一种基于临界折射纵波的切向应力检测实验系统的研究与实现

摘要

作为近年来发展较快的一种检测技术，超声检测以其独特的优点和广泛的应用性在无损检测领域中占据着重要地位。在依据声波与材料参数或力学量之间的各种关系形成的各种声测技术中，基于声弹性理论的体波法、表面波法等常规应力测量手段存在着各自的不足之处，这种局限性与采用的超声波类型是有密切联系的，即超声波的传播特性决定着能够测量的应力类型和检测时的准确性。 临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal，LCR)是纵波以第一临界角在分界面入射时形成的复合超声波。作为一种特殊的超声纵波，LCR波不仅具有纵波的某些传播特性，其产生机理的特殊性还使得从被测物体表面检测物体内部的切向应力成为了可能。 在应力测量过程中，换能器的驱动方式直接影响着声波信号的特性。本文采用高性能的AVR单片机结合直流升压电路共同产生的高压尖脉冲来驱动超声探头，这样既能激励出符合要求的LCR波信号，又简化了电路结构。 声弹性理论揭示出声速和应力之间的关系，因此如何精确的计算固定距离上的声传播时间是测量的关键。针对应力改变导致的传播声时的微量变化，实验采用基于逻辑门绝对传输时间原理工作的“时间-数字转换器”(TDC)来满足高精度时间间隔测量要求。实际应用中系统的各个功能模块被整合到一起，使得整体体积小型化，调试也更加方便。 实验结果不仅很好的反映了被测试件中声速和所加载应力场之间的近似线性关系，也证明了本实验系统的可行性，为开发实用检测设备和仪器提供了有益的参考。本文最后提出了可能的实验改进方案，以进一步从实践上完善了基于临界折射纵波的切向应力检测系统。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2结构应力测量技术的发展状况

1.2.1应力的定义及分类

1.2.2常见应力检测手段

1.3超声波检测方法

1.3.1国内外的研究情况

1.3.2超声波检测的局限性

1.4本论文的工作内容

第二章基于声弹性理论的超声波检测

2.1 固体中的超声波

2.1.1各向同性介质中的运动方程

2.1.2超声波的种类和传播性质

2.1.3超声换能器

2.2基于声弹性理论的应力检测

2.2.1声弹性理论

2.2.2常规超声应力测量的局限性

2.3临界折射纵波的应用

2.3.1临界折射纵波的产生机理

2.3.2临界折射纵波的传播特性

第三章实验应力测量系统的功能模块

3.1测量系统的结构和工作原理

3.1.1测量系统的硬件组成

3.1.2测量系统的工作原理

3.2系统主控模块

3.3功率驱动模块

3.3.1纵波探头的选用

3.3.2驱动电路的设计和仿真

3.4信号处理模块

3.4.1放大电路的结构

3.4.2基于MAX9601的过电平检测电路

3.5时间测量模块

3.5.1高精度的“时间-数字”转换器

3.5.2基于TDC的时间测量模块

3.6输入输出模块

第四章主控模块的程序开发

4.1单片机集成开发环境

4.1.1 ICC AVR简介

4.1.2程序的编写和下载

4.2测量系统的软件平台

4.2.1程序结构及任务

4.1.2程序运行流程图

第五章实验研究及结果分析

5.1实验平台及测量过程

5.1.1测量系统的硬件平台

5.1.2应力加载平台与方式

5.2实验数据的采集及分析

5.2.1典型波形分析

5.2.1测量结果分析

5.2.2实验误差分析

5.3应力测量方案的改进

5.3.1带通信号采样定理

5.3.2利用Matlab重建回波信号

5.3.3基于变换域的传播声时测量

第六章总结和展望

致 谢

参考文献

在学期间的研究成果