本公開屬機械結(jié)構(gòu)長度精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種用于測量三層復(fù)合板中間層厚度的方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，各種擁有優(yōu)異性能的復(fù)合、智能材料不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)材料因其自身局限性，在力學(xué)性能、材料特性、穩(wěn)定性、耐環(huán)境性能等方面均表現(xiàn)出一定的劣勢，難以滿足現(xiàn)代工程應(yīng)用對材料的高性能要求。未來的材料必然由傳統(tǒng)的天然、單一轉(zhuǎn)向新型的人造、復(fù)合。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成的具有新性能的材料。層狀金屬復(fù)合材料是利用復(fù)合技術(shù)使兩種或兩種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬在界面上牢固結(jié)合而形成的一種新型復(fù)合材料。它可以充分發(fā)揮各層金屬的性能優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，具有任何一個組元材料無法具備的綜合性能，有效擴大工程應(yīng)用范圍。金屬基復(fù)合材料(MMC)因其特有的高強度、高硬度、耐磨及耐高溫等優(yōu)良性能，引起國內(nèi)外材料科學(xué)者的普遍關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)展成為先進復(fù)合材料的一個重要分支。先進金屬復(fù)合材料的研究深度和應(yīng)用廣度，已成為衡量一個國家科技發(fā)展水平的標(biāo)志。

而當(dāng)前層狀金屬復(fù)合材料在加工使用的過程中，還存在一個很重要的問題，即難以對復(fù)合材料各層厚度直接進行精確測量。目前對其各層厚度的確定主要靠加工工藝來保證，難以進行直接測量，有精度差、容易因加工過程中的缺陷導(dǎo)致厚度發(fā)生改變而難以發(fā)現(xiàn)的缺點，給層狀金屬復(fù)合材料的性能保證帶來很大隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述部分問題，本公開一方面利用超聲導(dǎo)波這一新工具，提出了一種對多層復(fù)合材料中間層厚度進行精確測量的方法及設(shè)備。所述方法和設(shè)備利用超聲導(dǎo)波中的界面波穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率與中間層板厚的乘積為一定值這一原理實現(xiàn)，其計算精度高、檢測操作方便、成本低、簡單可靠，提高了鋁鋼鈦復(fù)合板中間層厚度測量效率與準(zhǔn)確性，有重大的工程意義。

一方面，本公開提供了一種用于測量三層復(fù)合板中間層厚度的方法，所述方法包括下述步驟：

S100、獲取被測三層復(fù)合板的頻厚積；

S200、獲取被測三層復(fù)合板的界面波頻散曲線；

S300、找到所述界面波頻散曲線上信號由頻散轉(zhuǎn)為不頻散時所對應(yīng)的頻率，將該頻率作為界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率；

S400、根據(jù)下述公式求得被測三層復(fù)合板中間層厚度：

進一步地，所述界面波頻散曲線通過下述步驟獲?。?/p>

S201、在被測三層復(fù)合板的中間層界面兩端分別粘貼表面波傳感器；

S202、利用表面波傳感器在界面間傳播的界面波，在被測三層復(fù)合板的中間層激勵產(chǎn)生和接收導(dǎo)波信號；

S203、利用接收到的導(dǎo)波信號，獲得界面波波速；

S204、改變表面波傳感器激勵信號的頻率，繪制激勵頻率-波速曲線，得到界面波在被測三層復(fù)合板傳播時的頻散曲線。

進一步地，所述頻厚積通過下述步驟獲?。?/p>

S101、通過對與被測三層復(fù)合板具有相同材料的三層復(fù)合板進行仿真，得到相速度頻散曲線；

S102、從所述相速度頻散曲線上找到相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率，求得所述被測三層復(fù)合板的頻厚積。

進一步地，所述步驟S204之前還包括：

S2041、預(yù)估被測三層復(fù)合板中間層厚度范圍；

S2042、利用獲取的頻厚積，根據(jù)下述公式獲得預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍，從而確定表面波傳感器激勵信號的頻率范圍：

進一步地，所述利用接收到的導(dǎo)波信號的步驟包括使用希爾伯特變換對采集到的信號進行包絡(luò)處理分析。

進一步地，所述表面波傳感器根據(jù)預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍選擇，使其中心頻率接近界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率。

另一發(fā)面，本公開提供了一種用于測量三層復(fù)合板中間層厚度的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一獲取模塊、第二獲取模塊、定位模塊、第一計算模塊，其中：

所述第一獲取模塊，被配置用于：獲取被測三層復(fù)合板的頻厚積；

所述第二獲取模塊，被配置用于：獲取被測三層復(fù)合板的界面波頻散曲線；

所述定位模塊，被配置用于：找到所述界面波頻散曲線上信號由頻散轉(zhuǎn)為不頻散所對應(yīng)的頻率，將該頻率作為界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率；

所述第一計算模塊，被配置用于：根據(jù)下述公式求得被測三層復(fù)合板中間層厚度：

進一步地，所述設(shè)備還包括表面波傳感器，用于粘貼在被測三層復(fù)合板的中間層界面兩端；

在一端中間層的表面波傳感器激勵產(chǎn)生導(dǎo)波信號，所述導(dǎo)波信號在界面間以界面波的形式傳播，在另一端的表面波傳感器接收導(dǎo)波信號。

進一步地，所述設(shè)備還包括仿真計算模塊，其被配置用于：通過對與被測三層復(fù)合板具有相同材料的三層復(fù)合板進行仿真，得到各自的相速度頻散曲線；并從所述相速度頻散曲線上找到相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率，求得所述被測三層復(fù)合板的頻厚積。

進一步地，所述設(shè)備還包括預(yù)估模塊，其被配置用于：根據(jù)預(yù)估的被測三層復(fù)合板中間層厚度范圍，利用獲取的頻厚積，根據(jù)下述公式獲得預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍，從而確定表面波傳感器激勵信號的頻率范圍：

進一步地，所述仿真計算模塊包括包絡(luò)分析單元，其被配置用于：使用希爾伯特變換對采集到的信號進行包絡(luò)處理分析。

進一步地，所述表面波傳感器根據(jù)預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍選擇，使其中心頻率接近界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率。

綜上，由于本公開在三層復(fù)合板的中間層厚度測量中采用了界面波，本公開相對于傳統(tǒng)方法具有下列顯著優(yōu)勢：

(1)本公開可用于一些不能直接測量厚度的場合，解決了傳統(tǒng)測量方法對復(fù)合板中間層厚度無法測量的問題；

(2)本公開對復(fù)合板本身無任何影響，可以在不影響復(fù)合板使用性能的基礎(chǔ)上對其各層的厚度進行測量；

(3)界面波有在穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率之后不頻散的特性，保證了其相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率與群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率的一致；

(4)本公開計算精度高、成本低，檢測操作方便，提高了復(fù)合板各層厚度測量效率；

(5)本公開簡單可靠，便于工程實踐中使用。

附圖說明

圖1為中間層厚度分別為0.04m與0.02m時三層復(fù)合板I1模式和I2模式界面波頻散曲線示意圖；

圖2為所述材料三層復(fù)合板中界面波的相速度頻散曲線；

圖中：較長的線代表測量使用的I1模式(鋁鋼界面間的界面波模式)界面波頻散曲線，穩(wěn)定轉(zhuǎn)折點為頻率為261.25KHz，較短的線為I2模式(鋼鈦界面間的界面波模式)的界面波；

圖3為鋁鋼鈦復(fù)合板中傳感器安裝示意圖，其中1、2分別為激勵傳感器和接收傳感器，l為Al-Steel界面長度，d為中間層厚度；

圖中：實線為中間層厚度為0.04m的情況，虛線為中間層厚度為0.02m的情況；

圖4為接收傳感器接收到的信號，波峰1、波峰2分別為直達波信號與反射回波信號，波峰對應(yīng)的時間分別為t₁和t₂；

圖5為對接收到的信號進行希爾伯特變換后的信號，波峰1、波峰2分別為t₁和t₂時的信號。

具體實施方式

本公開的目的之一是提供一種檢測簡單、計算準(zhǔn)確的三層復(fù)合板中間層厚度的檢測方法。下面就圖1-5講述本公開方法內(nèi)容。

步驟(一)、獲取被測三層復(fù)合板的頻厚積

三層復(fù)合板的頻厚積只與三層板的材料有關(guān)，可以通過仿真的方式獲得被測三層復(fù)合板的頻厚積，具體可以采用下述步驟進行：

S101、通過對與被測三層復(fù)合板具有相同材料的三層復(fù)合板進行仿真，得到相速度頻散曲線；

S102、從所述相速度頻散曲線上找到相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率，求得所述被測三層復(fù)合板的頻厚積。

其中，頻散曲線為波速與激勵頻率的關(guān)系曲線。

步驟(二)、獲取被測三層復(fù)合板的界面波頻散曲線

所述界面波頻散曲線優(yōu)選通過下述步驟獲?。?/p>

S201、在被測三層復(fù)合板的中間層界面兩端分別粘貼表面波傳感器；

S202、利用表面波傳感器在界面間傳播的界面波，在被測三層復(fù)合板的中間層激勵產(chǎn)生和接收導(dǎo)波信號；

S203、利用接收到的導(dǎo)波信號，獲得界面波波速；

S204、改變表面波傳感器激勵信號的頻率，繪制激勵頻率-波速曲線，得到界面波在被測三層復(fù)合板傳播時的頻散曲線。

為了獲得滿足要求的界面波頻散曲線，使用的表面波傳感器的中心頻率優(yōu)選在界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率附近，因此，需要對界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率進行預(yù)估，以確定表面波傳感器的中心頻率。對界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率進行預(yù)估可以采用下述步驟：

S2041、預(yù)估被測三層復(fù)合板中間層厚度范圍；

S2042、利用獲取的頻厚積，根據(jù)下述公式獲得預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍，從而確定表面波傳感器激勵信號的頻率范圍：

由于表面波傳感器其中心頻率一般有0.5MHz、1MHz、1.5MHz等，分布較為分散，所以存在預(yù)估的中心頻率范圍內(nèi)沒有任何一個傳感器的中心頻率的可能，但是又因為表面波傳感器帶寬很大，因此只需要找到中心頻率接近預(yù)估頻率的表面波傳感器就可以完成測量。

在步驟S203中，利用接收到的導(dǎo)波信號的步驟包括對信號進行包絡(luò)處理分析，在本方法中可以使用希爾伯特變換，也可以使用其它的方法對采集的信號進行分析處理。

步驟(三)、找到所述界面波頻散曲線上信號由頻散轉(zhuǎn)為不頻散所對應(yīng)的頻率，將該頻率作為界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率

步驟(四)、根據(jù)下述公式求得被測三層復(fù)合板中間層厚度：

由上可以看出，本公開方法是利用界面波群速度與相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率一致、頻厚積為一定值且穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率又與中間層厚度有關(guān)這一原理，在已知穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率的情況下，用頻厚積與穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率做商，進而得到三層復(fù)合板中間層的準(zhǔn)確厚度。這種方法可以解決解決傳統(tǒng)測量方法對復(fù)合板中間層厚度無法測量的問題，可以在不影響復(fù)合板使用性能的基礎(chǔ)上對其各層的厚度進行測量而對復(fù)合板無任何影響，并且計算精度高、檢測操作方便、成本低、簡單可靠，提高了三層復(fù)合板中間層厚度測量效率與準(zhǔn)確性，具有廣泛地適用性。

下面實施例將本方法應(yīng)用于鋁鋼鈦復(fù)合板中間層厚度測量，其中：鋁鋼鈦復(fù)合板是將鋁鋼鈦三層板依次粘結(jié)在一起的，即連接為完全焊接。

首先，獲取該鋁鋼鈦復(fù)合板的頻厚積。三層復(fù)合板具有下述特點：

(1)對于相同材質(zhì)的三層復(fù)合板，其中間層厚度不同，相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率也不同。圖1為中間層厚度分別為0.04m與0.02m時所述材料三層復(fù)合板I1模式和I2模式界面波頻散曲線，其中，I1模式為鋁鋼界面間的界面波模式，I2模式為鋼鈦界面間的界面波模式，實線代表中間層厚度為0.04m的情況，虛線代表中間層厚度為0.02m的情況，在I2模式下，兩種厚度的曲線幾乎重合。從圖1可知不同中間層厚度的三層復(fù)合板的相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率不同。

(2)頻厚積與三層復(fù)合板的材料有關(guān)，雖然三層復(fù)合板中間層厚度不同，相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率也不同，但是相同材質(zhì)上界面波的頻厚積相同，即：相同材料的頻厚積為一個定值，該定值等于界面波在該復(fù)合板界面間傳播時的相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率和該復(fù)合板中間層厚度的乘積。這點可以通過對相同材料的、不同厚度的三層復(fù)合板仿真獲得。

在這里，分別對中間層厚度為0.01m、0.02m、0.03m、0.04m、0.05m的鋁鋼鈦復(fù)合板進行仿真。圖2示意了對鋁鋼鈦復(fù)合板中間層厚度為0.04m進行界面波仿真的相速度頻散曲線。將鋁鋼界面間的界面波模式記作I1模式，將鋼鈦界面間的界面波模式記作I2模式，圖2中較長的線代表測量使用的I1模式，較短的線為I2模式。從相應(yīng)的圖中，找到相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率并計算了頻厚積，結(jié)果如下標(biāo)1所示，可知鋁鋼鈦復(fù)合板中I1模式的界面波頻厚積為10.45kHz·m，相同材料的頻厚積為一個定值。

表1：

從表1可知，雖然不同厚度的相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率不同，但是它們的頻厚積相同。因此，實際測量時，為了獲取鋁鋼鈦復(fù)合板的頻厚積，可以采用對于被測鋁鋼鈦復(fù)合板具有相同材質(zhì)的三層復(fù)合板進行一次仿真即可。

其次，預(yù)估被測鋁鋼鈦復(fù)合板中間層厚度范圍；利用獲取的頻厚積，根據(jù)下述公式獲得預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍，從而確定表面波傳感器激勵信號的頻率范圍：

根據(jù)上述計算結(jié)果，選擇具有距離該結(jié)果最近的中心頻率的表面波傳感器，將表面波傳感器粘貼在鋁鋼鈦復(fù)合板的中間層，如圖3所示，在中間層界面兩端分別粘貼激勵傳感器和接收傳感器，其中：1、2分別為激勵傳感器和接收傳感器，l為Al-Steel界面長度，d為中間層厚度。

圖4為接收傳感器接收到的信號。利用希爾伯特變換或者用其它方法對信號進行包絡(luò)處理分析，得到波峰1、波峰2分別為直達波信號與反射回波信號，以及波峰1、波峰2分別對應(yīng)的時間t₁和t₂如圖4所示。由此，可以獲得界面波的波速v為：

改變激勵頻率，得到多組波速值，繪制出波速v與激勵頻率f的關(guān)系曲線，得到界面波在被測三層復(fù)合板傳播時的界面波頻散曲線。

然后，從所述界面波頻散曲線上找到信號由頻散轉(zhuǎn)為不頻散時所對應(yīng)的頻率，將該頻率作為界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率。

最后，根據(jù)下述公式求得被測三層復(fù)合板中間層厚度：

另一發(fā)面，本公開提供了一種用于測量三層復(fù)合板中間層厚度的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一獲取模塊、第二獲取模塊、定位模塊、第一計算模塊，其中：

所述第一獲取模塊，被配置用于：獲取被測三層復(fù)合板的頻厚積；

所述第二獲取模塊，被配置用于：獲取被測三層復(fù)合板的界面波頻散曲線；

所述定位模塊，被配置用于：找到所述界面波頻散曲線上信號由頻散轉(zhuǎn)為不頻散所對應(yīng)的頻率，將該頻率作為界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率；

所述第一計算模塊，被配置用于：根據(jù)下述公式求得被測三層復(fù)合板中間層厚度：

進一步地，所述設(shè)備還包括表面波傳感器，用于粘貼在被測三層復(fù)合板的中間層界面兩端；

在一端中間層的表面波傳感器激勵產(chǎn)生導(dǎo)波信號，所述導(dǎo)波信號在界面間以界面波的形式傳播，在另一端的表面波傳感器接收導(dǎo)波信號。

進一步地，所述設(shè)備還包括仿真計算模塊，其被配置用于：通過對與被測三層復(fù)合板具有相同材料的三層復(fù)合板進行仿真，得到各自的相速度頻散曲線；并從所述相速度頻散曲線上找到相速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率，求得所述被測三層復(fù)合板的頻厚積。

進一步地，所述設(shè)備還包括預(yù)估模塊，其被配置用于：根據(jù)預(yù)估的被測三層復(fù)合板中間層厚度范圍，利用獲取的頻厚積，根據(jù)下述公式獲得預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍，從而確定表面波傳感器激勵信號的頻率范圍：

進一步地，所述仿真計算模塊包括包絡(luò)分析單元，其被配置用于：使用希爾伯特變換對采集到的信號進行包絡(luò)處理分析。其中，希爾伯特變換可以使用其它包絡(luò)處理方法進行替換。

進一步地，所述表面波傳感器根據(jù)預(yù)估界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率范圍選擇，使其中心頻率接近界面波群速度穩(wěn)定轉(zhuǎn)折頻率。

通過以上的實施方式的描述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本公開設(shè)備可借助軟件加必需的通用硬件的方式來實現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過專用硬件來實現(xiàn)，其中專用硬件包括專用集成電路、專用CPU、專用存儲器、專用元器件等。一般情況下，凡由計算機程序完成的功能都可以很容易地用相應(yīng)的硬件來實現(xiàn)，而且，用來實現(xiàn)同一功能的具體硬件結(jié)構(gòu)也可以是多種多樣的，例如模擬電路、數(shù)字電路或?qū)Ｓ秒娐返?。但是，對本公開而言更多情況下，涉及仿真、計算等數(shù)據(jù)處理內(nèi)容通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)是更佳的實施方式。基于這樣的理解，除了使用表面波傳感器產(chǎn)生和采集界面波信號外，本公開的技術(shù)方案中對信號處理、仿真計算和/或計算部分均可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在可讀取的存儲介質(zhì)中，如計算機的軟盤，U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本公開各個實施例所述的方法。

以上對本公開所提供的一種鋁鋼鈦復(fù)合板中間層厚度測量的方法進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本公開的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本公開的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，依據(jù)本公開的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，比如將本公開方法及裝置可以應(yīng)用于非金屬材料，如玻璃材料的復(fù)合板。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本公開的限制。