专利名称：一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具及测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无损超声波检测用的夹具、测量装置，主要用于精确测试超声表面波在铁磁性材料中的声速，实现材料性能表征。属于无损检测技术领域。
背景技术：
在无损检测行业中，超声表面波经常用来检测金属工件的表面缺陷、表征材料的性能以及分析构件的受载情况。在描述超声波传播特征的物理量中传播声速是一个重要物理量。对于一般的工业应用表面波声速可大致进行测量，对测量的精确度并没有太高的要求，但是对于一些特定的场合，必须对表面波声速进行精确测量，传统的测量方法则不能满足要求。例如:用表面波声速评估材料的微观组织结构和各向异性，以及用表面波测试构件中载荷应力和焊缝的残余应力等。当材料在制备和加工过程中其微观组织结构发生会变化，导致材料的声传播特性发生变化和声各向异性，并最终体现出声速的微小变化。在用表面波测试材料中的载荷应力和残余应力时，由声弹性效应可知应力也将导致声速的微小变化。用传统的声速测试方法则无法分辨上述作用导致的声速的变化。传统的表面波声速测定方法是飞行时间法，手工或/和机械控制声表面波换能器改变声程，由测得的时间延迟计算声速。测量时间时可用相位比较法或者回振法。若测试要求不高时，可直接测试发射波和第一次底面回波的时间进行计算，要求高时则通过采用二次波法，即利用第一次、第二次底面回波测试声波在材料中的传播时间。对于第一种方法测试的时间不仅包括了声波的传播时间，也包括了声波在线路中、耦合剂和探头中的时间。第二种测试方法虽然消除了测试的系统误差，但在测试过程中只考虑了传播时间，并没有考虑材料变形等其它因素的影响，而这一点在用表面波法测应力时尤其重要，手工控制无法保证测量过程中换能器与构件间耦合稳定，机械控制并非弹性接触，因为材料受力必然引起变形，可能造成声程的改变，控制装置的受力变形也会影响耦合状态。如果在测试声速时没有考虑这一点，也将导致误差。例如，在中国专利200810054608中揭示了通过二次波法测量材料声速的方法。发明人针对传统表面波声速测量的不足之处，设计实用新型了精确测量铁磁性材料的表面波声速专门夹具，测量装置及测量方法，不仅改善了探头与材料之间的耦合条件，而且具有操作简单，使用便捷的特点。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是设计一种用于精确测量铁磁性材料的表面波声速的夹具及测量装置，能够实现声表面波换能器(以下简称换能器)与材料之间弹性接触，测量时无需手工改变声程，同时适用于竖直或倾斜测试面的声速测量。为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈凸形，其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔；所述夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。所述吸附装置为永磁圆钢片，所述永磁圆钢片吸附在所述侧翼与所述被测工件之间。本实用新型提供的另一技术方案为一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于包括夹具、起发射作用的发射声表面波换能器、起接收作用的接收声表面波换能器、脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器，其中:所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器分别通过所述夹具夹持限位；所述脉冲装置的输出端与所述发射声表面波换能器连接；所述接收声表面波换能器与所述信号放大装置的输入端连接；所述信号放大装置的输出端与所述信号触发装置的输入端连接；所述信号触发装置的输出端与所述延迟器的输入端连接，所述延迟器的输出端分别与所述脉冲装置的输入端和所述计数器的输入端连接；所述夹具通过吸附装置吸附固定在被测工件表面。所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器依次相向设置在所述夹具的槽内，所述发射声表面波换能器和接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述槽孔进行定位；所述吸附装置位于所述侧翼与被测工件之间对所述夹具进行固定；所述槽内深度和所述吸附装置的高度之和小于所述发射声表面波换能器高度或接收声表面波换能器高度，且其高度差小于1mm。所述接收声表面波换能器为两个依次同向设置的第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器，所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述夹具的槽孔进行定位；所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器不同时与所述信号放大装置连接。所述夹具的槽宽与槽孔分别和所述发射声表面波换能器和所述接收声表面波换能器的宽度和接线座相匹配。所述信号放大装置及所述信号触发装置的输出端分别与示波器的输入端连接。所述信号放大装置由依次连接的信号放大器、门放大器及自动增益放大器组成，所述信号放大器的输入端与所述接收声表面波换能器连接，所述自动增益放大器的输出端分别与所述信号触发装置的输入端和示波器的输入端连接。本实用新型的夹具选用普通A3钢材进行机械加工。在夹具上开有槽口，作为声表面波换能器放置的轨道，槽宽和槽深由声表面波换能器的尺寸而定。槽宽以换能器的宽度为准，换能器正好放入为佳，避免过松引起在检测时换能器左右摆动，影响声波信号接收。为了确保换能器与材料之间为弹性接触，在安装后，槽深应比换能器高度与吸附装置厚度的差值略小Imm左右。槽顶开有三孔，其孔径与换能器接线座直径相匹配，使用时换能器接线座由槽孔穿出，并被此槽孔固定，防止其前后移动，通过槽及槽孔即可对声表面波换能器进行限位。当被测工件加载时材料本身会发生变形，但夹具并不会产生变形，两换能器之间的声程并没有变化，因此，被测工件材料的形变不会导致存在声程偏差的测试结果出现。在槽口两侧延伸有侧翼，其作用是作为吸附装置的吸附面，将吸附装置安装于侧翼底面与被测工件之间，由于吸附装置具有永磁性，夹具和被测工件也都具有铁磁性，通过永磁的吸附装置就可以使夹具能够牢固地吸附固定在测试工件的表面上。吸附装置为数只钕铁硼永磁圆钢片，其直径与侧翼宽度大致相当，厚度应比换能器高度与槽深的差值略小Imm左右，确保换能器与材料之间为弹性接触。使用薄圆钢片增加了使用时的夹具稳定性。测量装置，其构成一可自激励的振荡回路，通过接收声表面波换能器在不同位置完成的第一次测试和第二次测试的累计时间和循环次数，可以求算出接收声表面波换能器在不同位置时，完成单次回波循环所需的平均时间，该时间相减则可得到声表面波在接收声表面波换能器在不同位置时的声程差中的平均传播时间，该平均传播时间消除了电路、耦合剂以及换能器对声表面波传播时间的影响，再根据接收声表面波换能器在完成第一次测试和第二次测试时的不同位置时的声程差距离，就可精确得到声表面波在被测工件中的传播速度。该测量装置由于使用了开发的夹具和吸附装置，其可以通过夹具将换能器固定在被测工件的表面，平面放置、竖直放置、倾斜放置等位置可以任意放置，都不会对换能器与被测工件之间的接触造成影响，换能器与被测工件之间通过吸附装置实现了弹性接触，耦合稳定，因此也不会对测试结果有不良影响。本实用新型的测试方法简单，方便。当使用两个接收声表面波换能器时，仅需在完成第一次测试后将连接线从第一接收声表面波换能器接线座上拆下连接到第二接收声表面波换能器接线座上即可，操作上很方便。

图1，为本实用新型夹具的结构示意图。图2，声表面波换能器安装在夹具中的结构示意图。图3，测试装置原理结构框图。
具体实施方式
针对上述技术方案，
以下结合附图对超声表面波声速测定的夹具、测量装置及测量方法举例进行具体说明。夹具1，参看图1，其材质为钢，具有铁磁性。夹具外形呈凸形，包括槽10和侧翼11，槽10开设有长条状的槽口，槽10做为放置声表面波换能器的轨道，为了不使声表面波换能器放置在槽内时左右移动，槽宽以仅恰好放入声表面波换能器为宜。在槽10的顶部槽顶上开设有三个槽孔12，槽孔12的内径与声表面波换能器接线座的外径相匹配，当声表面波换能器放置在槽内时，其接线座可以从其相对应的槽孔处穿出，通过槽孔固定换能器不能前后移动。侧翼11，其由槽10的两侧壁的璧端向外延伸形成。在侧翼11的下表面吸附有吸附装置13，吸附装置13为永磁圆钢片，参看图2，为了使夹具吸附到被测材料表面时保持吸附稳定，在侧翼11的下表面吸附有若干个均勻分布的永磁圆钢片，永磁圆钢片的外径与侧翼的宽度相当，可保证夹具吸附的平稳性。将三只声表面波换能器依次放入夹具的槽10内。参看图2，声表面波换能器2作为发射声表面波换能器，声表面波换能器(3、4)作为接收声表面波换能器。其中，声表面波换能器2和声表面波换能器3相向放置,声表面波换能器3和声表面波换能器4同向放置，这种放置方式是为了保证接收声表面波换能器可以接收到由发射声表面波换能器发射的超声波在材料中传播的声表面波信号。声表面波换能器2、声表面波换能器3、声表面波换能器4的接线座(21、31、41)各自穿过其对应的一个槽孔12，通过槽孔12对声表面波换能器进行定位，使其不会在槽10内前后移动。通过夹具的槽宽、槽孔即可限定声表面波换能器的前后左右移动。在被测工件A的检测面涂有耦合剂，将置于夹具内的换能器及夹具一起放置于被测工件的检测面上，并通过永磁圆钢片13吸附在被测工件与夹具两侧翼之间，使夹具固定在被测工件检测面上。在本实施例中，永磁圆钢片在每个侧翼与被测工件表面之间间隔设置有两个，分布在靠近夹具两端处，可以保证吸附夹具的平稳性。永磁圆钢片厚度与槽深之和应略小于换能器高度，其差值约略小于1_。这样，可保证在夹具通过磁性圆钢片固定在被检测工件检测面上时，可保证夹具与被测检测面工件之间有间隙，但是该间隙满足吸附力可以吸附夹具使其固定在被检测工件表面。由于间隙存在，可实现声表面波换能器工作面与工件检测面之间弹性接触，减小外界干扰对耦合的影响而造成的检测误差。由于声表面波换能器在安装固定后位于夹具槽内，为了保证三个换能器能够平稳地吸附在被测工件上，要求三个换能器的型号与规格相同。可以保证在测试时的最小检测误差。作为发射超声波作用的声表面波换能器2的接线座与脉冲装置5连接，脉冲装置即为脉冲器。参看图3，脉冲装置5向声表面波换能器2输出脉冲波激励声表面波换能器2产生超声波并由换能器内部楔块折射产生超声表面波，并在被测工件表面传播。声表面波换能器(3或4)的接线座与信号放大装置6的输入端连接，声表面波换能器3和声表面波换能器4不同时与信号放大装置6连接。声表面波换能器2与声表面波换能器(3、4)由于是相向放置在夹具槽内，因此，经声表面波换能器2发射的超声波在被测工件表面传播时，被作为接收方的声表面波换能器(3或4)接收并转换为电信号传输给信号放大装置6。信号放大装置6由依次连接的放大器61、门放大器62、自动增益放大器63组成。信号放大器、门放大器、自动增益放大器均为公知的信号放大电路、门电路、自动增益控制电路，因此，在此不再赘述。由声表面波换能器3或声表面波换能器4将接收到声表面波信号转换为电信号传输给信号放大装置6中的放大器61，经放大器61进行信号预放大，并将该信号调入门放大器62的电子阈门内经自动增益放大器63放大到固定数值；自动增益放大器63的输出端分别与信号触发装置7和示波器8的输入端连接，信号触发装置7为触发放大器，通过示波器8监测经自动增益放大器63放大后的信号波形是否符合要求对其进行鉴别，同时经自动增益放大器63放大的信号传输至信号触发装置7，经信号触发装置7产生触发信号并放大到一定幅度，使其符合激励脉冲装置5的触发信号要求；信号触发装置7的输出端分别与示波器8的外接触发输入端和延迟器9的输入端连接，通过示波器8显示经自动增益放大器63放大后的门放大器62阈门内的信号，即显示接收的表面波波形，该波形用于鉴别阈门内的信号是否达到测试要求；延迟器9的输出端与脉冲装置5的输入端和计数器51的输入端连接，经信号触发装置7触发放大后的信号经延迟器9延迟一定时间后传输至脉冲装置5，激励脉冲装置5产生下一次脉冲信号，并将该脉冲信号传输至起发射作用的声表面波换能器2开始下一次脉冲循环；同时计数器进行脉冲次数计数，记录完成所有脉冲次数后的累计时间。在进行测试时，通过示波器观察测试波形，调整放大装置至合适的放大倍数以及门放大器电子阈门的位置，使接收信号位于门内，便于自动增益放大。在传播距离发生变化后要重新调整这些参数。测试时，首先由脉冲装置5产生脉冲激励声表面波换能器2产生超声波并在被测工件中产生沿表面传播的表面波，用声表面波换能器3接收到表面波信号。接收的表面波信号经信号放大装置放大、经信号触发装置触发放大和经示波器鉴别后经延迟器延迟一定时间后重新去触发脉冲装置，产生下一个超声激励脉冲，于是整个系统变成了一个振荡器，其振荡周期等于脉冲装置发射脉冲信号至下一次触发信号到达脉冲装置的时间，这样的过程不断地循环进行(一千次，或一万次)，由计数器进行循环次数计数，通过累计总的传播时间，便可得到由声表面波换能器3作为接收方时的每次循环的平均传播时间。该平均传播时间包括信号在电路中的时间延迟、声波在发射、接收换能器和耦合剂中的时间延迟以及表面波在材料中的传播时间。将声表面波换能器3作为接收方时的测试作为第一次测试，记录通过计算得到的每次循环的平均传播时间！\。然后将声表面波换能器3与信号放大装置的连接线拆开，将声表面波换能器4作为接收方与信号放大装置连接，进行第二次测试，第二次测试的测试过程与第一次测试过程相同，记录经计算得到的第二次测试时的每次循环的平均传播时间T2。由于声表面波换能器3和声表面波换能器4的位置距离不同，设定其之间的距离(即换能器3和换能器4作为接收声表面波换能器时其接线座所对应槽孔12之间的距离)为AL，那么第二次测试和第一次测试的每次循环的平均传播时间的差值(T2-T1)即为声表面波在被测工件中传播距离时所需的传播时间，通过距离与时间的比值
即可得到声表面波在被测工件中的传播声速V，具体公式为》。通过第二次测试
和第一次测试的平均传播时间的相减，即可消除电路、耦合剂以及换能器对声表面波在材料中的传播时间的影响，实现了精确测量表面波声速。通过使用本实用新型开发的夹具，在测量时，换能器由于夹具吸附在检测面上而进行了固定，不受检测面的倾斜或竖直限制，又由于夹具与被检测工件之间通过吸附装置实现了弹性接触，测试过程中发射声表面波换能器和接收声表面波换能器之间的距离，以及两个接收声表面波换能器之间的声程距离差均在夹具固定下保持不变，且无需手工移动换能器位置，可以保证换能器与被测工件之间的耦合状况不发生变化，提高了实验精度。本实用新型的夹具并不限于上述结构，夹具可以实现对声表面波换能器进行位置限定即可。上述实施例中的作为接收的声表面波换能器为两个，在第一次测试时一个换能器作为接收方，在第二次测试时，另一个换能器作为接收方，这样可以避免第一次测试完成后手动移动换能器至另外接收位置进行第二次测试。当然，在实际测试中，作为接收方的声表面波换能器也可以只有一个。在进行完第一次测试后，将其在夹具槽内移动适当距离后固定再进行第二次测试。如此，省略掉一个接收的声表面波换能器，但是在测试过程中需要将夹具拆下完成移动工作后然后重新安装，导致测试过程延长，测试时间有所延长。
权利要求1.一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈凸形，其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔；所述夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。
2.根据权利要求1所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具，其特征在于所述吸附装置为永磁圆钢片，所述永磁圆钢片吸附在所述侧翼与所述被测工件之间。
3.一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于包括夹具、起发射作用的发射声表面波换能器、起接收作用的接收声表面波换能器、脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器，其中:所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器分别通过所述夹具夹持限位；所述脉冲装置的输出端与所述发射声表面波换能器连接；所述接收声表面波换能器与所述信号放大装置的输入端连接；所述信号放大装置的输出端与所述信号触发装置的输入端连接；所述信号触发装置的输出端与所述延迟器的输入端连接，所述延迟器的输出端分别与所述脉冲装置的输入端和所述计数器的输入端连接；所述夹具通过吸附装置吸附固定在被测工件表面。
4.根据权利要求3所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述夹具具铁磁性，外形呈凸形，其包括具有长条开口的槽及位于所述槽的两侧壁端的侧翼；在所述槽的槽顶处开设有至少三个槽孔。
5.根据权利要求4所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述发射声表面波换能器、接收声表面波换能器依次相向设置在所述夹具的槽内，所述发射声表面波换能器和接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述槽孔进行定位；所述吸附装置位于所述侧翼与被测工件之间对所述夹具进行固定；所述槽内深度和所述吸附装置的高度之和小于所述发射声表面波换能器高度或接收声表面波换能器高度，且其高度差小于 Imnin
6.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述吸附装置为永磁圆钢片。
7.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述接收声表面波换能器为两个依次同向设置的第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器，所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器的接线座分别穿过所述夹具的槽孔进行定位；所述第一接收声表面波换能器和第二接收声表面波换能器不同时与所述信号放大装置连接。
8.根据权利要求5所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述夹具的槽宽与槽孔分别和所述发射声表面波换能器和所述接收声表面波换能器的宽度和接线座相匹配。
9.根据权利要求3所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述信号放大装置及所述信号触发装置的输出端分别与示波器的输入端连接。
10.根据权利要求9所述的用于精确测量铁磁性材料表面波声速的测量装置，其特征在于所述信号放大装置由依次连接的信号放大器、门放大器及自动增益放大器组成，所述信号放大器的输入端与所述接收声表面波换能器连接，所述自动增益放大器的输出端分别与所述信号触发装置的输入端和示波器的输入端连接。
专利摘要一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具、测量装置，夹具外形呈凸形，由槽及位于槽的两侧的侧翼组成；在槽顶处开设有三个槽孔；夹具通过吸附装置吸附在被测工件上。通过夹具固定三只声表面波换能器于被测工件材料表面，通过由脉冲装置、信号放大装置、信号触发装置、延迟器、计数器及发射换能器、接收换能器及夹具组成的测量装置实现换能器与材料表面之间弹性接触，减小外界干扰和换能器移动引起的耦合变化和测量误差。采用本夹具、测量装置及测试方法测试材料的表面波声速，不仅不需移动换能器位置，简化了测试过程，消除声波信号在电路和换能器中的延迟，实现铁磁性材料表面波声速的精确测量。
文档编号G01H5/00GK202994286SQ20122058369
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者宋广三, 魏勤, 朱登峻, 朱金连, 陆毅, 王成, 李丙祥, 王宁伟, 卫婷 申请人:镇江出入境检验检疫局检验检疫综合技术中心