专利名称：材料内应力超声波测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉材料内应力测量装置，尤其涉及材料内应力超声波测量装置。
背景技术：
材料内应力对于机械构件的性能影响极大，对于某些关键部件(如轧辊)，内应力可以说是存在其内部的一种无形缺陷，直接影响着它的工作状态、使用寿命和安全性能，因此，准确可靠而又简便易行地检测出机械构件内的内应力就显得尤为重要了。
内应力的测量方法可以分为有损和无损两大类，有损测试方法也叫应力释放法，属于机械的方法；无损测试方法属于物理的方法，不会对被测物体产生损伤。物理测定法主要包括X射线衍射法、磁性法、超声波法等无损检测方法。
超声波测量法是利用材料的声弹效应，即施加在材料上的内应力变化引起超声波传播速度的变化，变化的大小取决于超声波的波型、传播方向、材料组织和应力状况等，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分布。
日本专利JP57088333A公开了一种应力分布检测装置，该检测装置包括被分别安装在声楔材料上的两个发射频率各不相同的超声波发射晶振和一个安装在声楔上的超声波接收晶振，对物体进行检测时将安装有超声波发射晶振的声楔，分别安装在被测物体表面的不同位置处，并将装有超声波接收晶振的声楔放在物体上的指定位置。由于不同频率的超声波的交叉点的位置受材料声学性能的影响，很难保证每次测量时与超声波接收晶振之间的距离保持不变，且不同频率的超声波由于应力引起的声速变化差值非常小，因此，该方法的测量准确性受到影响。
中国专利02154474.3公开了一种超声螺栓紧固力测试装置，它包括分别安装在螺栓端面的纵波换能器、横波换能器，以及超声波发射电路、超声波接收电路、放大器；安装在被夹紧工件两端面的位移传感器、测厚电路、中央处理器；安装在螺母端面的温度传感器、测温电路、中央处理器；主控振荡器、时基脉冲电路、用于存储材料系数的只读存储器ROM等。它采用声弹性原理，通过测量超声波在螺栓中传播速度确定螺栓的紧固力，由于螺栓结构简单，且只有轴向拉力，因此利用超声波技术检测螺栓的紧固力相对容易实现，但该装置结构较为复杂，且只能用于钢结构上高强度螺栓的轴向应力无损检测，对材料内应力的测量难以实现。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种材料内应力超声波测量装置，该测量装置通过超声波无损检测，对被测试件不造成损伤，测试装置较简单、易行，测试精度较高。
本实用新型是这样实现的一种材料内应力超声波测量装置，包括超声波发射换能器和超声波接收换能器，超声波发射换能器和超声波接收换能器置于被测试件表面，其特征是所述测量装置还包括微型计算机、高速数据采集卡、数据采集触发电路、脉冲发射电路、超声波信号放大电路，脉冲发射电路输出接超声波发射换能器，脉冲发射电路同时输出接数据采集触发电路输入端，数据采集触发电路输出端接高速数据采集卡，超声波接收换能器接收到从超声波发射换能器发出的流过被测试件固定距离的超声波信号后，输出接超声波信号放大电路，超声波信号放大电路输出接高速数据采集卡，高速数据采集卡接收到数据采集触发电路输出的超声波基础信号和超声波信号放大电路输出的超声波信号后输出接计算机，经计算机对输入的超声波信号传播时间差运算后，计算出材料内应力。
上述的材料内应力超声波测量装置，所述脉冲发射电路由一个7位二进制串行计数器外接一个石英晶体振荡器和一个电阻器15组成，其输出接一个电容器16和一个电阻器17组成的微分电路，微分电路输出接一个可控硅控制极和正极、可控硅负极并接一个电阻器19和一个电容器20，电阻器19的另一端接工作电压，电容器20另一端输出一个超声波发射脉冲。
上述的材料内应力超声波测量装置，所述数据采集触发电路由两个电容器8，11、两个电阻器9，10和稳压管组成，电容器8、两个电阻器9、10和电容器11接成串联电路，稳压管并接在串联电路的中间。
上述的材料内应力超声波测量装置，所述超声波信号放大电路由三级放大器组成，三级放大器电路相同，第一级放大器电路由运算放大器21、耦合电容器22和电阻器23、24、25组成，信号接耦合电容器22后接入运算放大器21正输入端，电阻器23一端接运算放大器21正输入端，另一端接接地极，电阻器24一端接运算放大器21负输入端，另一端接接地极，运算放大器21输出端和负输入端串接电阻器25，第三级的运算放大器31输出接耦合电容器36后输出信号。
本实用新型应用超声波可以透过固体进行传播的物理原理，通过超声波发射换能器和超声波接收换能器较精确地测量出超声波在被测试材料内部传播固定距离所用的时间，由该传播时间与材料内应力之间的相互关系，经计算机运算后，进而计算出材料内应力的大小。本实用新型对被测试件不造成损伤，测试装置较为简单、易行，测试精度较高。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型材料内应力超声波测量装置方框图；图2为数据采集触发电路的电路图；图3为脉冲发射电路的电路图；图4为超声波信号放大电路的电路图。
(五)
具体实施方式
参见图1，一种材料内应力超声波测量装置，包括超声波发射换能器4和超声波接收换能器5。超声波发射换能器4和超声波接收换能器5置于被测试件的表面，脉冲发射电路3通过超声波发射换能器4向被测试件材料发出超声波，超声波在被测试件材料内部传播一段固定的距离后，被超声波接收换能器5接收。超声波信号放大电路7将微弱的超声波信号放大后，通过高速数据采集卡2送往微型计算机1。数据采集触发电路6的输入端与脉冲发射电路3相连，其输出端与高速数据采集卡2相连，从而保证了采集到的数据同步一致。微型计算机1根据超声波在被测试件材料固定距离内的传播时间，进而计算出该材料内应力的大小。
参见图2，数据采集触发电路6由两个电容器8、11和两个电阻器9、10组成一个串联电路，稳压管12并接在该串联电路的中间。电容器8、11的作用是隔离直流，电阻器9、10的作用是限制电流，稳压管12的作用是将高压发射脉冲降压成低压的同步触发脉冲。
参见图3，脉冲发射电路3由一个7位二进制串行计数器13外接一个石英晶体振荡器14和一个电阻器15组成。石英晶体振荡器14的频率为32768Hz，经过7位二进制分频后，产生一个512Hz的方波信号，该方波信号加在一个电容器16和一个电阻器17组成的微分电路上，产生一个微分脉冲。微分脉冲通过一个可控硅18、一个电阻器19和一个电容器20后输出一个超声波发射脉冲。
参见图4，超声波信号放大电路7由三级放大器组成，三级放大器电路相同。第一级放大器由运算放大器21、耦合电容器22和电阻器23、24、25组成；第二级放大器由运算放大器26、耦合电容器27和电阻器28、29、30组成；第三级放大器由运算放大器31、耦合电容器32、36和电阻器33、34、35组成。运算放大器所采用的电源为±12V。
本实施例中的元器件参数为超声波发射换能器4由1个压电晶体组成，谐振频率为1MHz；超声波接收换能器5由2个压电晶体组成，谐振频率为1MHz，两个压电晶体之间采用距离为L的两根金属长方杆连接固定；
高速数据采集卡2采用美国国家仪器公司NI5112型数据采集卡，其采集频率为100MS/s，总线方式为PCI，通道数为2，每个通道的缓存为16MB，分辨率为8位；数据采集触发电路6由二个2KV2000P的电容器8、11，两个3W1K的电阻器9、10和一个1W5V的稳压管12组成；脉冲发射电路3采用一个7位二进制串行计数器/分频器13，外接一个32768Hz的石英振荡器14和一个1MΩ的电阻器15，从中引出一个512Hz的方波信号，加在由一个63V2000P的耦合电容16和一个1/2W1KΩ的电阻器17组成的微分电路上，微分脉冲通过一个可控硅18和一个1W200KΩ电阻器19、一个2KV2000P的电容器20产生一个超声波发射脉冲；超声波信号放大电路7由三级放大器组成。第一级放大器由LF357运算放大器21、63V2200P耦合电容22和1/2W1KΩ电阻器23、1/2W1KΩ电阻器24、1/2W10KΩ电阻器25组成；第二级放大器由LF357运算放大器26、63V2200P耦合电容27和1/2W1KΩ电阻器28、1/2W1KΩ电阻器29、1/2W10KΩ电阻器30组成；第三级放大器由LF357运算放大器31、63V2200P耦合电容器32、63V2200P耦合电容器36以及1/2W1KΩ电阻器33、1/2W1KΩ电阻器34、1/2W10KΩ电阻器35组成。运算放大器21、26、31所采用的电源为±12V。
本实用新型超声波测量装置，可以无损测量轧辊材料的应力大小，进而为预测和延长轧辊的使用寿命提供依据。
权利要求1.一种材料内应力超声波测量装置，包括超声波发射换能器(4)和超声波接收换能器(5)，超声波发射换能器(4)和超声波接收换能器(5)置于被测试件表面，其特征是所述测量装置还包括微型计算机(1)、高速数据采集卡(2)、数据采集触发电路(6)、脉冲发射电路(3)、超声波信号放大电路(7)，脉冲发射电路(3)输出接超声波发射换能器(4)，脉冲发射电路(3)同时输出接数据采集触发电路(6)输入端，数据采集触发电路(6)输出端接高速数据采集卡(2)，超声波接收换能器(5)接收到从超声波发射换能器(4)发出的流过被测试件固定距离的超声波信号后，输出接超声波信号放大电路(7)，超声波信号放大电路(7)输出接高速数据采集卡(2)，高速数据采集卡(2)接收到数据采集触发电路(6)输出的超声波基础信号和超声波信号放大电路(7)输出的超声波信号后输出接计算机(1)，经计算机(1)对输入的超声波信号传播时间差运算后，计算出材料内应力。
2.根据权利要求1所述的材料内应力超声波测量装置，其特征是脉冲发射电路(3)由一个7位二进制串行计数器(13)外接一个石英晶体振荡器(14)和一个电阻器(15)组成，其输出接一个电容器(16)和一个电阻器(17)组成的微分电路，微分电路输出接一个可控硅(18)控制极和正极、可控硅(18)负极并接一个电阻器(19)和一个电容器(20)，电阻器(19)的另一端接工作电压，电容器(20)另一端输出一个超声波发射脉冲。
3.根据权利要求1所述的材料内应力超声波测量装置，其特征是数据采集触发电路(6)由两个电容器(8，11)、两个电阻器(9，10)和稳压管(12)组成，电容器(8)、两个电阻器(9、10)和电容器(11)接成串联电路，稳压管(12)并接在串联电路的中间。
4.根据权利要求1所述的材料内应力超声波测量装置，其特征是超声波信号放大电路(7)由三级放大器组成，三级放大器电路相同，第一级放大器电路由运算放大器(21)、耦合电容器(22)和电阻器(23)(24)(25)组成，信号接耦合电容器(22)后接入运算放大器(21)正输入端，电阻器(23)一端接运算放大器(21)正输入端，另一端接接地极，电阻器(24)一端接运算放大器(21)负输入端，另一端接接地极，运算放大器(21)输出端和负输入端串接电阻器(25)，第三级的运算放大器(31)输出接耦合电容器(36)后输出信号。
专利摘要本实用新型涉及材料内应力测量装置。一种材料内应力超声波测量装置，其超声波发射换能器(4)和超声波接收换能器(5)置于被测试件表面，其特征是所述测量装置还包括微型计算机(1)、高速数据采集卡(2)、数据采集触发电路(6)、脉冲发射电路(3)、超声波信号放大电路(7)，脉冲发射电路输出接超声波发射换能器，并同时输出接数据采集触发电路输入端，数据采集触发电路输出端接高速数据采集卡，超声波接收换能器接收到流过被测试件固定距离的超声波信号，输出接超声波信号放大电路后再接高速数据采集卡，高速数据采集卡输出接计算机，经计算机对输入的超声波信号传播时间差运算后，计算出材料内应力。本实用新型较简单、易行，测试精度较高。
文档编号G01N29/00GK2842393SQ200520043899
公开日2006年11月29日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者范群, 王寅观, 孙大乐, 李勇攀, 张国星, 秦仁喜, 李小兵, 滕会丽, 姚利松 申请人:宝山钢铁股份有限公司