摘要
摘要
钢构件具有强度高、塑性和韧性好、装配性优良等优点，在基础工程领域
得到了广泛的使用。长期服役状态下的钢构件容易出现应力集中现象，这可能
导致钢结构局部甚至整体失效。因此，研究基于超声的无损应力测量技术对于
监测钢结构的安全服役具有重要意义。
本文基于临界折射纵波应力测量机理，搭建了超声应力测量系统的软硬件
平台，针对临界折射纵波的传播特性，设计了一发双收的测量方式。在发射端
设计了高压脉冲驱动电路用于驱动压电探头产生高频机械振动，在接收端进行
回波的采集并传输到上位机中进行信号的处理与应力的估计。
基于声弹性理论推导并简化了应力与超声波速之间的数学模型，在此基础
上设计了超声信号处理的基本流程。在信号预处理方面，使用小波阈值降噪算
法对回波信号进行降噪预处理，并对其中的阈值函数进行优化，仿真结果表明
优化后的阈值函数具有更优的降噪性能。在声时提取方面，提出了基于互相关
的声时估计方法，在一发双收模式下通过互相关对两组回波的相关性进行评价，
将互相关序列的峰值点作为回波重合的标志，进而提取出超声的传播时间，仿
真结果表明互相关法相较于传统的峰值法和阈值法具有更高的稳定性和精度。
搭建实验平台，以Q235试件作为实验对象测试超声应力测量系统的稳定
性和精度。在固定拉应力条件下，使用峰值法重复测量15次的最大测量误差在
50MPa左右，标准差最高达到了50，而互相关法的测量误差在10MPa以内且
标准差在5以内，具有更高的稳定性。在0~220MPa范围内的15组随机应力
测量中，互相关法的最大测量偏差约为6MPa，整体上保证测量偏差在20MPa
以内。
关键词：应力测量；信号处理；小波降噪；互相关法；声时估计方法
-I-
Abstract
Abstract
Steelmemberhasbeenwidelyusedinthefieldoffoundationengineering
becauseofitshighstrength,goodplasticityandtoughness.Stressconcentrationis
easytooccurinsteelmembersunderlongservicecondition,whichmayleadto
partialorevenwholefailureofsteelstructure.Therefore,itisimportanttostudythe
nondestructivestressmeasurementtechnologybasedonultrasoundforthehealth
detectionofsteelmaterials.
Basedonthestressmeasurementprincipleofcriticalrefractedlongitudinal
(LCR)wave,thehardwareandsoftwareoftheultrasonicstressmeasurementdevice
wasbuilt.AccordingtothepropagationcharacteristicsoftheLCRwave,the
methodofone-transmitterandtwo-receiverwasdesigned.Inthetransmitter,ahigh
voltagepulsedrivingcircuitwasdesigned