CN109946379A - 一种单向应力的电磁超声检测方法 - Google Patents

一种单向应力的电磁超声检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种单向应力的电磁超声检测方法属于检测技术领域，特别涉及一种单向应力的电磁超声检测系统与检测方法。该方法首先组装电磁超声检测系统，再分别采集电磁超声横波探头与电磁超声纵波探头对单向应力检测的信号波形，并通过横纵波联合检测理论公式计算单向应力大小。检测系统结构紧凑、装置简单、便携及分辨率高。检测方法中采用电磁超声横波探头与纵波探头分别激发超声横波与超声纵波对单向应力进行联合检测，还可以屏蔽外界电磁干扰，信噪比较高。克服了传统单一波形未考虑螺栓变形对应力检测的影响，实现电磁超声横纵波探头联合检测单向应力，能够消除轴拉伸变形对检测的影响，检测精度高。

Description

一种单向应力的电磁超声检测方法
技术领域
本发明属于检测技术领域，特别涉及一种单向应力的电磁超声检测系统与检测方法。
背景技术
装备中关键部件或结构的应力状态是影响其服役性能的核心参数。特别地，螺栓及轴类等零件中往往存在单向应力，对预紧可靠性、结构尺寸稳定性，从而影响装备整机和功能部件的力学性能与使用寿命。因此，必须对工件单向应力的水平进行检测与评估。传统上常采用压电超声探头激发超声纵波或横波对工件单向应力进行检测。这些方法需要耦合剂并与工件表面进行接触，其表面粗糙度会对超声检测有一定影响。而电磁超声探头在检测过程中不需要耦合剂，且是一种非接触式测量，对工件表面质量及外界工作环境要求较低，故拥有更为广阔的工程应用前景。
目前，单向应力的超声检测存在的主要问题如下：一是采用超声纵波或横波不能消除工件轴向变形及尺寸厚度不均匀的影响；二是采用传统式压电超声无法消除工件表面粗糙度对检测的影响；三是现有电磁超声探头存在信号幅值与信噪比较低的问题。这些限制了工件单向应力的检测及电磁超声探头的广泛应用。为此，解决电磁超声探头及工件单向应力检测方法存在的诸多问题成为亟待解决的问题。
2012年，武新军等人在公开号为CN102706966A的专利中，设计了一种“水平剪切电磁超声探头”，利用辅助永磁铁来提高电磁超声下部试件中的磁化强度进而提高电磁超声信号强度与信噪比，但该装置线圈通过绝缘导线直接与电源相连无任何屏蔽措施，从而会产生电磁干扰。2017年，王子成等人在公开号为CN107421474A的专利中，设计了“一种测量工件厚度的电磁超声测厚探头”，利用永磁铁及导磁楔装置来提供强大的磁场进而增加接收信号的幅值，但该装置是由5个永磁铁和导磁楔组成，并采用强力胶安装在壳体内，致使磁路结构复杂并难以实现安装。
上述研究均未提及面向单向应力检测的一种电磁超声检测系统与检测方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有装置及方法存在的不足，针对目前用于单向应力检测的超声法存在的诸多问题，发明了一种单向应力的电磁超声检测系统与检测方法。该装置基于洛伦兹力机理激发超声横波与纵波，实现电磁超声换能器较高的换能效率与信噪比；具有结构紧凑、装置简单、便携及分辨率高等优势；克服传统单一波形未考虑螺栓变形对应力检测的影响，实现电磁超声横纵波探头联合检测单向应力；能够消除轴拉伸变形对检测的影响，保证实测结果与理论值较小的相对误差。
本发明所采用的技术方案是：一种单向应力的电磁超声检测方法，其特征是：该方法首先组装电磁超声检测系统，再分别采集电磁超声横波探头Ⅰ与电磁超声纵波探头Ⅱ对单向应力检测的信号波形，并通过横纵波联合检测理论公式计算单向应力大小，方法的具体步骤如下：
第一步组装电磁超声检测系统
电磁超声检测系统由电磁超声横波探头Ⅰ、电磁超声纵波探头Ⅱ、单向应力拉伸平台Ⅲ、计算机系统Ⅳ、示波器Ⅴ、超声调控系统Ⅵ、阻抗匹配网络Ⅶ、静态应变测试装置Ⅷ组成；
先组装电磁超声横波探头Ⅰ，将永磁铁3吸附在衔铁2上形成闭合磁路，并用垫片7隔开，其衔铁2与壳体1四周带有螺纹孔6，将衔铁2通过螺纹孔6中的螺钉固定在壳体1内；接着，将平面线圈5胶接在壳体1底部的凹槽中，并焊接具有屏蔽功能的BNC线至平面线圈5上，通过导线孔4穿出，位于磁铁2的下方；最后，对平面线圈5底部焊点处通过绝缘胶带进行绝缘处理，并采用单层PCB板封装，完成电磁超声横波探头Ⅰ的组装
再组装电磁超声纵波探头Ⅱ，将永磁铁3吸附在衔铁2上形成闭合磁路，用支撑架8隔开，其余部分的安装与电磁超声横波探头Ⅰ相同，完成电磁超声横波探头Ⅱ的组装；
然后组装单向应力拉伸平台Ⅲ，将构件12、垫片10、螺母9依次安装到螺栓13上，并在构件12上的贴应变区粘贴应变片11，完成单向应力拉伸平台Ⅲ的组装；
最后，组装电磁超声检测系统，将电磁超声横波探头Ⅰ和电磁超声纵波探头Ⅱ中的平面线圈5通过焊接BNC线分别连接至阻抗匹配网络Ⅶ；再将应变片11与静态应变采集装置Ⅷ连接，静态应变采集装置Ⅷ与计算机系统Ⅳ连接，再依次连接示波器Ⅴ、超声调控系统Ⅵ、阻抗匹配网络Ⅶ，完成整个电磁超声检测系统的组装；
第二步采集电磁超声波信号，计算材料声弹性系数；
采集工件材料的横纵波声弹性系数波形，每隔一定的应变值预紧单向应力拉伸平台Ⅲ；先将电磁超声横波探头Ⅰ放置在单向应力拉伸平台Ⅲ上，利用静态应变测试装置Ⅷ采集应变数据；同时采集示波器Ⅴ中的横波波形数据，采集完成后，取下电磁超声横波探头Ⅰ；按照同样的方式，将电磁超声纵波探头Ⅱ放置在单向应力拉伸平台Ⅲ上，采集电磁超声纵波探头Ⅱ在相应应变下的波形数据；
对计算机系统Ⅳ采集的波形进行互相关处理，计算出声时差dt，然后根据静态应变采集装置Ⅷ中的数据计算出应力差dσ，并对两者进行最小二乘法进行拟合，将测量的零应力传播声时t0代入公式(1)，计算材料声弹性系数K：
第三步横纵波联合波形数据采集
接着分别放置电磁超声横波探头Ⅰ与电磁超声纵波探头Ⅱ于单向应力拉伸平台Ⅲ上；每隔一定的应变值进行拧紧螺母9实现单向应力功能；通过读取静态应变测试装置Ⅷ中的应变值，由计算机系统Ⅳ分别采集在相同应变下的电磁超声横波与纵波波形数据；
第四步单向应力σ的计算
将电磁超声横波探头Ⅰ测得的波形数据进行互相关处理，计算出电磁超声横波声时tS，同理对电磁超声纵波探头Ⅱ测得的波形数据进行互相关处理，计算出电磁超声纵波声时tL，并将零应力状态下的超声横波声时tS0与纵波声时tL0代入横纵波联合理论公式(2)进行应力σ的计算，即：
式中，kL、kS分别为电磁超声纵波与横波声弹性系数；
本发明的效果是：采用电磁超声横波与纵波探头接收信号，克服传统单一波形未考虑螺栓变形对应力检测的影响，还可以屏蔽外界电磁干扰，信噪比较高。结构简单紧凑，体积较小，分辨率高，便于携带。能够实现单向应力测量，波形信号稳定可靠。电磁超声横纵波联合应力检测方法能够消除拉伸过程中，轴变形及工件厚度变化对应力检测结果的影响，减小实测值与理论值之间的误差，增加单向应力检测的准确性，检测精度高。
附图说明
图1-电磁超声横波探头剖视图，图2-电磁超声纵波探头剖视图，其中1-壳体，2-衔铁，3-永磁铁，4-导线孔，5-平面线圈，6-螺纹孔，7-垫片，8-支撑架。
图3-电磁超声应力测量系统示意图，其中，Ⅰ-电磁超声横波探头，Ⅱ-电磁超声纵波探头，Ⅲ-单向应力拉伸平台，Ⅳ-计算机系统，Ⅴ示波器，Ⅵ-超声调控系统，Ⅶ-阻抗匹配网络，Ⅷ-静态应变测试装置，9-螺母，10-垫片，11-应变片，12-构件，13-螺栓。
图4-电磁超声横纵波联合应力测量结果图，其中，纵坐标为检测应力值，横纵标为相应的加载次数，三角形标记和拟合虚线是理论应力值，圆点标记和拟合实线是测量值。
图5-电磁超声横纵波探头用于铝合金试件检测的波形信号图，其中，a)电磁超声横波探头信号波形图，b)电磁超声纵波探头信号波形图。
具体实施方式
下面结合技术方案及附图说明本发明的具体实施方式。
实施例中，壳体1壁厚至2mm，并采用铝合金材料。衔铁2采用软铁材料，其厚度为3mm，永磁铁3采用钕铁硼强磁，垫片7、支撑架8均采用有机玻璃材质。平面线圈5横波探头采用马蹄形线圈产生超声横波信号，超声纵波探头采用回型线圈产生超声纵波信号。
图1为电磁超声横波探头剖视图，图2为电磁超声纵波探头剖视图。如图所示，壳体1四周均有螺钉安装在螺纹孔6中，起着固定内部衔铁2作用，使其结构稳固。壳体1表面有导线孔4，用于安放具有屏蔽信号干扰作用的BNC线，使电磁超声接收信号更加稳定可靠。衔铁2采用软铁材料，具有更好的导磁能力，与磁铁形成闭合磁路，其厚度仅有3mm厚，可以有效降低电磁超声换能器的体积大小。永磁铁3采用钕铁硼强磁，其表面磁感应强度可达1.21T，其中，电磁超声横波探头采用垫片7隔开，其永磁铁3布置形式位于马蹄形线圈中间直线区域对称布置，可以减少产生其它类型波形的干扰，增加信号偏振方向的一致性。电磁超声纵波磁铁3采用支撑架8隔开，位于平面线圈5两侧布置，且磁铁3厚度较大有利于增强接收信号的幅值大小。其垫片7或支撑架8均采用有机玻璃材质，不会产生任何干扰，并且磁铁3距离平面线圈5距离较小，有利于增加平面线圈5磁化强度，进而增加波形信号的幅值大小。平面线圈5横波探头采用马蹄形线圈产生超声横波信号，超声纵波探头采用回型线圈产生超声纵波信号，通过胶接放置在壳体1底部凹槽中，且壳体1底部凹槽深度小于平面线圈厚度，有利于降低壳体1对工件表面感应涡流的干扰，并采用单层PCB板封装形式，不仅减小厚度增加平面线圈5匝数，还能起着与工件表面绝缘作用。平面线圈5通过焊接BNC线连接至阻抗匹配网络Ⅶ，对焊点采用绝缘胶带处理，避免短接。电磁超声探头横波与纵波信号波形图如图5所示，可以看出，其探头可以产生超声较高信噪比的横波与纵波。
下面结合附图和技术方案详细说明该方法的具体实施方式：
该方法首先组装电磁超声检测系统，再分别采集电磁超声横波探头Ⅰ与电磁超声纵波探头Ⅱ对单向应力检测的信号波形，并通过横纵波联合检测理论公式计算单向应力大小，方法的具体步骤如下：
第一步组装电磁超声检测系统
电磁超声检测系统由电磁超声横波探头Ⅰ、电磁超声纵波探头Ⅱ、单向应力拉伸平台Ⅲ、计算机系统Ⅳ、示波器Ⅴ、超声调控系统Ⅵ、阻抗匹配网络Ⅶ、静态应变测试装置Ⅷ组成；
先组装电磁超声横波探头Ⅰ，将永磁铁3吸附在衔铁2上形成闭合磁路，并用垫片7隔开，其衔铁2与壳体1四周带有螺纹孔6，将衔铁2通过螺纹孔6中的螺钉固定在壳体1内；接着，将平面线圈5胶接在壳体1底部的凹槽中，并焊接具有屏蔽功能的BNC线至平面线圈5上，通过导线孔4穿出，位于磁铁2的下方；最后，对平面线圈5底部焊点处通过绝缘胶带进行绝缘处理，并采用单层PCB板封装，完成电磁超声横波探头Ⅰ的组装
再组装电磁超声纵波探头Ⅱ，将永磁铁3吸附在衔铁2上形成闭合磁路，用支撑架8隔开，其余部分的安装与电磁超声横波探头Ⅰ相同，完成电磁超声横波探头Ⅱ的组装；
然后组装单向应力拉伸平台Ⅲ，将构件12、垫片10、螺母9依次安装到螺栓13上，并在构件12上的贴应变区粘贴应变片11，完成单向应力拉伸平台Ⅲ的组装；
最后，组装电磁超声检测系统，将电磁超声横波探头Ⅰ和电磁超声纵波探头Ⅱ中的平面线圈5通过焊接BNC线分别连接至阻抗匹配网络Ⅶ；再将应变片11与静态应变采集装置Ⅷ连接，静态应变采集装置Ⅷ与计算机系统Ⅳ连接，再依次连接示波器Ⅴ、超声调控系统Ⅵ、阻抗匹配网络Ⅶ，完成整个电磁超声检测系统的组装，如图3所示。
第二步采集电磁超声波信号，计算材料声弹性系数；
采集工件材料的横纵波声弹性系数波形，每隔一定的应变值预紧单向应力拉伸平台Ⅲ；先将电磁超声横波探头Ⅰ放置在单向应力拉伸平台Ⅲ上，利用静态应变测试装置Ⅷ采集应变数据；同时采集示波器Ⅴ中的横波波形数据，采集完成后，取下电磁超声横波探头Ⅰ；按照同样的方式，将电磁超声纵波探头Ⅱ放置在单向应力拉伸平台Ⅲ上，采集电磁超声纵波探头Ⅱ在相应应变下的波形数据；对计算机系统Ⅳ采集的波形进行互相关处理，计算出声时差dt，然后根据静态应变采集装置Ⅷ中的数据计算出应力差dσ，并对两者进行最小二乘法进行拟合，将测量的零应力传播声时t0代入公式(1)，计算材料声弹性系数K。
第三步横纵波联合波形数据采集
调节阻抗匹配网络Ⅶ及超声调控系统Ⅵ使其接收信号波形幅值处于最大状态。将电磁超声横波探头Ⅰ放置在单向应力拉伸平台Ⅲ上，并根据静态应变采集装置Ⅷ调节单向应力拉伸平台Ⅲ，并采集应变数据，使其每隔一定应变值进行拧紧螺母9实现不同单向应力值。用计算机系统Ⅳ采集示波器Ⅴ中的超声横波数据，按照同样的方式采集电磁超声纵波探头Ⅱ在相应应变下的波形数据。
第四步单向应力σ的计算
将电磁超声横波探头Ⅰ测得的波形数据进行互相关处理计算出电磁超声横波声时tS，同理对电磁超声纵波探头Ⅱ测得的波形数据进行互相关处理电磁超声纵波声时tL，并将零应力状态下的超声横波声时tS0与纵波声时tL0代入横纵波联合理论公式(2)进行应力σ的计算。
电磁超声横纵波联合应力测量结果图如图4所示，其中，纵坐标为检测应力值，横纵标为相应的加载次数；三角形标记和拟合虚线是理论应力值，圆点标记和拟合实线是测量值。
本发明设计了用于单向应力检测的电磁超声横波与纵波探头，实现较高的信噪比与信号幅值；利用推导公式(2)可以实现电磁超声横波与纵波探头联合应力检测，实现单向应力的电磁超声无损检测。

Claims (1)

1.一种单向应力的电磁超声检测方法，其特征是：该方法首先组装电磁超声检测系统，再分别采集电磁超声横波探头与电磁超声纵波探头对单向应力检测的信号波形，并通过横纵波联合检测理论公式计算单向应力大小，方法的具体步骤如下：
第一步 组装电磁超声检测系统
电磁超声检测系统由电磁超声横波探头(Ⅰ)、电磁超声纵波探头(Ⅱ)、单向应力拉伸平台(Ⅲ)、计算机系统(Ⅳ)、示波器(Ⅴ)、超声调控系统(Ⅵ)、阻抗匹配网络(Ⅶ)、静态应变测试装置(Ⅷ)组成；
先组装电磁超声横波探头(Ⅰ)，将永磁铁(3)吸附在衔铁(2)上形成闭合磁路，并用垫片(7)隔开，其衔铁(2)与壳体(1)四周带有螺纹孔(6)，将衔铁(2)通过螺纹孔(6)中的螺钉固定在壳体(1)内；接着，将平面线圈(5)胶接在壳体(1)底部的凹槽中，并焊接具有屏蔽功能的BNC线至平面线圈(5)上，通过导线孔(4)穿出，位于磁铁(2)的下方；最后，对平面线圈(5)底部焊点处通过绝缘胶带进行绝缘处理，并采用单层PCB板封装，完成电磁超声横波探头(Ⅰ)的组装；
再组装电磁超声纵波探头(Ⅱ)，将永磁铁(3)吸附在衔铁(2)上形成闭合磁路，用支撑架(8)隔开，其余部分的安装与电磁超声横波探头(Ⅰ)相同，完成电磁超声横波探头(Ⅱ)的组装；
然后组装单向应力拉伸平台(Ⅲ)，将构件(12)、垫片(10)、螺母(9)依次安装到螺栓(13)上，并在构件(12)上的贴应变区粘贴应变片(11)，完成单向应力拉伸平台(Ⅲ)的组装；
最后，组装电磁超声检测系统，将电磁超声横波探头(Ⅰ)和电磁超声纵波探头(Ⅱ)中的平面线圈(5)通过焊接BNC线分别连接至阻抗匹配网络(Ⅶ)；再将应变片(11)与静态应变采集装置(Ⅷ)连接，静态应变采集装置(Ⅷ)与计算机系统(Ⅳ)连接，依次连接示波器(Ⅴ)、超声调控系统(Ⅵ)、阻抗匹配网络(Ⅶ)，完成整个电磁超声检测系统的组装；
第二步 采集电磁超声波信号，计算材料声弹性系数；
采集工件材料的横纵波声弹性系数波形，每隔一定的应变值预紧单向应力拉伸平台(Ⅲ)；先将电磁超声横波探头(Ⅰ)放置在单向应力拉伸平台(Ⅲ)上，利用静态应变测试装置(Ⅷ)采集应变数据；同时采集示波器(Ⅴ)中的横波波形数据，采集完成后，取下电磁超声横波探头(Ⅰ)；按照同样的方式，将电磁超声纵波探头(Ⅱ)放置在单向应力拉伸平台(Ⅲ)上，采集电磁超声纵波探头(Ⅱ)在相应应变下的波形数据；
对计算机系统(Ⅳ)采集的波形进行互相关处理，计算出声时差dt，然后根据静态应变采集装置(Ⅷ)中的数据计算出应力差dσ，并对两者进行最小二乘法进行拟合，将测量的零应力传播声时t0代入公式(1)，计算材料声弹性系数K：
第三步 横纵波联合波形数据采集
接着分别放置电磁超声横波探头(Ⅰ)与电磁超声纵波探头(Ⅱ)于单向应力拉伸平台(Ⅲ)上；每隔一定的应变值进行拧紧螺母(9)实现单向应力功能；通过读取静态应变测试装置(Ⅷ)中的应变值，由计算机系统(Ⅳ)分别采集在相同应变下的电磁超声横波与纵波波形数据；
第四步 单向应力σ的计算
将电磁超声横波探头(Ⅰ)测得的波形数据进行互相关处理，计算出电磁超声横波声时tS，同理对电磁超声纵波探头(Ⅱ)测得的波形数据进行互相关处理，计算出电磁超声纵波声时tL，并将零应力状态下的超声横波声时tS0与纵波声时tL0代入横纵波联合理论公式(2)进行应力σ的计算，即：
式中，kL、kS分别为电磁超声纵波与横波声弹性系数。
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