射方法依赖于X射线束与材料的晶格之间的相互作用，且容易受到组件表面质量的影响；磁弹性方法由于需要磁化过程，其应用受到磁化条件的限制。

目前超声波测力方法主要用于测量焊接区域的残余应力以及高强度螺栓、钢轨和多股绞线的轴向应力，尚无法测量圆管轴向应力。此外现有的超声波测力方法大多利用超声波的纵向模态，对于采用扭转模态超声波测量构件应力的方法尚无报道。本发明提出了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法，弥补了该技术领域的空白。

发明内容

本发明的目的是弥补圆管轴向应力测量手段的不足，提供了一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本说明书的第一方面，提供一种基于扭转模态超声导波的圆管轴向应力测量装置，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

根据本说明书的第二方面，提供一种利用上述装置进行圆管轴向应力测量的方法，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；

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。