專利名稱：一種利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈性板厚度的檢測(cè)方法，具體說(shuō)是一種利用高次駐波諧振定量測(cè)量彈性板厚度和檢測(cè)彈性板表面腐蝕的方法。

背景技術(shù)：
在航空、石化工業(yè)、軍事等領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)使用板狀彈性材料(金屬、非金屬和復(fù)合材料等)，這些材料的質(zhì)量與本身彈性、強(qiáng)度有關(guān)之外，更重要的是材料表面的腐蝕所帶來(lái)的潛在威脅往往是造成事故的主要因素。當(dāng)利用板狀彈性材料制成的罐體使用一段時(shí)間后，容器內(nèi)腐蝕性物質(zhì)將對(duì)罐體內(nèi)表面進(jìn)行腐蝕，在內(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)裂紋、空隙、坑洼等，這些缺陷的存在會(huì)對(duì)罐體產(chǎn)生破壞作用。因此，有必要對(duì)罐體厚度的變化進(jìn)行定量檢測(cè)，確定材料的表面腐蝕狀況，為設(shè)備檢修和維護(hù)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。
通常采用的超聲檢測(cè)板厚度或表面腐蝕方法，是利用超聲回波判斷彈性板的厚度變化，進(jìn)而得到彈性板表面的腐蝕狀況，這種方法的檢測(cè)精度低，同時(shí)對(duì)腐蝕性缺陷容易誤判。物理檢測(cè)法，主要包括x射線衍射法、中子衍射法、渦流檢測(cè)法及磁檢測(cè)法等，這些方法均屬無(wú)損檢測(cè)法，對(duì)工件不會(huì)造成破壞。但是，x射線衍射法對(duì)人體有傷害，并且檢測(cè)深度較淺(鋼材料中25-40微米)；中子衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力的精度和x射線相近，其檢測(cè)深度要比x射線要深(鋼材料中2-3厘米)，但是其設(shè)備需要核反應(yīng)堆，所以很難實(shí)現(xiàn)靈活的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；渦流檢測(cè)法，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，其檢測(cè)精度還有待于提高，并且無(wú)法檢測(cè)非導(dǎo)電材料的表面腐蝕狀況。


發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種利用聲波高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度和檢測(cè)彈性板表面腐蝕的方法，它對(duì)板狀彈性材料的厚度及變化作出定量檢測(cè)，為無(wú)損檢測(cè)板表面的腐蝕提供可靠的依據(jù)。
本發(fā)明通過(guò)片狀縱波壓電換能器在彈性板中激發(fā)縱波，縱波在彈性板中傳播，到彈性板的另一表面處反射，在彈性板中形成駐波諧振動(dòng)；然后利用阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀得到彈性板的高次駐波諧振模式；再計(jì)算每個(gè)高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)，得到最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振模式的并聯(lián)諧振頻率，根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的關(guān)系，得到彈性板的厚度。
技術(shù)方案一種利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法，該方法包括如下步驟 (1)將被檢測(cè)彈性板的一個(gè)表面與片狀縱波壓電換能器耦合； (2)由阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量片狀縱波壓電換能器的輸入電阻抗，得到輸入電阻抗曲線圖； (3)測(cè)量高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)改變阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍，使頻率分辨率達(dá)到相應(yīng)的要求；采取頻率范圍分段測(cè)量的方式，從低頻到高頻連續(xù)測(cè)量片狀縱波壓電換能器的輸入阻抗曲線，直至輸入阻抗曲線平滑為止，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定每一個(gè)諧振模式對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率，根據(jù)公式(1)計(jì)算出高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)； 公式(1) 其中，fs(m)和fp(m)分別是第m階模式串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率m為自然數(shù)1，2，3...； 阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率fmin需滿足公式(2) fmin＜Δfp/2 公式(2) 其中，Δfp＝fp(la+d)-fp(la)公式(3) 其中，d為被測(cè)彈性板厚度的檢測(cè)精度，la為被檢測(cè)彈性板厚度的估算厚度，fp(la+d)和fp(la)分別是板厚為la+d和la的最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率； (4)將步驟(3)中得到的高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)進(jìn)行比較，確定最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振模式； 對(duì)于被檢測(cè)彈性板的聲阻抗小于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗情形，即Zsb/Z＜1時(shí)，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率 公式(4) 其中， 忽略電極厚度，則公式(4)簡(jiǎn)化為 公式(5) 其中，mN＝Vlsb/Vsbl 對(duì)于被檢測(cè)彈性板的聲阻抗大于或等于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗情形，即Zsb/Z≥1，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率為 公式(6) 式中， 忽略電極的厚度，公式(6)可以簡(jiǎn)化為 公式(7) 式中， 上述公式(4)、(5)、(6)和(7)中，Z、Zsb、Ze1、Ze2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的聲阻抗，l、lsb、le1、le2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的厚度，V、Vsb、Ve1、Ve2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極沿垂直于表面方向的縱波聲速度，ρ、ρsb、ρe1、ρe2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的密度； (5)根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的比較大小關(guān)系，利用公式(4)、(5)、(6)或(7)得到被測(cè)量樣品的厚度。
片狀縱波壓電換能器在彈性板狀材料(金屬、非金屬、復(fù)合材料等)中激發(fā)縱波聲振動(dòng)，只要彈性板中縱波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍滿足與彈性板厚度相等的條件，彈性板中將產(chǎn)生駐波諧振動(dòng)。所以，隨著激發(fā)頻率的升高，在彈性板中產(chǎn)生高次縱波諧振動(dòng)，當(dāng)板的厚度發(fā)生微小的變化，高次諧振動(dòng)模式的頻譜分布將發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化可以將諧振模式的并聯(lián)諧振頻率的偏移與板厚度變化或者表面腐蝕程度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。對(duì)于具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的諧振模式，在阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析中信號(hào)最強(qiáng)，以此諧振模式為檢測(cè)對(duì)象具有更高的靈敏度、易于觀察。
有益效果本發(fā)明與已有的彈性板厚度定量檢測(cè)或表面腐蝕無(wú)損檢測(cè)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明利用彈性板駐波諧振進(jìn)行檢測(cè)，諧振模式對(duì)板厚度變化和表面特性更敏感，使檢測(cè)具有更高的靈敏度，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
(2)本發(fā)明利用具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的諧振模式對(duì)彈性板厚度進(jìn)行定量表定，在阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析中信號(hào)最強(qiáng)，以此諧振模式為檢測(cè)對(duì)象具有更高的靈敏度、易于觀察。
(3)本發(fā)明中彈性板駐波諧振對(duì)表面狀況敏感，能標(biāo)定彈性板表面的腐蝕狀況。



圖1是輸入電阻抗隨頻率變化圖，片狀縱波壓電換能器為氧化鋅，彈性板材料為鋁板。
圖2為有效機(jī)電耦合系數(shù)隨諧振模式次數(shù)變化圖，片狀縱波壓電換能器為氧化鋅，彈性板材料為鋁板。
圖3為輸入電阻抗隨頻率變化圖，片狀縱波壓電換能器鋯鈦酸鉛-PZT，彈性板材料為鋼板。
圖4為有效機(jī)電耦合系數(shù)隨諧振模式次數(shù)變化圖，片狀縱波壓電換能器鋯鈦酸鉛-PZT，彈性板材料為鋼板。

具體實(shí)施例方式 (1)將被檢測(cè)彈性板與片狀縱波壓電換能器接觸的一面進(jìn)行適當(dāng)處理，使接觸具有良好的聲耦合。所述的彈性板為金屬、非金屬或復(fù)合材料，所述的片狀縱波壓電換能器可用壓電陶瓷、石英、鈮酸鋰材料制成。為得到較高的檢測(cè)精度，應(yīng)使Vlsb/Vsbl＞100，所以應(yīng)根據(jù)被測(cè)材料的縱波聲速度和彈性板的估算厚度確定所選擇片狀縱波壓電換能器的類型和尺寸。
(2)測(cè)量高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)改變阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍，使頻率分辨率達(dá)到相應(yīng)的要求；采取頻率范圍分段測(cè)量的方式，從低頻到高頻連續(xù)測(cè)量片狀縱波壓電換能器的阻抗曲線，直至阻抗曲線平滑為止，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定每一個(gè)諧振模式對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率；然后根據(jù)公式(1)計(jì)算出高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)； 公式(1) 其中，阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率(fmin)需滿足公式(2) fmin＜Δfp/2公式(2) 其中，Δfp＝fp(la+d)-fp(la) 公式(3) d為被測(cè)彈性板厚度的檢測(cè)精度，la為被檢測(cè)彈性板厚度的估算厚度；fp(la+d)和fp(la)分別是板厚為la+d和la的最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率。
(3)將步驟(2)中得到的高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)比較，取其中最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振模式。
當(dāng)被檢測(cè)彈性板的聲阻抗小于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗時(shí)(Zsb/Z＜1)，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率為 公式(4) 其中， 忽略電極厚度，則公式(4)簡(jiǎn)化為 公式(5) 其中，mN＝Vlsb/Vsbl； 當(dāng)被檢測(cè)彈性板的聲阻抗大于或等于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗時(shí)，即Zsb/Z≥1，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率為 公式(6) 式中， 如果電極的厚度相對(duì)于片狀縱波壓電換能器可以忽略，公式(6)可以簡(jiǎn)化為 公式(7) 式中， 上述公式(4)、(5)、(6)和(7)中，Z、Zsb、Ze1、Ze2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的聲阻抗，l、lsb、le1、le2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的厚度，V、Vsb、Ve1、Ve2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極沿垂直于表面方向的縱波聲速度，ρ、ρsb、ρe1、ρe2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的密度。
實(shí)施例1 取被檢測(cè)彈性板厚度范圍在20cm左右的鋁板，其密度為2700kg/m3，縱波速度為6420m/s，如果選擇材料為氧化鋅的厚度方向片狀縱波壓電換能器(密度為5680kg/m3，縱波速度為6400m/s，機(jī)電耦合系數(shù)為0.3)，則根據(jù)Vlsb/Vsbl＞100，選擇的片狀縱波壓電換能的厚度大概為0.2mm。
彈性板厚度檢測(cè)精度要求為20μm。利用已知的板狀壓電層和被檢測(cè)彈性板材料常數(shù)，并將la取20cm和d取20μm代入公式(2)、(3)確定阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率fmin約為1kHz；利用分段連續(xù)掃描后拼接成的阻抗頻率譜(如圖1)，記錄每個(gè)諧振模式并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率(如圖2)；根據(jù)公式(1)得到最大有效機(jī)電耦合系數(shù)為0.014，對(duì)應(yīng)的諧振模式次數(shù)為936，確定該模式并聯(lián)諧振頻率為1.5007×107Hz。
利用已知的板狀壓電層和被檢測(cè)彈性板材料常數(shù)和幾何參數(shù)，根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的關(guān)系Zsb/Z＜1，將并聯(lián)諧振頻率代入公式(5)得到彈性板的厚度lsb為20.02cm。測(cè)量厚度與實(shí)際彈性板厚度20cm±1cm，相差0.01cm。實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀材料或容器壁的厚度定量標(biāo)定，進(jìn)一步可對(duì)內(nèi)表面腐蝕狀況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
實(shí)施例2 取被檢測(cè)彈性板厚度范圍在20cm左右的鋼板，其密度為7800kg/m3，縱波速度為5900m/s，如果選擇材料為PZT5的厚度方向片狀縱波壓電換能器(密度為7000kg/m3，縱波速度為2400m/s，機(jī)電耦合系數(shù)為0.6)，根據(jù)Vlsb/Vsbl＞100，則根據(jù)Vlsb/Vsbl＞100的要求，片狀縱波壓電換能的厚度大概要求為0.8mm。
彈性板厚度檢測(cè)精度要求為20μm。利用已知的板狀壓電層和被檢測(cè)彈性板材料常數(shù)，并將la取20cm和d取20μm代入公式(2)、(3)確定阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率fmin為38Hz；利用分段連續(xù)掃描后拼接成的阻抗頻率譜(如圖3)，記錄每個(gè)諧振模式并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率(如圖4)；根據(jù)公式(1)得到最大有效機(jī)電耦合系數(shù)為0.033，對(duì)應(yīng)的諧振模式次數(shù)為51，確定該模式并聯(lián)諧振頻率為702kHz。
利用已知的板狀壓電層和被檢測(cè)彈性板材料常數(shù)和幾何參數(shù)，根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的關(guān)系Zsb/Z≥1，將并聯(lián)諧振頻率代入公式(7)得到彈性板的厚度lsb為20.03cm。測(cè)量厚度與實(shí)際彈性板厚度20cm±1cm，相差0.03cm。實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀材料或容器壁的厚度定量標(biāo)定，進(jìn)一步可對(duì)內(nèi)表面腐蝕狀況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法，其特征在于該方法包括如下步驟
(1)將被檢測(cè)彈性板的一個(gè)表面與片狀縱波壓電換能器耦合；
(2)由阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量片狀縱波壓電換能器的輸入電阻抗，得到輸入電阻抗曲線(3)測(cè)量高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)改變阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍，使頻率分辨率達(dá)到相應(yīng)的要求；采取頻率范圍分段測(cè)量的方式，從低頻到高頻連續(xù)測(cè)量片狀縱波壓電換能器的輸入阻抗曲線，直至輸入阻抗曲線平滑為止，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定每一個(gè)諧振模式對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率，根據(jù)公式(1)計(jì)算出高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)；
公式(1)
其中，fs(m)和fp(m)分別是第m階模式串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率；m為自然數(shù)1，2，3...；
阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率fmin需滿足公式(2)
fmin＜Δfp/2公式(2)
其中，Δfp＝fp(la+d)-fp(la) 公式(3)
其中，d為被測(cè)彈性板厚度的檢測(cè)精度，la為被檢測(cè)彈性板厚度的估算厚度，fp(la+d)和fp(la)分別是板厚為la+d和la的最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率；
(4)將步驟(3)中得到的高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)進(jìn)行比較，確定最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振模式；
對(duì)于被檢測(cè)彈性板的聲阻抗小于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗情形，即Zsb/Z＜1時(shí)，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率
公式(4)
其中，
忽略電極厚度，則公式(4)簡(jiǎn)化為
公式(5)
其中，mN＝Vlsb/Vsbl
對(duì)于被檢測(cè)彈性板的聲阻抗大于或等于片狀縱波壓電換能器的聲阻抗情形，即Zsb/Z≥1，最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)諧振模式的并聯(lián)諧振頻率為
公式(6)
式中，
忽略電極的厚度，公式(6)可以簡(jiǎn)化為
公式(7)
式中，
上述公式(4)、(5)、(6)和(7)中，Z、Zsb、Ze1、Ze2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的聲阻抗，l、lsb、le1、le2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的厚度，V、Vsb、Ve1、Ve2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極沿垂直于表面方向的縱波聲速度，ρ、ρsb、ρe1、ρe2分別是片狀縱波壓電換能器、彈性板、上電極和下電極的密度；
(5)根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的比較大小關(guān)系，利用公式(4)、(5)、(6)或(7)得到被測(cè)量樣品的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法，其特征在于步驟(1)中所述的彈性板為金屬、非金屬或復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法，其特征在于步驟(1)中所述的片狀縱波壓電換能器可用壓電陶瓷、石英、鈮酸鋰材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高次駐波諧振定量檢測(cè)彈性板厚度的方法，其特征在于步驟(3)中所述的采取頻率范圍分段測(cè)量的方式，應(yīng)使所分段測(cè)量的頻率能連接一個(gè)完整的阻抗頻率曲線。
全文摘要
本發(fā)明通過(guò)片狀縱波壓電換能器在彈性板中激發(fā)縱波，縱波在彈性板中傳播，到彈性板的另一表面處反射，在彈性板中形成駐波諧振動(dòng)；然后利用阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀得到彈性板的高次駐波諧振模式；再計(jì)算每個(gè)高次諧振模式的有效機(jī)電耦合系數(shù)，得到最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振模式的并聯(lián)諧振頻率，根據(jù)片狀縱波壓電換能器和被檢測(cè)彈性板的厚度方向縱波聲阻抗的關(guān)系，得到彈性板的厚度。本發(fā)明的檢測(cè)具有更高的靈敏度，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；靈敏度高、易于觀察；本發(fā)明中彈性板駐波諧振對(duì)表面狀況敏感，能標(biāo)定彈性板表面的腐蝕狀。
文檔編號(hào)G01B17/02GK101806590SQ201010132130
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者張輝, 張淑儀, 劉桂梅, 列劍平 申請(qǐng)人:南京卓實(shí)電氣有限責(zé)任公司