CN104792444A - 基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统，该系统由涡流传感器、测量电路、信号发生与采集装置、上位机组成，该系统中，专用涡流传感器固定在金属构件上，测量电路与信号发生与采集装置对涡流传感器的电阻抗进行测量和采集，上位机进行标定方程分析及应力换算；所述测量电路、信号发生与采集装置和上位机进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，其中涡流传感器等效电路与分压电阻串联形成RL电路，测量电路、信号发生与采集装置实现对分压电阻两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机的信号频谱及阻抗计算模块，得出涡流传感器的电阻抗Z＝R(U_i/U_R-1)。

Description

基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统

技术领域

本发明属于金属构件应力-应变的电磁测量方法与技术领域，其作用是利用涡流电阻抗对金属构件的应力进行快速、无损测量。

背景技术

电涡流法因具有无损、非接触、探测深度随频率可调控等技术特点而应用广泛，目前已发展出成熟的检测仪器设备用于金属构件的缺陷检测，但针对构件应力-应变测量的应用尚处于起步阶段。杆件承受拉伸、压缩、扭转及循环应力时，对其内部应力的测量数据有助于杆件的力学性能评价等，目前关于杆件应力尤其循环应力的无损、非接触式测量方法报道很少。要实现金属构件的应力无损测量，关键是设计专用的涡流传感器和电阻抗快速测量装置，并研究出应力与电阻抗之间高线性度、高灵敏度的换算方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，首先依据应力类型(如拉伸、压缩、扭转及循环应力等)，制订标定实验的应力加载方案，依次测量得出所有预定应力条件下涡流传感器2的电阻抗随频率的变化曲线，利用系统的标定数据分析模块30确立最佳工作频率，以及该频率下电阻抗变化率与金属构件1的应力的标定方程；其次，设置单频率工作模式，将实际测量得到的电阻抗变化率代入系统的阻抗换算及显示模块31，得到实际应力值。

图1所示为实际测量得到的一组不同应力下所述涡流传感器1的电阻抗曲线。虚线框内放大的部分展示了在0.2MHz左右，涡流传感器电阻抗曲线随应力增加的变化趋势。

以无应力时的电阻抗曲线为基准值，计算特定频率下不同应力时电阻抗与基准值的相对变化率，采用线性回归分析相对变化率与应力的关系方程，图2示出了不同频率时分析所得线性拟合方程的确定系数及斜率。其中确定系数越接近1，标定方程越接近直线方程；斜率绝对值越高，应力变化引起的涡流传感器1的电阻抗变化率越大。在频率范围处于0.1MHz～0.2MHz之间时，标定方程的确定系数和斜率绝对值均较高，可选择这一区间内的频率点作为工作频率，并由此确定该频率下应力与电阻抗变化率的方程。

为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

参见图3所示，基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统，该系统由涡流传感器2、测量电路3、信号发生与采集装置4、上位机5组成，该系统中，专用涡流传感器2固定在金属构件1上，测量电路3与信号发生与采集装置4对涡流传感器2的电阻抗进行测量和采集，上位机5进行标定方程分析及应力换算；利用该系统可实现对夹持在金属构件1上的涡流传感器2的电阻抗变化进行快速测量，以表征金属构件1的应力变化，由此形成一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法。

所述测量电路3、信号发生与采集装置4和上位机5进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，参见图4所示，其中涡流传感器等效电路6与分压电阻8(阻值为R)串联形成RL电路，测量电路3、信号发生与采集装置4实现对分压电阻8两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置4输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机5的信号频谱及阻抗计算模块29，得出涡流传感器2的电阻抗Z＝R(U_i/U_R-1)(Z,U_i,U_R均为复数形式)。

测量电路3包括取样信号输出接口一7、分压电阻8、取样信号输出接口二9、信号输入接口10、涡流传感器端口11；取样信号输出接口一7与信号发生与采集装置4的信号输出通道相连，取样信号输出接口一7和取样信号输出接口二9分别与信号发生与采集装置4的信号接收通道CH1、信号接收通道CH2相连，涡流传感器端口11连接至涡流传感器4。

所述上位机5对金属构件1的应力和涡流传感器2的电阻抗变化率数据进行线性回归分析，选取线性拟合方程的确定系数和斜率绝对值均较高的频率点，并确立应力与电阻抗变化率的标定方程；在实际测量时，上位机5将测算得出的特定频率下涡流传感器2的电阻抗变化率代入标定方程，自动、快速计算并显示出金属构件1的应力值，完成单次测算、显示过程所需时间小于50ms，也即该系统对应力的采样率可大于20Hz。

测量金属杆件时，参见图5所示，两个传感器单元12分别预先安装于两个夹持部件14内，对位扣合在金属杆件1表面；参见图6所示，采用上、下两个滑动盖板15进行封固，使涡流传感器2夹持在金属杆件1上；参见图7所示，所述涡流传感器2的核心为两个传感器单元12，制作时将绕有感应线圈18的软磁磁芯17经环氧树脂分别封装于两个黄铜材质的屏蔽外壳19内；参见图8所示，当金属杆件1直径收缩时，内嵌于夹持部件14的预紧弹簧22及与之固接的垫压板21可自动调整传感器单元12的位置，使得传感器单元12与金属杆件1间保持紧密接触。固定螺母16防止在没有安装传感器单元12时，预紧弹簧22、垫压板21及其螺栓导杆20意外滑落。

类似地，参见图9所示，测量金属板件时，将传感器单元12安装于旋转部件23内，底座24固定于被测金属板件1表面；参见图10所示，涡流传感器2方向改变时，旋转部件23上的固定部件25与底座24上45°间隔的凹槽26可固定其方向，参见图11所示，旋钮27上的固定凹槽28将整个旋转机构固定在底座24上，通过手动旋转夹具实现对金属板件上不同方向的应力进行测量。

参见图12的基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，其上位机5的后面板包括系统配置模块、信号频谱及阻抗计算模块29、标定数据分析模块30、阻抗换算及显示模块31。参见图13所示，以信号频谱及阻抗计算模块31为例，显示了LabVIEW软件与Matlab软件的嵌套调用程序代码。上位机5具有标定和测量两种工作模式；

进行关系方程标定时，主要步骤如下：

步骤1)系统测量得到激励信号U_i、电压U_R，经由上位机5的信号频谱计算模块29计算得到涡流传感器2的电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤2)对金属构件1施加不同应力y，按照步骤1)，测量所述涡流传感器2电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤3)以拟合方程的确定系数和斜率为指标，对记录的应力y与不同频率下的电阻抗x数据进行对比分析，确定最优工作频率，以及该频率下的标定关系方程：y＝kx+b；

进行应力测量时：上位机5的阻抗换算及显示模块31将信号频谱及阻抗计算模块29输出的电阻抗x代入标定关系方程，计算并显示出金属构件1的应力y。

本发明的有益效果如下：

1.本发明可以方便地测定涡流传感器2的电阻抗，并可用于确定金属构件1应力与电阻抗的标定关系方程，最终实现金属构件1应力的测量，对应力的采样率达20Hz；

2.本发明所述涡流传感器2安装于金属杆件1上时，采用了便于拆卸的组装式夹持装置。该装置具有预紧机构，当金属杆件1直径收缩时可保证传感器单元12与金属杆件1间保持紧密接触，提高了测量结果的稳定性和可靠性；所述涡流传感器2安装于金属板件1时，以45°为旋转角度间隔，对不同方向的应力进行测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1实际测量所得不同应力条件下涡流传感器的电阻抗曲线分布结果；

图2实际测量电阻抗与标定应力数据的线性拟合确定系数、斜率分析计算结果；

图3应力测量系统示意图；

图4涡流传感器电阻抗测量电路原理图；

图5金属杆件涡流传感器的传感器单元、夹持部件的组装位置示意图；

图6安装于金属杆件的涡流传感器结构示意图；

图7涡流传感器传感器单元的结构示意图；

图8金属杆件涡流传感器的预紧机构示意图；

图9金属板件测试用涡流传感器结构示意图；

图10金属板件测试用涡流传感器的固定装置示意图；

图11金属板件测试用涡流传感器的旋钮示意图；

图12上位机软件界面；

图13上位机软件的后面板截图；

图14上位机软件运行流程图；

图15本发明所述系统实际测量的时变应力数据与标定传感器数据的对比结果。

图中：1、金属构件，2、涡流传感器，3、测量电路，4、信号发生与采集装置，5、上位机，6、涡流传感器等效电路，7、取样信号输出接口一，8、分压电阻，9、取样信号输出接口二，10信号输入接口，11、涡流传感器端口，12、传感器单元，14夹持部件，15、滑动盖板，16、固定螺母，17、软磁磁芯，18、感应线圈，19、屏蔽外壳，20、螺栓导杆，21、垫压板，22、预紧弹簧，23、旋转部件，24、底座，25、固定部件，26、凹槽，27、旋钮，28、固定凹槽，29、信号频谱计算模块，30、标定数据分析模块，31、阻抗换算及显示模块。

具体实施方式

参见图3所示，本系统的标定测试实验中可采用以下两种加载方式：1)对金属构件施加拉伸、压缩或扭转应力，模拟静载；2)对金属构件施加轴向循环应力，模拟动载。以测量金属杆件为例，选定加载方式后，下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明的具体实施方式。

基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统，参见图3所示，所述系统包括夹持在金属杆件(5mm不锈钢杆)上的涡流传感器、测量电路、信号发生与采集装置和上位机。当金属杆件的应力发生变化时，所述系统可通过测量涡流传感器的电阻抗变化，快速计算并显示出金属杆件的应力值。

参见图4所示，所述测量电路包括取样信号输出接口一、分压电阻、取样信号输出接口二、信号输入接口、涡流传感器端口；其连接方式为:取样信号输出接口一与信号发生与采集装置的信号输出通道相连，取样信号输出接口一和取样信号输出接口二分别与信号发生与采集装置的信号接收通道CH1、信号接收通道CH2相连，涡流传感器端口连接至涡流传感器。涡流传感器与分压电阻(阻值为R)串联形成RL电路，信号发生与采集装置可通过取样信号输出接口一实现对分压电阻两端电压U_R的快速测量，结合由取样信号输出接口二测得的信号发生与采集装置输入至RL电路的激励信号U_i，可经由上位机计算得出涡流传感器的电阻抗。

在测量开始前，要将传感器安装在金属杆件上，首先参见图5所示，两个传感器单元分别预先安装于两个夹持部件内，对位扣合在金属杆件表面。然后参见图6所示，采用上、下两个滑动盖板对两个夹持部件进行封固，使涡流传感器夹持在金属杆件上。

传感器的制作参见图7所示，涡流传感器的核心为两个传感器单元，制作时将绕有感应线圈的软磁磁芯经环氧树脂分别封装于两个黄铜材质的屏蔽外壳内。

另外，夹持部件的设计参见图8所示，当金属杆件直径收缩时，内嵌于夹持部件的预紧弹簧及与螺栓导杆固接的垫压板可自动调整传感器单元的位置，使得传感器单元与金属杆件间保持紧密接触。

参见图9所示，在安装好传感器后，在上位机软件输入激励信号幅值、频率、分压电阻阻值R等参数后，运行软件。信号显示模块会实时显示信号发生与采集装置采集到的信号时域波形图，操作人员可用其确认测量系统是否运行正常。计算得到的电阻抗数据会在阻抗换算及显示模块显示，进而可以保存在标定数据分析模块并能够进行线性拟合处理。当线性拟合过程完成，得到合适的标定关系方程后，利用电阻抗换算得到的应力数据也会显示在阻抗换算及显示模块中。

参见图10所示，上位机软件的部分后面板程序，以信号频谱及阻抗计算模块为例，该模块分为信号显示模块、信号频谱计算模块、阻抗计算模块。信号显示模块用于将信号发生与采集装置采集到的信号时域波形图显示在前面板上；信号频谱计算模块将采集到的两路信号通过LabVIEW软件平台的Matlab节点功能输入到Matlab程序中，进行频域分析及阻抗运算，并返回计算得到的电阻抗幅值和相位角；最后，阻抗计算模块将电阻抗的幅值和相位角换算成电阻值R、电感值L或电容值C。

参见图11所示，结合软件流程图，简要介绍一次标准测量中整个系统的测量步骤。基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统具有标定、测量两种模式。在系统连接正确、传感器安装完毕，进行正式测量前，需对传感器进行标定，主要步骤如下：

步骤1)设置激励信号幅值、起始频率、频率步长、截止频率，为金属杆件加载初始应力；

步骤2)上位机控制信号发生与采集装置激励产生正弦波信号，频率由起始频率开始，以频率步长为增量，不断增加至截止频率。通过信号发生与采集装置测得的激励信号U_i、电压U_R计算所述涡流传感器不同频率下的电阻抗，得到电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤3)对金属杆件1施加不同应力y，按照步骤2)，测量所述涡流传感器2电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤4)在全部应力施加完毕后，上位机对不同频率下涡流传感器的电阻抗进行线性回归分析，计算得到不同的标定关系方程。以线性拟合确定系数和斜率绝对值为指标，对记录的应力y与不同频率下的电阻抗x数据进行对比分析，确定最优工作频率，以及该频率下的标定关系方程：y＝kx+b。

至此标定工作完成，可以进行正式测量。进行应力测量时：上位机通过激励具有优选频率的正弦信号，来测量该频率下涡流传感器的电阻抗。上位机的阻抗换算及显示模块将信号频谱及阻抗计算模块输出的该频率下的电阻抗x代入标定关系方程，计算并显示出金属杆件的应力y。

以下是一组实际测量中得到的数据，在选定最佳频率后，对金属杆件施加轴向时变应力，采用本发明所述方法和系统进行了跟踪测量，所测量得到的数据与标定传感器数据进行了对比，参见图12所示，所述方法与系统测得的数据与标定传感器数据基本一致，可以认为所述方法与系统能够准确地对金属杆件应力进行测量。

Claims (2)

1.基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，其特征在于：该系统由涡流传感器(2)、测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)、上位机(5)组成，该系统中，专用涡流传感器(2)固定在金属构件(1)上，测量电路(3)与信号发生与采集装置(4)对涡流传感器(2)的电阻抗进行测量和采集，上位机(5)进行标定方程分析及应力换算；利用该系统可实现对夹持在金属构件(1)上的涡流传感器(2)的电阻抗变化进行快速测量，以表征金属构件(1)的应力变化，由此形成一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法；

所述测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)和上位机(5)进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，其中涡流传感器等效电路(6)与分压电阻(8)串联形成RL电路，测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)实现对分压电阻(8)两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置(4)输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机(5)的信号频谱及阻抗计算模块(29)，得出涡流传感器(2)的电阻抗Z＝R(U_i/U_R-1)；

测量电路(3)包括取样信号输出接口一(7)、分压电阻(8)、取样信号输出接口二(9)、信号输入接口(10)、涡流传感器端口(11)；取样信号输出接口一(7)与信号发生与采集装置(4)的信号输出通道相连，取样信号输出接口一(7)和取样信号输出接口二(9)分别与信号发生与采集装置(4)的信号接收通道CH1、信号接收通道CH2相连，涡流传感器端口(11)连接至涡流传感器(4)；

所述上位机(5)对金属构件(1)的应力和涡流传感器(2)的电阻抗变化率数据进行线性回归分析，选取线性拟合方程的确定系数和斜率绝对值均较高的频率点，并确立应力与电阻抗变化率的标定方程；在实际测量时，上位机(5)将测算得出的特定频率下涡流传感器(2)的电阻抗变化率代入标定方程，自动、快速计算并显示出金属构件(1)的应力值，完成单次测算、显示过程所需时间小于50ms，也即该系统对应力的采样率可大于20Hz；

测量金属杆件时，两个传感器单元(12)分别预先安装于两个夹持部件(14)内，对位扣合在金属杆件(1)表面；采用上、下两个滑动盖板(15)进行封固，使涡流传感器(2)夹持在金属杆件(1)上；所述涡流传感器(2)的核心为两个传感器单元(12)，制作时将绕有感应线圈(18)的软磁磁芯(17)经环氧树脂分别封装于两个黄铜材质的屏蔽外壳(19)内；当金属杆件(1)直径收缩时，内嵌于夹持部件(14)的预紧弹簧(22)及与之固接的垫压板(21)自动调整传感器单元(12)的位置，使得传感器单元(12)与金属杆件(1)间保持紧密接触；固定螺母(16)防止在没有安装传感器单元(12)时，预紧弹簧(22)、垫压板(21)及其螺栓导杆(20)意外滑落；

测量金属板件时，将传感器单元(12)安装于旋转部件(23)内，底座(24)固定于被测金属板件(1)表面；涡流传感器(2)方向改变时，旋转部件(23)上的固定部件(25)与底座(24)上45°间隔的凹槽(26)固定其方向，旋钮(27)上的固定凹槽(28)将整个旋转机构固定在底座(24)上，通过手动旋转夹具实现对金属板件上不同方向的应力进行测量；

基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，其上位机(5)的后面板包括系统配置模块、信号频谱及阻抗计算模块(29)、标定数据分析模块(30)、阻抗换算及显示模块(31)；以信号频谱及阻抗计算模块(31)为例，显示了LabVIEW软件与Matlab软件的嵌套调用程序代码。

2.基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法，其特征在于：该系统具有标定、测量两种模式；在系统连接正确、传感器安装完毕，进行正式测量前，需对传感器进行标定，主要步骤如下：

步骤1)设置激励信号幅值、起始频率、频率步长、截止频率，为金属杆件加载初始应力；

步骤2)上位机控制信号发生与采集装置激励产生正弦波信号，频率由起始频率开始，以频率步长为增量，不断增加至截止频率；通过信号发生与采集装置测得的激励信号U_i、电压U_R计算所述涡流传感器不同频率下的电阻抗，得到电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤3)对金属杆件(1)施加不同应力y，按照步骤2)，测量所述涡流传感器(2)电阻抗随频率变化的分布曲线；

步骤4)在全部应力施加完毕后，上位机对不同频率下涡流传感器的电阻抗进行线性回归分析，计算得到不同的标定关系方程；以线性拟合确定系数和斜率绝对值为指标，对记录的应力y与不同频率下的电阻抗x数据进行对比分析，确定最优工作频率，以及该频率下的标定关系方程：y＝kx+b；

至此标定工作完成，进行正式测量；进行应力测量时：上位机通过激励具有优选频率的正弦信号，来测量该频率下涡流传感器的电阻抗；上位机的阻抗换算及显示模块将信号频谱及阻抗计算模块输出的该频率下的电阻抗x代入标定关系方程，计算并显示出金属杆件的应力y。