CN109708793A - 应力测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力测试系统，包括：应力测试仪、计算机；所述应力测试仪连接至所述计算机；所述应力测试仪包括壳体、第一探头、第二探头；其中，所述应力测试仪工作时需要连接两个探头；其中，所述第一探头为测量探头，在测试时所述第一探头放在被测工件上；所述第二探头为补偿探头，在测试时将所述第二探头放在参考板上。此外，本发明还公开了一种应力测试方法。本发明公开的应力测试系统及方法适用于钢、铸铁等铁磁性材料的应力测试，可无损检测残余应力沿层深的分布，具有友好的人机对话界面，操作方便。

Description

应力测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及应力测试技术领域，特别涉及一种应力测试系统及方法。

背景技术

在机械制造、石油化工、航天航空、建筑工程、铁路公路、水利电力等领域，材质的应力状态和微观结构是影响其运行寿命的主要因素。无损地检测结构的残余应力和某些机械性质具有重要的经济意义和实用价值。磁测法是根据铁磁材料受力后，根据磁性的变化来评定内应力。现有技术中，常用的方法有磁噪声法和磁应变法。

磁噪声法：在磁场和应力作用下，导致磁畴发生一定规律的取向，产生电脉冲信号，信号频率从数kHz至数百kHz，称为巴克豪森噪声(B.N)。B.N信号的大小一般以峰值或平均值来表示。材料内应力和机械性质与B.N信号有一定的对应关系。磁噪声法就是根据B.N信号的大小来测定应力和一些微观缺陷，可以测量0.01mm左右浅层残余应力。

磁应变法：利用铁磁材料的磁致伸缩效应来测定应力，磁致伸缩的极值与应力有着较好的对应关系。同时磁弹相互作用，产生磁各向异性，磁导率作为张量与应力张量有着一定的联系。分布应力磁测仪，其基本原理是通过传感器(探头)和一定电路将磁导率的变化转变为电流量的变化，建立应力和电流值的函数关系，通过电流量的测量来确定应力。在一定的条件下，也可确定材料的某些性质，如热处理状态、含碳量、硬度等。

现有技术中，电磁法测量残余应力的技术方案基本都是建立在磁弹模型基础上进行实施的，该模型在20世纪30年代被研发出来；然而，该种测量残余应力的技术方案只能测定平面应力的主应力差和主方向，其中主应力的大小还需多点测量，利用切应力差法进行计算，分离出主应力。如此，测量焊缝一点的应力需从已知应力点测量到测点，在工作量增加的同时还会带来累积误差。

发明人经研究发现，目前国内外磁法测量残余应力的方法均以上世纪30年代建立的磁弹物理模型为基础，该种方法只能直接测量单轴应力。在美国，采用巴克豪森效应测量残余应力的方法开发较早，应用较为广泛；日本在20世纪70年代开始采用探头测量应力，根据磁致伸缩效应直接测量一点的主应力差。而到现在为止，国内外尚无二维残余应力直接进行测量的仪器和方法。

发明内容

基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种应力测试方法，包括：

步骤1，将计算机和应力测试仪连接好，启动计算机中的应力测试程序，然后给所述应力测试仪加电；

步骤2，通过应力测试程序针对被测工件建立空间坐标；

步骤3，通过应力测试程序设置被测工件的材料参数；

步骤4，通过应力测试程序设置应力测试系统的工作参数，包括设置探头参数、设置与电路相关的参数、设置激励电流范围、设置测量灵敏度系数、设置曲率修正电流；

步骤5，运行所述应力程序测试所述被测工件的应力；

步骤6，所述应力测试系统输出应力测试结果。

在一种实施例中，所述通过应力测试程序针对被测工件建立空间坐标包括设置坐标点数、设置坐标刻度。

在一种实施例中，所述通过应力测试程序设置被测工件的材料参数具体包括设置被测工件材料的电阻率、相对磁导率。

在一种实施例中，所述应力测试程序中包括灵敏系数标定程序，利用所述灵敏度系数标定程序进行灵敏系数标定。

在一种实施例中，所述运行所述应力程序测试所述被测工件的应力具体包括：

步骤5.1,针对不同层深选择激磁电流，对被测工件的测试点进行采样处理；

步骤5.2，在所述应力测试程序中输入边界值和已知测试点的应力值；

步骤5.3，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算平均应力；

步骤5.4，在计算完被测工件的平均应力后，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算分布应力。

此外，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种应力测试系统。

所述应力测试系统包括应力测试仪、计算机；所述应力测试仪连接至所述计算机；

所述计算机上具有USB接口、显示屏；

所述应力测试仪包括壳体、第一探头、第二探头；

所述壳体上具有前面板、后面板；所述壳体中容纳有电源模块、USB模块；

所述前面板上设置有电源开关、电源指示灯、第一探头插孔、第二探头插孔、平衡调节旋钮；

其中，所述应力测试仪工作时需要连接两个探头；所述第一探头、所述第二探头分别连接到前面板上的第一探头插孔和第二探头插孔中；

其中，所述第一探头为测量探头，在测试时所述第一探头放在被测工件上；所述第二探头为补偿探头，在测试时将所述第二探头放在参考板上；

所述后面板上设置有电源插座、USB接口；所述电源插座连接所述电源模块，所述USB接口连接所述USB模块；

其中，所述应力测试仪与其连接的所述计算机之间采用USB接口进行通讯，所述应力测试仪的USB接口可通过USB数据线连接到所述计算机的USB接口上。

在一种实施例中，所述电源开关为带锁开关；所述电源指示灯在开关至开位时所述电源指示灯点亮。

在一种实施例中，所述应力测试仪与其连接的所述计算机之间采用USB接口进行通讯，所述应力测试仪的USB接口可通过USB数据线连接到所述计算机的USB接口上。

在一种实施例中，所述应力测试仪的电源插座为交流供电的电源插座，该电源插座内包含保险丝座或熔断器。

在一种实施例中，在所述应力测试仪进行测量之前进行调零处理，将两个探头放在同一块无应力钢板上，调节平衡调节旋钮使所述计算机的屏幕显示的测量电流为零。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明提出的应力测试系统适用于钢、铸铁等铁磁性材料，可无损检测残余应力沿层深的分布；测试界面简洁明快；测试仪与计算机采用USB接口通讯，与笔记本或台式机连接方便；随测量深度变化自动调节激励电流大小和激励信号频率；测量、采样、计算、绘图全部由计算机控制；测试数据、测量结果均能以文本文件形式保存或打印，测量结果能够以曲线形式保存或打印；可选择适合的测试路径，以避开不能或不需要的测试点；对于曲面测量，备有修正程序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明中的应力测试系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开了一种应力测试系统。所述应力测试系统包括应力测试仪、计算机；所述应力测试仪连接至所述计算机；所述计算机为台式机或者笔记本；所述计算机上具有USB接口、显示屏；

所述应力测试仪包括壳体、第一探头、第二探头；所述壳体上具有前面板、后面板；所述壳体中容纳有电源模块、USB模块；

所述前面板上设置有电源开关、电源指示灯、第一探头插孔、第二探头插孔、平衡调节旋钮；

其中，所述电源开关为带锁开关，顺时针方向旋转为开，逆时针为关；所述电源指示灯在开关至开位时所述电源指示灯点亮；

其中，所述应力测试仪工作时需要连接两个探头；所述第一探头、所述第二探头分别连接到前面板上的第一探头插孔和第二探头插孔这两个插孔上；

其中，所述第一探头为测量探头；所述第二探头为补偿探头；将所述第二探头放在参考板上，所述第一探头放在被测工件上；

其中，在所述应力测试仪进行测量之前进行调零处理，将两个探头放在同一块无应力钢板上，调节平衡调节旋钮使所述计算机的屏幕显示的测量电流为零，测量仪通过调零后，可减小测量误差；

所述后面板上设置有电源插座、USB接口；所述电源插座连接所述电源模块，所述USB接口连接所述USB模块；

其中，所述应力测试仪的电源插座为交流供电的电源插座，该电源插座内包含保险丝座或熔断器；

其中，所述应力测试仪与其连接的所述计算机之间采用USB接口进行通讯，所述应力测试仪的USB接口可通过USB数据线连接到所述计算机的USB接口上。

所述应力测试系统的测量频率范围为10Hz-5kHz；所述应力测试系统的测量深度为0.13-3mm，还取决于材料的电阻率、磁导率；所述应力测试系统的探头尺寸为16×16mm,且可根据用户要求改变；所述应力测试系统的灵敏系数在不同层深灵敏系数不同，通常设置为大于10μA/Mpa；所述应力测试系统的测量误差为，对焊接件多次(不少于5次)重复测量其残余应力变化在±25Mpa之内，可达到X射线测定应力的国家标准；所述应力测试系统的电源参数为AC220±5％，50Hz±2％；所述应力测试仪的体积为380×370×180mm；所述应力测试仪的重量为5.00Kg

利用本发明公开的应力测试系统可以进行应力测试，即本发明还公开了一种应力测试方法，包括：

步骤1，将计算机和应力测试仪连接好，启动计算机中的应力测试程序，然后给所述应力测试仪加电；

步骤2，通过应力测试程序针对被测工件建立空间坐标，包括设置坐标点数、设置坐标刻度；

在一种实施例中，设置坐标点数包括设置X方向的点数、Y方向的点数和Z方向的点数。

测量窗口显示屏幕定义为：800×600pixel，光标大小为10pixel，所以测试点间隔不能少于20pixel，即X方向的点数由(800-10)/20≈39.5来确定，而Y方向的点数由(600-10)/20≈29.5来确定，故X方向测试取39点，Y方向测试取29点。而Z方向的测试点主要根据信号源的分辨率来决定：(在测试的最深处，对频率分辨率要求最高)因为选择的信号源频率可以在0.1Hz～1MHz范围内可以0.05Hz步长任意调节频率，在5mm处，当f变化0.05Hz，深度变化0.03661mm，取40μm。即，在信号源频率变化0.05Hz时，Z方向(层深)最低分辨率可达40μm。因此，当最深测量深度为5mm时，分辨率为40μm，则Z方向(层深)测量点数最大可取5000/40＝125点。但同时又有最深测量深度≤5mm的限制。一般X方向、Y方向的测试点数最小要为3，所以测试点的最大序数范围为：X方向：3～39，Y方向：3～29，Z方向：1～125。系统默认点数设置为，X方向：39点，Y方向：29点，Z方向：15点。

在一种实施例中，被测工件的测试点之间是等间距的。考虑到测试条件跟分辨率，最小X坐标刻度、最小Y坐标刻度和最小Z坐标刻度分别定为20mm、20mm、0.04mm。

步骤3，通过应力测试程序设置材料参数；所述材料参数包括被测试件材料的电阻率、相对磁导率；

在一种实施例中，在所述应力测试程序中设置被测试件材料的电阻率，所述电阻率缺省值为ρ＝1.0×10^-7Ω·m；

在一种实施例中，在所述应力测试程序中设置被测试件材料的相对磁导率，所述相对磁导率缺省值为μ_r＝300；

步骤4，通过应力测试程序设置应力测试系统的工作参数，包括设置探头参数、设置与电路相关的参数、设置激励电流范围、设置测量灵敏度系数、设置曲率修正电流；

在一种实施例中，测试时根据实际使用的探头输入磁芯探头参数；

在一种实施例中，所述设置激励电流范围为设置最小激励电流值以及最大激励电流值；系统默认最小激励电流为50mA，最大激励电流值为320mA；

在一种实施例中，测量被测工件的不同层深时，设置相应层深的灵敏度系数，各层皆给出了缺省值；在实际测试时，可以由用户手动输入被测工件相应层深的灵敏系数。

在一种实施例中，当被测工件表面为曲面时，设置不同层深的曲率调整电流；系统缺省的各层测试点的0°、45°、90°方向的曲率调整电流设置为0mA。对不同的曲面测试时，可以由用户手动输入被测工件相应层深各方向的曲率调整电流值。

步骤5，运行所述应力程序测试所述被测工件的应力；

所述运行所述应力程序测试所述被测工件的应力具体包括：

步骤5.1,对被测工件的测试点进行采样处理：

在进行应力测试时不同层深都需要选择激磁电流；激磁电流与该层深的灵敏系数相对应，不同的激磁电流则灵敏系数不同，由标定试验确定。所述应力测试仪给出了结构钢激磁电流和灵敏系数的参考值；如果用户不输入数值，所述应力测试仪自动选定激磁电流和灵敏系数。

对被测工件进行采样处理时，将角度环十字线与坐标网格对正。在被测工件的测试点上，分别以0°，45°，90°三个方向进行采样，探头绕X轴旋转，逆时针为正角。

步骤5.2，在所述应力测试程序中输入边界值和已知应力值：

在计算前首先输入边界值和已知应力值，输入后计算时不再计算已知应力值的测试点的应力值。本实施例中，边界为自由边界时σ_x0＝0。对非自由边界需输入至少一点的σ_x值。

步骤5.3，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算平均应力：

计算平均应力时，要求输入灵敏系数k(z)即α(z)mA/Mpa；其中，灵敏系数由标定试验确定；应力测试仪给出16×16mm探头的结构钢灵敏系数参考值。10×10mm探头灵敏系数约为16×16mm探头的2/3。输入各层灵敏系数后，输入曲率变化调整电流值。如平面测量则调整值为零，曲面测量其调整值为同种材质、曲率相同的无应力试件0°、45°、90°三个方向电流初值。曲面的灵敏系数比平面的小，要求在该曲率情况下做单向压缩试验进行标定，一般为平面的1/2～2/3。若表面不平整可贴一层聚四氟乙烯薄膜,虽灵敏系数下降但可提高稳定度。灵敏系数约为不贴薄膜的(1/3～1/2)倍，由该条件下的标定试验确定；计算完平均应力可将其进行存储。

材料的灵敏系数，可通过单向拉压或四点弯曲试验确定。试样要选择与被测材料同种材质和热处理状态的无应力材料制成，在万能试验机上加载进行标定。

在一个实施例中，通过手动标定的方式对各层深的灵敏系数进行标定。

在一个实施例中，通过所述应力测试系统的标定程序对各层深的灵敏系数进行标定，包括：

⑴其中层深坐标点数和刻度在主程序中进行设定；

⑵通过层深选择，标定所设定层深坐标的所有层深的灵敏系数；

⑶加载应力根据拉伸试验机的加载数值，由用户手动输入；

⑷由应力测试仪实时测量获得测量电流；

⑸加载应力、测量电流数据准备好后，通过点击“计算”按钮，程序自动计算该层深的灵敏系数，并存入内存；每次只计算一层的灵敏系数；

⑹所有层深的灵敏系数计算好后，可点击“保存到文件”按钮将标定好的灵敏系数数据保存到任选路径的文本文件中。

步骤5.4，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算分布应力：

在计算完被测工件的平均应力后，计算被测工件的分布应力；完成计算被测工件的分布应力后，各测试点显示的应力数值为该测试点的实际分布应力。

步骤6，所述应力测试系统将测试结果和应力分布曲线进行打印：所述应力测试系统可打印出电流数据、应力数据和沿任意坐标轴应力分布曲线。

在一个实施例中，对于测量面积比较大的被测工件进行残余应力测试时，如果对整个测试面全部进行测量将是很耗时且低效的。很多时候不需要全部测量，仅需对某一局部测试面或某一条线路段进行测量，此时可选用建立自选测量路径进行应力计算的方式进行测量。

所述建立自选测量路径进行应力计算的方法如下：

路径段都是有方向，即一个路径段有起点和终点，方向由起点指向终点。

路径转弯必须为90°转弯，其中，X方向的路径段的方向只能指向X轴的正方向，Y方向的路径段可指向Y轴的正方向(即，从X方向逆时针转弯)，也可指向Y轴的负向(即，从X方向顺时针转弯)。

所有路径段都必须是首尾相接，不能间断。

路径段的确定是在电流采样窗口上进行操作。

已经建立的自选测量路线，如觉得不合适可进行删除操作。删除路径段时，总是先删除最后建立的路径段，依次删除。

沿建立的测量路径进行电流采样时，对不同方向的路径段，其测量探头的放置是不同的，如下：

沿X方向的路径段的探头放置：沿X正向是0°，沿Y的正向是90°,沿X、Y正向的平分角是45°；沿Y方向垂直向上的路径段的探头放置：沿Y的正向是0°，沿X的负向是90°,沿X负向、Y正向的平分角是45°；沿Y方向垂直向下的路径段的探头放置：沿Y的负向是0°，沿X的正向是90°,沿X正向、Y负向的平分角是45°。

对于自选测量路径，计算残余应力时，点击想要计算的路径段的起点进行操作。

对于自选测量路径，显示或打印残余应力时，对于X、Y方向上的应力显示、或打印需点击想要显示应力的路径段的起点进行操作。Z方向的应力显示或打印，需点击想要显示应力的路径段上的点进行操作。

在一个实施例中，可以对测量的电流数据和应力数据以“.txt”文件的形式保存在相应存储设备中，同时也可以打开以“.txt”文件形式保存的电流数据和应力数据。在从电流数据文件中取出电流数据时，先将坐标参数、材料参数、工作参数等暂时存放。在从应力数据文件中取出应力数据时，先将坐标参数、材料参数、工作参数等暂时存放。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明提出的应力测试系统可根据设定的测量深度自动选频，激磁电流自动调整；采样直接送入计算机，测量完成后即可输出全部电流和应力数据并打印出应力分布曲线。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应力测试方法，其特征在于，包括：

步骤1，将计算机和应力测试仪连接好，启动计算机中的应力测试程序，然后给所述应力测试仪加电；

步骤2，通过应力测试程序针对被测工件建立空间坐标；

步骤3，通过应力测试程序设置被测工件的材料参数；

步骤4，通过应力测试程序设置应力测试系统的工作参数，包括设置探头参数、设置与电路相关的参数、设置激励电流范围、设置测量灵敏度系数、设置曲率修正电流；

步骤5，运行所述应力测试程序测试所述被测工件的应力；

步骤6，所述应力测试系统输出应力测试结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述通过应力测试程序针对被测工件建立空间坐标包括设置坐标点数、设置坐标刻度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述通过应力测试程序设置被测工件的材料参数具体包括设置被测工件材料的电阻率、相对磁导率。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，

所述应力测试程序中包括灵敏系数标定程序，利用所述灵敏度系数标定程序进行灵敏系数标定。

5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，

所述运行所述应力程序测试所述被测工件的应力具体包括：

步骤5.1,针对不同层深选择激磁电流，对被测工件的测试点进行采样处理；

步骤5.2，在所述应力测试程序中输入边界值和已知测试点的应力值；

步骤5.3，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算平均应力；

步骤5.4，在计算完被测工件的平均应力后，通过所述应力测试系统的应力测试程序计算分布应力。

6.一种应力测试系统，其特征在于，包括：

应力测试仪、计算机；所述应力测试仪连接至所述计算机；

所述计算机上具有USB接口、显示屏；

所述应力测试仪包括壳体、第一探头、第二探头；

所述壳体上具有前面板、后面板；所述壳体中容纳有电源模块、USB模块；

所述前面板上设置有电源开关、电源指示灯、第一探头插孔、第二探头插孔、平衡调节旋钮；

其中，所述应力测试仪工作时需要连接两个探头；所述第一探头、所述第二探头分别连接到前面板上的第一探头插孔和第二探头插孔中；

其中，所述第一探头为测量探头，在测试时所述第一探头放在被测工件上；所述第二探头为补偿探头，在测试时将所述第二探头放在参考板上；

所述后面板上设置有电源插座、USB接口；所述电源插座连接所述电源模块，所述USB接口连接所述USB模块；

其中，所述应力测试仪与其连接的所述计算机之间采用USB接口进行通讯，所述应力测试仪的USB接口可通过USB数据线连接到所述计算机的USB接口上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述电源开关为带锁开关；所述电源指示灯在开关至开位时所述电源指示灯点亮。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述应力测试仪与其连接的所述计算机之间采用USB接口进行通讯，所述应力测试仪的USB接口可通过USB数据线连接到所述计算机的USB接口上。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述应力测试仪的电源插座为交流供电的电源插座，该电源插座内包含保险丝座或熔断器。

10.根据权利要求6-9任一项所述的系统，其特征在于，

在所述应力测试仪进行测量之前进行调零处理，将两个探头放在同一块无应力钢板上，调节平衡调节旋钮使所述计算机的屏幕显示的测量电流为零。