一种基于双发-双收传感器阵列的表面波虚拟叠加干涉相位谱应力测量方法

本发明涉及一种基于双发-双收传感器阵列的表面波虚拟叠加干涉相位谱应力测量方法，属于超声无损检测领域。

背景技术：

1、应力是引发材料开裂、疲劳、变形等失效行为的主要原因之一，对材料结构的完整性及服役安全产生重要影响。准确可靠的应力状态检测手段是准确评价这种“看不见，摸不着”缺陷的关键。目前，对于应力检测法主要可分为两类：破坏性机械释放法(即有损检测法)和非破坏性物理测量法(即无损检测法)。其中有损检测法原理是通过材料移除过程中完全或部分释放应力时产生的应变来推断出原始残余应力，此类方法主要有钻孔法、层削法、轮廓法等，这类方法具有较为准确的测量精度，但是不可避免的会对试件造成损伤，无法实现在线状态的应力检测。物理检测法的原理是通过测量与应力有关的物理参数，此类方法主要有x射线衍射法、同步辐射x射线衍射法、中子衍射法、磁性法和超声波法等，其中超声波因其检测成本低，检测速度快、检测深度大等优势而得到广泛的关注。

2、表面波，又称为rayleighwave，是一种特殊类型的超声波，具有传播距离长且衰减小等优点。此外，超声表面波沿着介质表面传播，可以实现沿着平面方向的应力识别，克服了传统体波(横波和纵波)只能检测厚度方向应力的不足，因此，在应力识别领域具有显著的发展潜力。目前，关于超声表面波的应力检测方法，主要基于声时法原理，通过在时域内分析应力对渡越时间(time offlight,tof)的影响，实现对应力的检测。其中，武汉大学张俊等的专利《基于激光同步诱导超声表面波与空气波材料表面应力识别方法》、大连理工大学等的专利《一种平面残余应力电磁超声检测方法》等均是采用该原理实现应力检测。但是，基于时域特征的声时法存在的主要问题是应力识别灵敏度较低，100mpa引起的波速变化约为0.1％，因此，需要配合高采样率的仪器才能实现应力测量，且测量误差相对较大，这在很大程度上限值了该方法的推广应用。

3、除时域特征外，频域范围内同样存在多种特征能够实现应力检测，李祚华等在专利《一种基于横波谱分析的钢构件绝对应力识别方法》、《一种基于超声横波相位谱的钢构件平面应力检测方法》等中，提出了基于横波双折射幅值谱及相位谱的绝对应力检测方法，该方法基于应力引起的横波双折射效应实现应力检测，通过建立横波谱特征点与绝对应力的关系，实现应力检测，取得了较好的检测效果。但是，该种方法仅限于具有双折射效应的横波，无法直接应用到其他波形，且横波只能沿着厚度方向传播，因此，无法实现表面应力的检测，仅能表征试件沿厚度方向的平均应力。

4、针对目前存在方法的局限性，本发明创新性的提出了一种基于双发-双收传感器阵列的表面波虚拟叠加干涉相位谱应力测量方法，有效克服了声时法灵敏度低，横波谱方法无法实现表面应力测量的问题，具有较大的工程应用潜力。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于双发-双收传感器阵列的表面波虚拟叠加干涉相位谱应力测量方法，利用预应力介质中两束存在一定夹角传播的超声表面波信号产生的叠加干涉效应，根据超声表面波叠加干涉相位谱导函数谷值频率与应力之间的对应关系，实现构件应力状态的无损检测。相比于传统声时法，本发明提出的方法具有更高的应力识别灵敏度；相比于横波双折射谱法，本发明提出的方法可以实现表层应力检测，弥补了体波应力检测的不足。在结构应力状态无损检测中发挥重要作用，是现有超声应力无损检测技术的进一步创新和发展，该方法的具体实施步骤包括如下：

2、步骤1：确立标定模型；

3、在应力测量过程中，根据应力作用下的表面波叠加干涉理论，确立表面波叠加干涉相位谱应力测量非线性标定模型：

4、

5、式中，σ为应力，fcf为表面波叠加干涉相位谱导函数谷值频率，a和b为待标定系数。准确的测量表面波叠加干涉相位谱是应力测量的关键。表面波叠加干涉相位谱的测量方式有两种方法，一种方法是通过测量表面波物理叠加干涉信号，进而获得表面波叠加干涉相位谱；另外一种是通过人为叠加的方式获取表面波虚拟叠加干涉相位谱，两种测量方法所对应的表面波叠加干涉理论是一致的，本发明提出了基于后者的波谱应力测量新方法。

6、步骤2：计算表面波叠加干涉测量传感器阵列关键参数；

7、本发明所提出的方法通过频域特性实现应力从测量，因此需要保证频域特征处于传感器的带宽范围内。根据待测应力范围(σmin～σmax)及传感器的频带范围(fmin～fmax)，借助表面波叠加干涉相位谱理论模型，计算表面波叠加干涉阵列的关键参数，包括表面波的传播距离l，和两束表面波之间的夹角θ；

8、所述的表面波叠加干涉相位谱理论模型为：

9、

10、式中，fcf为表面波叠加干涉相位谱导函数的谷值频率，σ为应力，k0为与应力方向存在0°夹角的表面波应力系数，kθ为与应力方向存在θ°夹角传播的表面波应力系数，l为超声表面波的传播距离，v0为零应力状态下的超声表面波的波速；

11、这里需要说明的是，如果想要实现基于表面波叠加干涉相位谱的应力测量，所述的表面波叠加干涉相位谱导函数的谷值频率fcf应位于表面波传感器的带宽范围内，即fmin<fcf<fmax，因此，根据这一约束性边界条件，结合表面波叠加干涉相位谱理论模型，可以计算出满足条件的表面波叠加干涉测量传感器阵列关键参数，即表面波的传播距离l和两束表面波之间的夹角θ；需要强调的是，由于表面波叠加干涉相位谱理论模型为一个多变量模型，因此，存在多组l和θ组合满足条件，根据实际测量需求，从中选取任意一组即可，需要强调的是，为了保证应力诱导的叠加干涉效应的发生，两束表面波之间的夹角θ不能等于零；

12、步骤3：布置表面波叠加干涉测量传感器阵列；

13、通过使用4只表面波传感器组成双发-双收表面波传感器阵列，实现两个方向表面波信号的同时激励和接收；其中，超声表面波传感器t1和超声表面波传感器r1为一对传感器，负责平行于应力方向的超声表面波的激励和接收；超声表面波传感器t2和超声表面波传感器r2为一对传感器，负责与应力方向存在θ夹角的超声表面波的激励和接收；

14、步骤4：搭建测量系统；

15、实现该测量方法的测量装置包括：4只超声表面波传感器、传感器夹具、单轴拉伸试样、拉伸加载装置、双通道超声波相控激励源、双通道信号采集设备和上位机；其中，超声表面波传感器t1和t2分别与双通道超声波相控激励源的两个通道分别连接，超声表面波传感器r1和r2分别与双通道信号采集设备的两个通道分别连接，信号采集设备与上位机连接，超声表面波传感器被固定在传感器夹具中，并固定在单轴拉伸试样表面；

16、由于材料的属性，包括二阶弹性常数、三阶弹性常数和密度对预应力作用下的超声表面波的传播特性具有重要影响，因此，单轴拉伸试样的材料属性应与待测结构的材料属性一致，此外，为了保证表面波信号的产生，所述的单轴拉伸试样的厚度大于等于四倍表面波的波长；

17、步骤5：表面波叠加干涉信号测量；

18、将单轴拉伸试样进行应力加载，应力加载范围为σmin～σmax，应力加载步长σstep；通过双通道超声波激励源相控激励超声表面波传感器t1和t2，两个通道的相控延时为td；超声表面波传感器r1和r2分别测量平行于应力方向和与应力方向存在θ夹角的两束表面波信号；通过双通到信号采集设备对两束表面波信号采集；通过上位机对两束表面波信号进行处理，获得表面波虚拟叠加干涉信号；

19、所述的两个通道的相控延时td为两束表面波的渡越时间偏移误差，渡越时间偏移误差的测量过程主要包括以下步骤：测量零应力下超声表面波传感t1激励的超声表面波的渡越时间t1；测量零应力下超声表面波传感t2激励的超声表面波的渡越时间t2；用t1-t2求得两束表面波的渡越时间偏移误差td。

20、所述的表面波叠加干涉信号的处理过程包括如下过程：表面波叠加干涉信号的处理过程包括如下过程：对所述的超声表面波传感器r1接收到的表面波信号r1(t)进行归一化处理，得到归一化后的表面波信号rg1(t)，对所述的超声表面波传感器r2接收到的两束表面波信号r2(t)进行归一化处理，得到归一化后的表面波信号rg2(t)；对所述的归一化后的表面波信号rg1(t)赋权重m,对所述的归一化后的表面波信号rg1(t)赋权重n,对赋权重后的两束表面波信号进行线性叠加，获得不同应力下的虚拟叠加干涉时域信号s(t)，即s(t)＝m×rg2(t)+n×rg4(t)；对虚拟叠加干涉时域信号s(t)进行傅里叶变换，获得不同应力下的表面波叠加干涉相位谱h(f)；对不同应力下的表面波叠加干涉相位谱对频率求导，获得不同应力下的表面波叠加干涉相位谱导数k(f)；通过谷值提取算法提取表面波叠加干涉相位谱的谷值频率进行提取，获得不同应力下所对应的fcf；

21、步骤6：系数标定；

22、根据测量的表面波虚拟叠加干涉相位谱导函数谷值频率与应力的关系，利用步骤1所建立的标定模型，通过自定义函数获得待标定系数a和b；

23、所述的标定系数的拟合过程包括如下步骤：以fcf为横坐标，以σ为纵坐标，绘制标定应力范围内fcf和σ的对应散点图；利用自定义函数拟合工具，利用步骤1所建立的标定模型对fcf和σ的对应关系进行拟合；获取最小误差平方和下所对应的待标定系数a和b；

24、步骤7：应力测量；

25、将步骤3建立的双发-双收传感器阵列置于待测对象的待测区域，测量待测对象的表面波虚拟叠加干涉信号相位谱的谷值频率，利用步骤1所建立的标定模型，结合步骤6获取的标定系数，可以获取待测对象的应力值；

26、与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。

27、1.本发明采用超声表面波的频域特征参数进行应力识别，相比与传统表面波声时法，本发明的应力识别灵敏度得到提升，解决了声时法应力识别灵敏度不高的难题；同时，实验设备简单，不需要高采样率的信号采集设备，应力检测成本更低。

28、2.基于横波双折射的方法，仅能实现沿厚度方向平均应力的测量，本发明的方法可以实现沿平面方向的应力识别，结合应力层析算法，可以实现应力沿厚度方向的层析检测，因此，应力识别的空间分辨率更高。

29、3.得益于超声表面波延传播方向的低衰减特性，本发明可以融入到现有的结构监测系统中，实现长距离大范围的高灵敏度应力监测。