CN103994843A - 一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统及方法，该系统包括依次连接的信号发生器、功率放大器、探头、调制电路、滤波放大器、数据采集卡和计算机，探头包括和带有角度刻度盘的塑料基底粘合于一体的十字形柔性激励线圈，在十字形柔性激励线圈的四个十字臂中分别固定有第一固态磁场传感器、第二固态磁场传感器、第三固态磁场传感器和第四固态磁场传感器，十字形柔性激励线圈的中心定位点O与带有角度刻度盘的塑料基底的圆心重合，第一固态磁场传感器和第三固态磁场传感器的连线方向与0°-180°方向重合，第二固态磁场传感器和第四固态磁场传感器的连线方向与90°-270°方向重合；本发明还提供上述系统的检测和评估方法，能够对航空铝合金构件的残余应力进行定量与定向检测。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统及方法。
背景技术
目前，飞机、航天/航空器结构中广泛采用航空铝合金构件，该构件的材料为航空铝合金。航空铝合金的优势在于其具有较高的比强度和比刚度，能够减轻飞机的结构重量、改善飞行性能、增加经济效益。此外，航空铝合金还具有良好的可加工性，有利于航空零部件的制造。飞机结构中的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框、机轮和起落架广泛采用航空铝合金。
航空铝合金构件在加工和使用的过程中易产生残余应力，残余应力的存在降低了航空铝合金构件使用寿命，影响飞机安全性。目前除对航空铝合金构件残余应力进行有损测定之外，在无损检测方面，多采用基于单频/多频涡流检测和脉冲涡流检测的残余应力测定方法，然而这些方法普遍存在无法对航空铝合金构件残余应力方向进行测定的劣势。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统及方法，能够对航空铝合金构件的残余应力进行定量与定向检测。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统，包括依次连接的信号发生器、功率放大器、探头、调制电路、滤波放大器、数据采集卡和计算机，所述探头包括和带有角度刻度盘的塑料基底粘合于一体的十字形柔性激励线圈，在所述十字形柔性激励线圈的四个十字臂中分别固定有第一固态磁场传感器1、第二固态磁场传感器2、第三固态磁场传感器3和第四固态磁场传感器4，十字形柔性激励线圈的中心定位点O与带有角度刻度盘的塑料基底的圆心重合，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向与0°-180°方向重合，第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向与90°-270°方向重合。
上述所述系统的检测和评估方法，包括脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立和航空铝合金构件残余应力定量与定向检测；
(1)脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立，具体方法如下：
预制无残余应力的航空铝合金标准件和已知不同残余应力大小的n个航空铝合金标准件，将所述检测和评估系统的探头紧密贴附于无残余应力的航空铝合金标准件上，检测和评估系统的信号发生器和功率放大器在驱动十字形柔性激励线圈的同时，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3将其所处位置的总磁场强度转变为电信号即总磁场信号，由计算机通过数据采集卡分别采集第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3所处位置的总磁场信号V10和V30；利用LabVIEW求取第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3所处位置总磁场信号的平均值，得到无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0，V0＝(V10+V30)/2；以此方法将探头紧密贴附于已知不同残余应力的n个航空铝合金标准件上，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向平行于已知残余应力的预制方向，可测得在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V1，V2，…，Vn，其中V1＝(V11+V31)/2，V2＝(V12+V32)/2，…，Vn＝(V1n+V3n)/2，共n个信号；将所得的n个信号分别与上述得到的无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn，其中ΔV1＝V1-V0，ΔV2＝V2-V0，…，ΔVn＝Vn-V0；分别提取差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn的正峰值作为脉冲涡流信号特征量A1，A2，…，An，由于各脉冲涡流信号特征量与已知不同大小的航空铝合金构件残余应力相关联，能够绘制得到脉冲涡流信号特征量-航空铝合金构件残余应力的标定曲线，经过曲线拟合得到其对应函数σ＝f(A)，其中σ表征为航空铝合金构件残余应力，A表征为脉冲涡流信号特征量；
(2)对待测航空铝合金构件进行残余应力检测，具体方法如下：
将检测和评估系统的探头紧密贴附于待测航空铝合金构件表面，其中心定位点O与被测点重合，分别测取在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V13、在第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V24，将V13和V24分别与无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV13和ΔV24。分别提取ΔV13和ΔV24的信号极大值A13和A24，将其输入函数σ＝f(A)，逆向求解可得到在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上、第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向上的残余应力大小σ1、σ2，根据公式得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的大小；由公式可得在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的方向与第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向的夹角θ，根据探头角度刻度盘得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力相对于第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线的方向；重复此方法，能够得到在不同被测点处待测航空铝合金构件残余应力的大小和方向。
本发明和现有技术相比较，具备如下优点：
1、本发明的探头为柔性结构，可有效贴附于待测航空铝合金构件表面，采用该探头可实现具有方向性的脉冲涡流检测，能够检测出航空铝合金的残余应力大小和方向。
2、本发明方法首先采用本发明所述系统，建立脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线及其拟合函数，采用本发明所述系统对待测航空铝合金构件进行残余应力检测时，将所获取的脉冲涡流信号特征量输入脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的拟合函数，逆向求解得到在第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向上、第二固态磁场传感器(2)和第四固态磁场传感器(4)的连线方向上的对待测航空铝合金构件残余应力大小，通过三角关系，进一步得出对待测航空铝合金构件残余应力方向，实现对待测航空铝合金构件残余应力大小和方向的同时检测。
附图说明
图1为本发明系统组成框图。
图2为本发明探头结构示意图。
图3为本发明得到的在不同被测点处待测航空铝合金构件残余应力的大小和方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统，包括依次连接的信号发生器、功率放大器、探头、调制电路、滤波放大器、数据采集卡和计算机，所述探头包括和带有角度刻度盘的塑料基底粘合于一体的十字形柔性激励线圈，在所述十字形柔性激励线圈的四个十字臂中分别固定有第一固态磁场传感器1、第二固态磁场传感器2、第三固态磁场传感器3和第四固态磁场传感器4，十字形柔性激励线圈的中心定位点O与带有角度刻度盘的塑料基底的圆心重合，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向与0°-180°方向重合，第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向与90°-270°方向重合。其中，信号发生器负责生成脉冲激励信号，该信号通过功率放大器的放大，用以驱动十字形柔性激励线圈，使之激发暂态磁场。由电磁感应原理可知，当探头贴附于航空铝合金构件表面时，十字形柔性激励线圈所激发的暂态磁场(亦称为初级磁场)在航空铝合金构件内部感应出涡流，该涡流进而激发涡流磁场(亦称为次级磁场)。采用固态磁场传感器可拾取初级磁场与次级磁场的叠加场(亦称为总磁场)信号，通过调制电路及滤波放大器对该信号的前置处理(解耦、滤波和放大)，由数据采集卡将前置处理后的信号转为数字信号，输入计算机进行后处理(包括信号处理、特征量提取、检测结果的显示等)。
上述所述系统的检测和评估方法，包括脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立和航空铝合金构件残余应力定量与定向检测；
(1)脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立，具体方法如下：
预制无残余应力的航空铝合金标准件和已知不同残余应力大小的n个航空铝合金标准件，将所述检测和评估系统的探头紧密贴附于无残余应力的航空铝合金标准件上，检测和评估系统的信号发生器和功率放大器在驱动十字形柔性激励线圈的同时，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3将其所处位置的总磁场强度转变为电信号即总磁场信号，由计算机通过数据采集卡分别采集第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3所处位置的总磁场信号V10和V30；利用LabVIEW求取第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3所处位置总磁场信号的平均值，得到无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0，V0＝(V10+V30)/2；以此方法将探头紧密贴附于已知不同残余应力的n个航空铝合金标准件上，第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向平行于已知残余应力的预制方向，可测得在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V1，V2，…，Vn，其中V1＝(V11+V31)/2，V2＝(V12+V32)/2，…，Vn＝(V1n+V3n)/2，共n个信号；将所得的n个信号分别与上述得到的无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn，其中ΔV1＝V1-V0，ΔV2＝V2-V0，…，ΔVn＝Vn-V0；分别提取差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn的正峰值作为脉冲涡流信号特征量A1，A2，…，An，由于各脉冲涡流信号特征量与已知不同大小的航空铝合金构件残余应力相关联，能够绘制得到脉冲涡流信号特征量-航空铝合金构件残余应力的标定曲线，经过曲线拟合得到其对应函数σ＝f(A)，其中σ表征为航空铝合金构件残余应力，A表征为脉冲涡流信号特征量；
(2)对待测航空铝合金构件进行残余应力检测，具体方法如下：
将检测和评估系统的探头紧密贴附于待测航空铝合金构件表面，其中心定位点O与被测点重合，分别测取在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V13、在第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V24，将V13和V24分别与无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV13和ΔV24。分别提取ΔV13和ΔV24的信号极大值A13和A24，将其输入函数σ＝f(A)，逆向求解可得到在第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向上、第二固态磁场传感器2和第四固态磁场传感器4的连线方向上的残余应力大小σ1、σ2，根据公式得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的大小；由公式可得在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的方向与第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线方向的夹角θ，根据探头角度刻度盘得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力相对于第一固态磁场传感器1和第三固态磁场传感器3的连线的方向；如图3所示。重复此方法，能够得到在不同被测点处待测航空铝合金构件残余应力的大小和方向。
Claims (2)
1.一种航空铝合金构件残余应力检测和评估系统，包括依次连接的信号发生器、功率放大器、探头、调制电路、滤波放大器、数据采集卡和计算机，其特征在于：所述探头包括和带有角度刻度盘的塑料基底粘合于一体的十字形柔性激励线圈，在所述十字形柔性激励线圈的四个十字臂中分别固定有第一固态磁场传感器(1)、第二固态磁场传感器(2)、第三固态磁场传感器(3)和第四固态磁场传感器(4)，十字形柔性激励线圈的中心定位点O与带有角度刻度盘的塑料基底的圆心重合，第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向与0°-180°方向重合，第二固态磁场传感器(2)和第四固态磁场传感器(4)的连线方向与90°-270°方向重合。
2.权利要求1所述系统的检测和评估方法，其特征在于：包括脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立和航空铝合金构件残余应力定量与定向检测；
(1)脉冲涡流信号特征量-航空铝合金残余应力标定曲线的建立，具体方法如下：
预制无残余应力的航空铝合金标准件和已知不同残余应力大小的n个航空铝合金标准件，将所述检测和评估系统的探头紧密贴附于无残余应力的航空铝合金标准件上，检测和评估系统的信号发生器和功率放大器在驱动十字形柔性激励线圈的同时，第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)将其所处位置的总磁场强度转变为电信号即总磁场信号，由计算机通过数据采集卡分别采集第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)所处位置的总磁场信号V10和V30；利用LabVIEW求取第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)所处位置总磁场信号的平均值，得到无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0，V0＝(V10+V30)/2；以此方法将探头紧密贴附于已知不同残余应力的n个航空铝合金标准件上，第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向平行于已知残余应力的预制方向，可测得在第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V1，V2，…，Vn，其中V1＝(V11+V31)/2，V2＝(V12+V32)/2，…，Vn＝(V1n+V3n)/2，共n个信号；将所得的n个信号分别与上述得到的无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn，其中ΔV1＝V1-V0，ΔV2＝V2-V0，…，ΔVn＝Vn-V0；分别提取差分信号ΔV1，ΔV2，…，ΔVn的正峰值作为脉冲涡流信号特征量A1，A2，…，An，由于各脉冲涡流信号特征量与已知不同大小的航空铝合金构件残余应力相关联，能够绘制得到脉冲涡流信号特征量-航空铝合金构件残余应力的标定曲线，经过曲线拟合得到其对应函数σ＝f(A)，其中σ表征为航空铝合金构件残余应力，A表征为脉冲涡流信号特征量；
(2)对待测航空铝合金构件进行残余应力检测，具体方法如下：
将检测和评估系统的探头紧密贴附于待测航空铝合金构件表面，其中心定位点O与被测点重合，分别测取在第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V13、在第二固态磁场传感器(2)和第四固态磁场传感器(4)的连线方向上两固态磁场传感器所处位置总磁场信号的平均值V24，将V13和V24分别与无残余应力标准件总磁场信号的平均值V0做差，得到差分信号ΔV13和ΔV24。分别提取ΔV13和ΔV24的信号极大值A13和A24，将其输入函数σ＝f(A)，逆向求解可得到在第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向上、第二固态磁场传感器(2)和第四固态磁场传感器(4)的连线方向上的残余应力大小σ1、σ2，根据公式得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的大小；由公式可得在被测点处待测航空铝合金构件残余应力σ的方向与第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线方向的夹角θ，根据探头角度刻度盘得到在被测点处待测航空铝合金构件残余应力相对于第一固态磁场传感器(1)和第三固态磁场传感器(3)的连线的方向；重复此方法，能够得到在不同被测点处待测航空铝合金构件残余应力的大小和方向。
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