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[分享] 杭州戬威机电科技有限公司---超声应力检测分析仪推广

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发表于 2018-3-22 15:18:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
戬威是“敏捷式研发”的推行者,也是工业4.0的践行者,我们与每一位合作伙伴携手见证智能时代魅力!!!
                                                                                                                     超声应力检测分析仪(USG_S2_AN_P1.0)
应用案例http://www.jwsci.com/anli.php
服务咨询电话:18158147116
咨询电话:15336566035/0571-86311962/0571-86255862
QQ:378584287
微信:fwp728
1 超声检测应力方法及优势
        超声波能灵敏地反映被测件内部的信息,利用超声可无损测定被测对象积聚的应力。基于超声波声弹性理论的应力测量方法是利用了受应力材料中声双折射现象的原理。在各向同性材料中,由纵波声弹性关系可得到主应力和,横波声弹性关系可得到主应力差;在正交异性材料中,每种波都与主应力和主应力差有关。被测对象中超声波速与应力之间的存在固有的关系,且这种关系在同一温度下具有较好的线性度。超声应力仪正是将这种物理特性转为现实应用的典型力学定量检测产品。超声波检测残余应力分为两种情况:1)检测试件内部应力;2)检测试件表面应力。
        超声波无损检测技术对于大多数介质而言穿透能力比较强,在一些金属材料中穿透能力可达数米,并且超声检测仪器可便携到室外或现场使用,与上述章节所述的其他应力检测方法相比,使用超声检测应力方法具有以下优势:
        1) 不对被测对象产生任何损伤
        2) 测量非常快速,所见即所得,且可便携以适合现场作业,也可用于系统集成实现自动化或半自动化应力检测



        3)  测量深度较大,即可实现表面应力检测,也可用于内部应力检测
        4)  无任何辐射,对操作人员无任何伤害
        5)  既可测量应力,也可以检测试件内部的缺陷,其他应力检测方法无法实现
        6)  适用材料广泛,理论上可以应用于任何非吸声材料
由戬威机电研制的超声应力测量分析仪是一款用于测量材料、结构件中残余应力(包括拉应力和压应力)和内应力的精密仪器。定量测量被检对象中的应力对于早期预测构件的变形和损坏具有重大的意义。
        图1.1 超声应力测量分析仪

        1.1 测量原理
        图1.1.1 基于超声的应力测量原理示意图

        利用超声检测应力的基本原理如图1.1.1所示。整个仪器主要由:超声脉冲信号源、数据采集模块、数据分析预处理模块、应力分析软件系统、超声波探头及人机交互终端组成。在被测对象上安放两个超声波探头,分别是发射和接收探头,探头的另外一端分别连接到仪器的信号端口。仪器向发射探头发出激励信号后,发射探头激发出超声波并沿被测对象传播,当超声波遇到有应力聚集的区域,超声波传播的速度发生变化(更准确地说是相位),如图1.1.2所示,接收探头采集到信号回传至测量仪器,由仪器分析捕捉到这个速度变化量,结合事先标定的材料特征参数,可计算出目标区域应力的大小。
        图1.1.2 应力对传播中的超声波声速(相位)的影响


        基于上述测量原理和超声波在介质中传播的形式,结合应力的分布特征,典型的应力测量场景分为两大类:
1)近表面应力检测
        这是材料或零部件残余应力检测较为典型的应用场景。使用一对收发分离的超声波探头(也称超声波换能器),如图1.3.3所示,这对探头设计时(根据被测对象的声速)声束入射角需满足第一临界角的基本条件,激发的超声波也被称做“临界折射纵波”(LCR),声传播的基本特征是:超声激励方式为脉冲激励形式,LCR沿被测对象近表面区域传播。
        可测量的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质
D=αf-0.96
        式中,α为检测深度修正系数,单位为mm/ns,常用金属材料参考值:钢5.98,铝6.40,铜4.81;f为探头中心频率,单位为MHz。

        图1.1.3 基于LCR近表面应力检测方法示意图

        图1.1.4 临界折射纵波的典型回波信号

表1.1.1 常见材料表面应力测量深度


材质名称                                
超声探头频率(MHz                                
测量深度范围(mm                                
备注                                
钢                                
5                                
1.28                                
                               

铝                                
5                                
1.37                                
                               

铜                                
5                                
1.03                                
                               




2)体应力检测
本处所述的体应力是相对于近表面应力检测而言,主要针对的是近表面以下深度的应力。在这种应用场景下,使用LCR无法触及待检测区域,需使用收发一体的脉冲回波超  声波探头,如图1.1.5所示,声束入射方向与被测对象法线方向一致,声波传播形式为纵波(L)。较为典型的应用案例为螺栓应力测量。实际上,这种方式可以推广至预紧力检测,只要确保探头与被测对象的耦合可靠。





图1.1.5基于超声纵波体应力检测方法示意图

1.2 测量方法 应力测量方法主要分为两种:1)绝对应力值测量;2)相对应力值测量。这两种方法的区分在于基准的选择。这里所述基准指的是在与被测对象具有相同状态的参考试块上所采集到的参考超声回波信号(基准声速)。被测对象应力测量启动后,其余测试区域使用该基准参考信号进行声速差异分析计算,来确定相对的应力测量值,如图1.2.1所示。若参考试块不存在应力(即零应力),那么被测对象的应力测量值属于绝对应力值。



图1.2.1 残余应力相对测量法

如图1.2.2所示,当参考试块应力值Sx已知,那么被测对象的实测应力值Sn就可以转换为绝对值。获取参考试块应力值Sx属于标定、校准范畴。总而言之,被测对象的实测应力值属于相对应力值还是绝对应力值,取决于参考试块应力值(由基准声速表征)是否已知。

图1.2.2 应力测量绝对值与相对值示意图


超声应力仪应用案例:http://www.jwsci.com/anli.php
2仪器性能指标 2.1 采样率
        应力测试信号高保真,12位A/D总合成不低于1GS/s的高速高精信号采样速率直取应力状态原始信息,不使用数值插值合成还原原始数据。最高时域分辨率为0.37ns。

2.2 信号源
信号源指的是仪器内部用于控制超声波发射、接收的激励源。应力测量的精度和可靠性很大程度上取决于激励信号的质量。戬威研制的超声信号源采用欧美设计标准。具体技术指标如表2.2.1所示。

2.2.1 超声信号源性能
超声信号发射性能参数                                        
脉冲重复频率(PRF)                                        
最高可达10KHz                                        
激励电压                                        
矩形脉冲100v、300V                                        
脉冲宽度                                        
脉宽不超过1ns,在20ns~2us范围内以0.5ns的步进可调                                        
匹配阻抗                                        
在20~500欧姆范围内以5欧姆的步进可调                                        
超声信号接收调理性能参数                                        
增益调节                                        
线性放大系统,0~100dB,0.2dB步进量                                        
高通滤波                                        
截止频率0.5MHz、1.0MHz、2.0MHz、5.0MHz和7.5MHz                                          
低通滤波                                        
截止频率 25MHz                                        
匹配阻抗                                        
在20~500欧姆范围内以5欧姆的步进可调                                        
超声信号分析处理性能参数                                        
检波方式                                        
全波、正半波、负半波和RF信号中四选一                                        
信号抑制                                        
线性放大系统,0~100dB,0.2dB步进量                                        
材料数据库                                        
500 ~15,000 m/s,可从控制台人工调节或选择;                                        
A/D采样                                        
探伤使用16 bits,100 MS/s;应力分析12bits,2.5GS/s                                        
视频滤波                                        
软件跟踪,跟踪速度分档可调                                        
动态滤波                                        
跟踪动态检测对象所造成的基础电平的变化,剔除毛刺噪声                                        
DAC/TCG/GCG                                        
可存储16DACTCG曲线,每条最多1024点,1/65536分级可调;每个检测周期最大可选4DAC曲线作为参考;GCG单独门控增益可设.                                        
A-SCAN显示                                        
实时动态显示512点                                        
闸门性能参数(应用于探伤)                                        
独立闸门个数                                        
4(5)个                                        
同步方式                                        
触发同步和始波同步二选一                                        
浮动门                                        
I门浮动跟踪可选                                        
起始范围                                        
在0.02~500us范围内以0.001us的步进可调                                        
闸门宽度                                        
在0.02~500us范围内以0.001us的步进可调                                        
闸门高度                                        
在0~100%范围内以0.1%的步进可调                                        
报警逻辑                                        
正逻辑和负逻辑二选一                                        
报警可靠系数                                        
0~15                                        
门-门(测厚)                                        
B-A门                                        
测厚计算精度                                        
0.37ns*材料声速                                        
厚度测量值显示                                        
最大值、最小值和平均值                                        
报警输出                                        
可选,最多8项,由用户自定义                                        

2.3 测量效率和精度
        单点测试用时不超过4s,在实时检测模式下,可连续检测。声速时延测量精度最高0.37ns,应力测量精度在±10Mpa,分辨率为(0.37*声弹系数)MPa。

2.4 线性度可靠性          线性度(非线性误差)不超过0.297%,线性度测试结果如图2.4.1所示。
        图2.4.1 线性度测试



(a)7N01铝合金标定验证                                                 (b)45#钢全标定验证                                                   (c)铝合金连续加载测试


2.5 重复可靠性 单点重复测试500次,测量值波动不超过±0.6MPa。测试结果如图2.5.1所示。

图2.5.1 重复可靠性测试

2.6 接口
        图2.6.1 仪器接口
                ① 充电接口(DC24v), 直流电源接口         
                ② LAN:10M/100M以太网口         
                ③ BNC探头接口:T/R收发一体超声探头接口(一般用于探伤)         
④ BNC探头接口:T收发分离超声探头接口        
                ⑤ USB接口,直通主控制器         
                ⑥ USB接口,直通主控制器         

2.7 续航能力
        仪器内置锂电池,可连续使用5~6小时。可外接适配器24v-5A (120W)进行充电。使用节能设计理念,信号源、采集单元和处理模块可独立上电和关闭,在不使用某个单元或模块时,可单独关闭。


2.8 补偿技术
        拥有温度补偿、材料晶粒修正、信号防抖、耦合状态补偿、噪声抑制等技术。

2.9 工作环境
        存放温度:--20℃~70℃;使用温度:-10℃~50℃;相对湿度:不大于95%。
2.10 主控制器
主项                                        
子项                                        
性能参数                                        
系统参数                                        
处理器                                        
Intel i5-4200U                                        
内存                                        
4GB  DDR3                                        
磁盘                                        
板载 32G,支持 SATA2.5"SSD、HDD 扩展                                        
显示接口                                        
支持 HDMI 和 VGA                                        
I/O 接口                                        
网口                                        
2*RJ-45                                        
音频                                        
LINE-in/out 端口                                        
USB                                        
接口面 2 个 USB2.0 和 2 个 USB3.0                                        
串口                                        
1*RS-232/485                                        
触摸屏                                        
显示屏                                        
10.4"VGA  TFT   LED                                        
分辨率                                        
1024x768                                        
亮度                                        
350cd/m2                                        
对比度                                        
600:1                                        
最大色彩                                        
16M                                        
显示面积                                        
304.13x228.10mm                                        
反应时间                                        
8ms                                        
像素距离                                        
0.297x0.297                                        
最大视角                                        
(H)160/(V)160                                        
类型                                        



        3 应力检测方法比较         目前,测量应力的方法主要分为两大类:物理检测法和机械检测法。物理检测法,如X射线衍射法、超声波法和磁测法等,这些方法均属于无损检测,对工件不会造成物理损伤,但成本较高;机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏,例如切割法(又称剖分法)和环芯法对工件的破坏较大,一般将具有残余应力的部分从构件中分离或切割出来,使应力释放,然后测量其应变的变化求出残余应力,属于间接测量手段。现有其他应力检测手法比较如表3.1所示。

表3.1 应力检测方法比较汇总表

方法
原理
适用对象
优缺点
                                        X射线衍射法
                                        根据布拉格定律2dsinθ=nλ,当受力时d会发生变化,通过X射线谱位偏移的大小计算应力
                                        常规法:弹性各向异性的同性晶态材料。侧倾法:脆性、不透明材料
1)无损、准确、可靠;                                         
2)成本高;                                         
3)射线穿透能力有限,只能测量样品表层几微米厚度的应力;                                         
4)存在辐射,长期操作人员有存在职业病
                                        中子衍射法
                                        与X射线衍射法类似,通过研究衍射束的峰值位置和强度来获得应变和应力
                                        复合材料、多相材料等
1)无损、穿透能力强;                                         
2)空间分辨率可达到毫米量级;                                         
3)可以测量材料内部的残余应力;                                         
4)成本高,无法用于现场测量;                                         
目前国际上稳态堆上用此方法进行材料内部应力测量,但未广泛开展使用
                                        磁测法
                                        利用铁磁材料的磁致伸缩效应将应力的变化转化成可以测量的电量来测量应力
                                        铁磁性材料
                                        仪器轻便、操作简单、测量速度快,但此法只有用于铁磁性材料,且对材料结构等因素也较敏感
                                        Stoney公式法
                                        利用Stoney公式通过测量镀膜前后材料曲率半径的变化计算残余应力。
                                        悬臂梁法:适合基片弹性好、厚度均匀、薄膜厚度与样品长度比值较小的器件;基片曲率法:主要应用于基底是圆形或长方形的材料
                                        无损、可用于现场测量
                                        剥层曲率半径法
                                        对基片采用双层镀膜,通过测量曲率的半径变化,利用Stoney公式计算应力
                                        硬质薄膜材料
                                        工艺相对繁琐,不适合现场测试
                                        盲孔法
                                        通过钻孔释放样品应力,通过测量应变计上的应变利用弹性理论计算应力
                                        各向同性的弹性材料,对一般金属材料要需要修正计算方法
                                        操作繁琐、测量精度高,但对构件造成损伤,并且粘贴应变片需要一定的工艺要求
                                        裂纹柔度法
                                        释放被测物的残余应力,通过测定相应的应变、位移或转角等量值,计算分析残余应力
                                        各种热(冷)轧板材表层与全厚应力分布
                                        应变测量元件的灵敏度大,具有更好的敏感性和精确性,但测试误差有待研究
                                        纳米压痕法
                                        采用硬度试验方法、借鉴盲孔法的应变测量思想、根据应力场干涉理论而形成的一种全新的残余应力测量方法
                                        薄膜材料
                                        有极高的力分辨率和位移分辨率、能连续记录加载和卸载期间载荷位移的变化
                                        溅射深度剖析法
                                        应力致扩散前后的深度剖面发生变化
                                        薄膜材料
                                        需在薄膜内产生较大的应力,深度剖析有较高的深度分辨率,目前该方法还没有任何报道


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 楼主| 发表于 2018-3-22 15:19:36 | 显示全部楼层
同行帮顶!!谢谢咯
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发表于 2018-3-22 16:39:28 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2018-3-23 08:52:48 | 显示全部楼层
蓝精灵 发表于 2018-3-22 16:39
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