CN110632177A - 一种平面残余应力电磁超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种平面残余应力电磁超声检测方法属于超声检测技术领域，涉及一种平面残余应力电磁超声检测系统与检测方法。该方法先组装电磁超声检测系统，利用电磁超声表面波探头中的超声线圈测量沿三个方向的应力检测超声信号波形，以标定材料声弹性系数。通过采集待测点三个方向表面波信号，并应用超声检测理论公式计算平面应力大小及方向。该方法采用具有“三发三收”功能的表面波探头，实现了平面应力状态两个主应力及主应力夹角的一次定位、多参同时测量。通过减小超声发射和接收线圈匝数、线宽及线距的方式，来减小收发探头间距，提高探头空间分辨率。采用射频连接器连接电路板与阻抗匹配网络，便于安装和多次重复使用，检测方法简单，效率高。

Description

一种平面残余应力电磁超声检测方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种平面残余应力电磁超声检测方法。

背景技术

残余应力是工程结构质量判定的重要依据。残余应力的产生和释放通常会导致结构件尺寸稳定性变差，甚至导致重大运行装备发生灾变，而这种应力导致结构变形在构件装配和使用过程中是不可忽略的。考虑到工程制造现场环境下残余应力检测需求，残余应力超声波检测法因其具有材料可穿透性、无损、快速、测量效率高、装置简单便携、环境适应性强等有点，受到广泛关注。

目前，利用超声测平面应力的装置大都基于压电超声原理。此方法不仅对被测试件表面质量要求较高，而且存在超声探头与待测试件间必须使用耦合剂、难以应用于高温环境、超声探头与待测试件的耦合状态对测量结果影响较大等应用局限。随着超声检测技术的发展和面向工程现场检测能力要求的提高，无需耦合剂、对测量表面要求不高的电磁超声方法已成为研究焦点。

西安交通大学在专利CN10561439A中公开了“基于瑞利波偏振极化的电磁超声残余应力和应变检测方法”，利用电磁超声探头激发瑞利波并传播一定距离，通过测量待测点瑞利波偏振极化改变量与应力关系确实试件的应力大小，但该装置只能测量平面内单一方向上的应力状态，未获得待测试件的平面应力状态。武飞等在专利CN108375433A中公开了“基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备”，利用电磁超声探头激发横波与纵波，通过横、纵波联合方法测量螺栓单轴方向的轴力，该方法只能测量沿螺栓轴线方向的单向轴力，不能应用于平面应力测量，而且需要两个探头交替测量，两个探头定位误差对测量结果影响较大。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，克服目前材料表面残余应力电磁超声测量中平面应力状态可靠测量的难题，发明了一种平面残余应力电磁超声检测方法。该方法通过基于洛伦兹力机制，设计具有“三发三收”功能的探头装置，实现了平面应力状态两个主应力及主应力夹角的一次定位、多参同时测量；通过减小三发三收超声线圈匝数、线宽及线距的方式，以减小收发探头间距，从而提高探头空间分辨率；并采用射频连接器连接电路板与阻抗匹配网络，便于安装和多次重复使用。

本发明所采用的技术方案是：一种平面残余应力电磁超声检测方法，其特征是：该方法首先组装电磁超声检测系统，利用电磁超声表面波探头中的三发三收超声线圈测量沿三个方向的应力检测超声信号波形，以标定材料声弹性系数，利用应变采集系统Ⅴ采集应变数据；通过表面应力理论公式计算平面应力大小，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超声调控系统Ⅰ、阻抗匹配网络Ⅱ、表面波探头Ⅲ、应力拉伸平台Ⅳ、应变采集系统Ⅴ、计算机Ⅵ及示波器Ⅶ组成。

首先，组装电磁超声表面波探头Ⅲ。永磁铁4吸附在固定软铁2上，通过螺钉3将固定软铁2固定于外壳1；将射频连接器5焊接在三发三收线圈6的焊盘6-2上；将三发三收线圈6胶接固定在永磁铁4的底面，保证已焊接的射频连接器5正确安装在外壳1的相应凹槽位置；对三发三收线圈6底部通过喷涂绝缘漆进行绝缘处理，完成电磁超声表面波探头Ⅲ的组装。

然后，组装应力拉伸平台Ⅳ。将应变片8固定在拉伸试件7上；利用螺栓将拉伸试件7固定在液压虎钳9上，保证拉伸试件7轴线方向与液压虎钳9的轴线方向一致。

最后，组装超声检测系统。通过同轴电缆将电磁超声表面波探头Ⅲ与阻抗匹配网络Ⅱ输出端相连，阻抗匹配网络Ⅱ输入端与超声调控系统Ⅰ通过BNC线相连，示波器Ⅶ与超声调控系统Ⅰ相连将超声信号显示在示波器Ⅶ上，将示波器Ⅶ、应变采集系统Ⅴ与超声调控系统Ⅰ分别与计算机Ⅵ相连，完成整个电磁超声检测系统的组装。

第二步标定材料声弹性系数

三发三收表面波探头Ⅲ发射的表面波具有三个传播方向，第一传播方向b₁、第二传播方向b₂、第三传播方向b₃，相邻两个传播方向夹角为γ，选用其中第一传播方向b₁的超声发射线圈6-1和超声接收线圈6-3进行标定材料声弹性系数k₁和k₂。

调整液压虎钳9使得拉伸应力λ＝0，将表面波探头Ⅲ放置在拉伸试件上，使得表面传播方向b₁与第0标定测量方向即拉伸试件轴线方向重合，表面波探头Ⅲ中心与待测点o处重合，保证接触可靠；利用应变采集系统Ⅴ采集应变数据，在超声调控系统Ⅰ的控制下，超声发射线圈6-1发出的超声脉冲激励信号，在材料表面传播一定距离L后，被超声接收线圈6-3接收；将超声发射线圈6-1发出的超声脉冲激励信号与超声接收线圈6-3接收到的接收信号进行互相关计算，取两个互相关序列最大值所在位置之差，计算出此时的表面波声时差t₀₀。

将表面波探头Ⅲ旋转角度α，使得表面波探头Ⅲ第一传播方向b₁与第一标定测量方向重合，测量此时表面波声时差t₀₁。重复上述过程，直至表面波探头Ⅲ传播方向b₁与第N标定测量方向

重合，此时表面波探头Ⅲ旋转角度Nα＝π/2。从而测得应力λ＝0时，各个角度下的表面波声速时差[t₀₀ t₀₁ … t_0N]。

通过液压虎钳9调整拉伸试件7上施加的应力，应力步长为λ₁，直至λ＝mλ₁。重复上述过程，测得每个应力值下对应的各个角度下的表面波声速[t_m0 t_m1 … t_mN]。最终可得各个应力值下对应的不同测量方向上的声时差t，

计算待测点处各应力值下所对应不同测量方向上的波速v，计算公式如下：

将速度v代入公式(3)进行拟合，获得材料声弹性系数k₁和k₂。

其中，β为标定中第一传播方向b₁与拉伸试件轴线方向

夹角，σ为拉伸试件的应力，v_i为应力值为σ且第一传播方向b₁与拉伸试件轴线方向

夹角为β时波速，v₀为夹角为β、应力值为0时的波速，ρ为待测试件密度。

第三步检测平面内的超声波速

将表面波探头Ⅲ放置于待测试件上，表面波探头Ⅲ中心与待测试件上应力待测点重合。分别采集三个传播方向上的表面波波形数据，进行互相关处理，分别计算出三个传播方向上电磁超声表面波波速，即第一传播方向b₁的波速v_b1、第二传播方向b₂的波速v_b2、第三传播方向b₃的波速v_b3。

将表面波探头Ⅲ放置在无应力试件表面，计算第一传播方向b₁的无应力波速v_0b1、第二传播方向b₂的无应力波速v_0b2、第三传播方向b₃的无应力波速v_0b3。将有应力和无应力条件下三个方向表面波波速代入公式(4)，

其中，m₁、m₂、m₃分别为第一传播方向b₁、第二传播方向b₂、第三传播方向b₃的应力差函数变量。

将m₁、m₂、m₃带入公式(5)，计算得出金属平面应力以及主应力方向与第一传播方向b₁的夹角，

其中，σ₁为第一主应力，σ₂为第二主应力，θ为主应力方向与第一传播方向b₁夹角。

该方法在检测中，通过减小超声发射线圈6-1和超声接受线圈6-3的匝数、线宽及线距方式，减小收发线圈的间距，来提高探头空间分辨率。

本发明的效果是：采用具有“三发三收”功能的表面波探头，利用三组超声发射和接收线圈，实现了平面应力状态两个主应力及主应力夹角的一次定位、多参测量，并提高了测量精度与效率。采用射频连接器连接电路板与阻抗匹配网络，便于安装和多次重复使用。还可以通过减小超声发射和接受线圈匝数、线宽及线距等方式，来减小收发探头的间距，从而提高探头空间分辨率，检测方法简单，效率高。

附图说明

附图1为电磁超声平面应力测量系统示意图，其中：Ⅰ-超声调控系统，Ⅱ-阻抗匹配网络，Ⅲ-表面波探头，Ⅳ-拉伸试验平台。Ⅴ-应变采集系统，Ⅵ-计算机，Ⅶ-示波器，7-拉伸试件，8-应变片，9-液压虎钳。

附图2为表面波探头Ⅲ结构剖视图，其中：1-外壳，2-固定软铁，3-螺钉，4-永磁铁，5-射频连接器，6-三发三收线圈。

附图3为三发三收线圈6结构示意图，其中：6-1为超声发射线圈，6-2为焊盘，6-3为超声接收线圈，L-超声发射线圈6-1与超声接收线圈6-3间距，D-相邻导线间距，b₁-第一传播方向、b₂-第二传播方向、b₃-第三传播方向，γ-相邻两个传播方向夹角。

附图4为拉伸标定示意图。其中，

-第0标定测量方向，

-第1标定测量方向，

-第N标定测量方向，α-测量方向旋转角度步长。

附图5为第一传播方向表面波波形图。其中，10-发射波形，11-表面波接收波形。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施过程，说明平面残余应力的电磁超声检测方法。

测量参数：拉伸试件，材料为7075铝，厚度8mm；被测件，焊接7075铝合金板、尺寸为150mm×240mm，厚度为8mm；超声发射线圈6-1和超声接收线圈6-3均为蛇形，相邻导线间距D＝0.8mm，激发表面波超声频率均为1.75MHz，超声发射线圈6-1与超声接收线圈6-3间距L＝19.2mm。

本发明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超声调控系统Ⅰ、阻抗匹配网络Ⅱ、电磁超声表面波探头Ⅲ、应力拉伸平台Ⅳ、应变采集系统Ⅴ、计算机Ⅵ及示波器Ⅶ。

首先组装电磁超声表面波探头Ⅲ，永磁铁4吸附在固定软铁2上，通过螺钉3将固定软铁2安装在铝合金外壳1进行固定；利用电烙铁将射频连接器5焊接在三法三收线圈6的焊盘6-2上，便于探头通过射频连接器5同轴电缆与其他装置相连和拆卸，实现探头模块化。三发三收线圈6中有三组超声发射线圈6-1和超声接收线圈6-3，具有三个传播方向：第一传播方向b_0°、第二传播方向b_60°、第三传播方向b_120°，相邻两个传播方向间夹角为γ＝60°，三发三收线圈6采用蛇形，胶接固定在永磁铁4的底面，保证已焊接的射频连接器5正确安装在外壳1的相应凹槽位置；最后，对三发三收线圈6底部通过喷涂绝缘漆进行绝缘处理，完成电磁超声表面波探头Ⅲ的组装，见附图2、3。

然后组装应力拉伸平台Ⅳ，将应变片8安装在拉伸试件7上，利用螺栓将拉伸试件7固定在液压虎钳9上，保证拉伸试件7轴线方向与液压虎钳9的轴线方向一致。

最后组装超声检测系统，通过同轴电缆将电磁超声表面波探头Ⅲ与阻抗匹配网络Ⅱ输出端相连，阻抗匹配网络Ⅱ输入端与超声调控系统Ⅰ通过BNC线相连，示波器Ⅶ与超声调控系统Ⅰ相连将超声信号显示在示波器Ⅶ上，将示波器Ⅶ、应变采集系统Ⅴ与超声调控系统Ⅰ分别与计算机Ⅵ相连，完成整个电磁超声检测系统的组装，如附图1所示。

第二步标定材料声弹性系数k₁和k₂

调整液压虎钳9使得拉伸应力λ＝0，将电磁超声表面波探头Ⅲ放置在拉伸试件7上，使得第一传播方向b_0°与拉伸试件轴线方向

重合，电磁超声表面波探头Ⅲ中心与待测点o处重合，并保证接触可靠；利用静态应变采集系统Ⅴ采集应变数据，将超声发射线圈6-1发出的超声脉冲激励信号与超声接收线圈6-3接收到的接收信号进行互相关计算，得出此时的表面波声时差t_0-0＝6.7144ns。将电磁超声表面波探头Ⅲ旋转角度α＝π/20，使得电磁超声表面波探头Ⅲ第一传播方向b_0°与第1标定测量方向

重合，测量此时表面波声时差t_0-1＝6.7148ns。重复上述过程，直至电磁超声表面波探头Ⅲ第一传播方向b_0°与第10标定测量方向

重合，此时电磁超声表面波探头Ⅲ旋转角度为10α＝π/2。从而测得应力λ＝0时，各个角度下的表面波声速时差[6.7144 6.7148 6.7144 6.7144 6.7144 6.7144 6.71486.7156 6.7168 6.7184 6.7192]ns。

通过液压虎钳9调整拉伸试件7上施加的应力，应力步长为7.1MPa，直至λ＝49.7MPa。重复上述过程，测得每个应力值下对应的各个角度下的表面波声速[t_m-0 t_m-1 …t_m-10]。最终可得各个应力值下对应的不同测量方向上的声时差t，单位为ns，如式(6)。

根据公式(2)计算待测点处各应力值下所对应不同测量方向上的波速v，单位为m/s，如式(7)，。

将速度v代入公式(3)进行拟合，获得材料声弹性系数k₁＝-3.2204×10⁵和k₂＝-2.9175×10⁵。

第三步检测平面内的超声波速

将电磁超声表面波探头Ⅲ放置于待测试件上，电磁超声表面波探头Ⅲ中心与待测试件上应力待测点重合。分别采集三个传播方向b_0°、b_60°、b_120°上的表面波波形数据，进行互相关处理，计算出三个传播方向上电磁超声表面波波速分别为v_0°＝2855.10m/s，v_60°＝2861.91m/s和v_120°＝2864.65m/s。附图5为第一传播方向表面波波形图。

将电磁超声表面波探头Ⅲ放置在无应力试件表面，计算无应力下三个传播方向上电磁超声表面波波速v_00°＝2852.05m/s，v_060°＝2862.94m/s和v_0120°＝2859.53m/s。将第一传播方向b_0°的波速v_0°、第二传播方向b_60°的波速v_60°和第三传播方向b_120°的波速v_120°及无应力条件下三方向表面波波速v_00°，v_060°和v_0120°代入公式(4)，求得m₁、m₂、m₃，再将其带入公式(5)计算得出金属平面应力σ₁＝-155.184MPa和σ₂＝24.432MPa以及应力方向与第一传播方向b_0°夹角θ＝39.7°。

该方法在检测中，可以通过减小超声发射线圈6-1和超声接受线圈6-3的匝数、线宽及线距方式，减小收发线圈的间距，来提高探头空间分辨率。

本发明采用“三发三收”式表面波探头，利用三组发射和接收线圈，实现了平面应力状态两个主应力及主应力夹角的一次定位、多参测量，提高了测量精度与效率。

Claims (2)

1.一种平面残余应力电磁超声检测方法，其特征是，该方法首先组装电磁超声检测系统；再利用电磁超声表面波探头采集拉伸应力状态下的表面波信号以标定材料声弹性系数，利用应变采集系统采集应变数据；最后，通过采集待测点三个方向表面波信号波形，并利用平面应力超声检测理论公式计算平面应力大小及方向；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超声调控系统(Ⅰ)、阻抗匹配网络(Ⅱ)、表面波探头(Ⅲ)、应力拉伸平台(Ⅳ)、应变采集系统(Ⅴ)、计算机(Ⅵ)及示波器(Ⅶ)组成；

首先，组装电磁超声表面波探头(Ⅲ)；永磁铁(4)吸附在固定软铁(2)上，通过螺钉(3)将固定软铁(2)固定在外壳(1)上；将射频连接器(5)焊接在三发三收线圈(6)的焊盘(6-2)上；将三发三收线圈(6)胶接固定在永磁铁(4)的底面，并保证已焊接的射频连接器(5)正确安装在外壳(1)的相应凹槽位置；对三发三收线圈(6)底部通过喷涂绝缘漆进行绝缘处理，完成电磁超声表面波探头(Ⅲ)的组装；

然后，组装应力拉伸平台(Ⅳ)；将应变片(8)固定在拉伸试件(7)上；利用螺栓将拉伸试件(7)固定在液压虎钳(9)上，保证拉伸试件(7)轴线方向与液压虎钳(9)的轴线方向一致；

最后，组装整个电磁超声检测系统；通过同轴电缆将电磁超声表面波探头(Ⅲ)与阻抗匹配网络(Ⅱ)输出端相连，阻抗匹配网络(Ⅱ)输入端与超声调控系统(Ⅰ)通过BNC线相连，示波器(Ⅶ)与超声调控系统(Ⅰ)相连将超声信号显示在示波器(Ⅶ)上，将示波器(Ⅶ)、应变采集系统(Ⅴ)与超声调控系统(Ⅰ)分别与计算机(Ⅵ)相连，完成整个电磁超声检测系统的组装；

第二步 标定材料声弹性系数

表面波探头(Ⅲ)发射的表面波具有三个传播方向，第一传播方向b₁、第二传播方向b₂、第三传播方向b₃，相邻两个传播方向夹角为γ，选用其中第一传播方向b₁的超声发射线圈(6-1)和超声接收线圈(6-3)进行标定材料声弹性系数k₁和k₂；

调整液压虎钳(9)使得拉伸应力λ＝0，将表面波探头(Ⅲ)放置在拉伸试件上，使得表面传播方向b₁与第0标定测量方向

即拉伸试件轴线方向重合，表面波探头(Ⅲ)中心与待测点o处重合，保证接触可靠；利用应变采集系统(Ⅴ)采集应变数据；在超声调控系统(Ⅰ)的控制下，超声发射线圈(6-1)发出的超声脉冲激励信号，在材料表面传播一定距离L后，被超声接收线圈(6-3)接收；将超声发射线圈(6-1)发出的超声脉冲激励信号与超声接收线圈(6-3)接收到的接收信号进行互相关计算，取两个互相关序列最大值所在位置之差，计算出此时的表面波声时差t₀₀；将表面波探头(Ⅲ)旋转角度α，使得表面波探头(Ⅲ)第一传播方向b₁与第一标定测量方向

重合，测量此时表面波声时差t₀₁；重复上述过程，直至表面波探头(Ⅲ)传播方向b₁与第N标定测量方向

重合，此时表面波探头(Ⅲ)旋转角度Nα＝π/2；从而测得应力λ＝0时，各个角度下的表面波声速时差[t₀₀ t₀₁ … t_0N]；

通过液压虎钳(9)调整拉伸试件(7)上施加的应力，应力步长为λ₁，直至λ＝mλ₁；重复上述过程，测得每个应力值下对应的各个角度下的表面波声速[t_m0 t_m1 … t_mN]；得到各个应力值下对应的不同测量方向上的声时差t，

计算待测点处各应力值下所对应不同测量方向上的波速v，公式如下：

将速度v代入公式(3)进行拟合，获得材料声弹性系数k₁和k₂；

其中，β为标定中第一传播方向b₁与拉伸试件轴线方向

夹角，σ为拉伸试件的应力，v_i为应力值为σ且第一传播方向b₁与拉伸试件轴线方向

夹角为β时波速，v₀为夹角为β、应力值为0时的波速，ρ为待测试件密度；

第三步 检测平面内的超声波速

将表面波探头(Ⅲ)放置在待测试件上，表面波探头(Ⅲ)中心与待测试件上应力待测点重合；分别采集三个传播方向上表面波波形数据，进行互相关处理，分别计算出三个传播方向上电磁超声表面波波速，即第一传播方向b₁的波速v_b1、第二传播方向b₂的波速v_b2、第三传播方向b₃的波速v_b3；

将表面波探头(Ⅲ)放置在无应力试件表面，计算第一传播方向b₁的无应力波速v_0b1、第二传播方向b₂的无应力波速v_0b2、第三传播方向b₃的无应力波速v_0b3；将有应力和无应力条件下三个方向表面波波速代入公式(4)，

其中，m₁、m₂、m₃分别为第一传播方向b₁、第二传播方向b₂、第三传播方向b₃的应力差函数变量；

将m₁、m₂、m₃带入公式(5)，计算得出金属平面应力以及主应力方向与第一传播方向b₁的夹角，

其中，σ₁为第一主应力，σ₂为第二主应力，θ为主应力方向与第一传播方向b₁夹角。

2.一种平面残余应力电磁超声检测方法，其特征是，该方法在检测中，通过减小超声发射线圈(6-1)和超声接受线圈(6-3)的匝数、线宽及线距方式，减小收发线圈的间距，来提高探头空间分辨率。

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