[发明专利]一种复合材料表面应力超声测量方法

摘要

本发明一种复合材料表面应力超声测量方法属于超声检测技术领域，涉及一种复合材料表面应力超声适应测量方法。该方法首先设计和组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器。其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接。最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量。本发明设计和组装了可变入射角超声测量装置，通过超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性。装置简单紧凑，提高了测量空间分辨率。该方法可满足面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求，实现机器人辅助的表面应力超声自动扫描测量。

主权项

1.一种复合材料表面应力超声测量方法，其特征是，首先，设计和组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器；其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接；然后，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接；最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量；具体步骤如下：第一步，设计并组装可变角度超声测量装置采用的可变角度超声测量装置为“一发一收”结构形式，一发指发射探头(1)，一收指接收探头(5)；固定连接超声测量装置的发射端(A)与接收端(B)，保证每次测量过程中超声传播路径长度d相同；在滑动组件(8)上部加工安装发射探头(1)和接收探头(5)的螺纹孔(2)与紧固用圆通孔(7)，长螺钉(6)通过圆通孔(7)与基体部分摇杆螺纹(11)连接；加工滑动组件下部(3)与基体上部(9)，并保证两者曲率相等；参考基体分度线调节滑动组件(8)满足入射轴线a和接收轴线c与基面法线b成第一临界折射角φ_θ，且三个轴线均在同一平面内，第一临界折射角φ_θ满足如下条件：其中，v₁为超声波在基体(4)中的传播速度，v_θ为超声波在被测材料(12)中的传播速度，θ为超声传播方向与纤维方向夹角；第二步，基于机器人的超声测量功能集成加工机器人末端长轴(E)与超声测量装置端长轴(F)，并通过弹性联轴器(D)与超声测量装置连接；示教与设计机器人(C)运动轨迹，优化机器人(C)测量时间；控制机器人(C)末端下降深度，保证超声测量装置与被测表面(12)充分接触；发射探头(1)与脉冲发生器(G)相连接，示波器(J)与接收探头(2)相连接显示超声信号，并通过USB线(I)与PC端(H)连接采集并存储数据；第三步，复合材料表面应力超声检测计算首先，将超声测量装置放在参考点处，超声传播方向与纤维方向夹角为θ；根据第二步确定此时的第一临界折射角φ_θ，通过紧固组件(6)调整与固定滑动组件(8)的位置；被测材料表面(12)产生临界折射纵波e；设置脉冲发生器(G)频率与增益；然后，通过机器人(C)控制，设置测量位置间隔距离，平移扫描测量并记录超声传播时间t_θ；最后将声时t_θ代入公式(2)，计算获得固定距离d间的表面应力σ_θ：式中，K_θ为与纤维方向夹角为θ的声弹性系数，为与纤维方向夹角为θ测量距离d间无应力时的传播时间；实际测量中，声时与声弹性系数K_θ需经过实验标定获得。