CN112050981B - 一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超声测量技术领域，公开了一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法。该方法通过设计垂直布置的电磁超声线圈，结合超声激励系统激发出的高频脉冲电压，使材料表面产生正交方向的感应涡流；基于线圈构型优化了磁铁的排列方式，在线圈有效区域同时产生了水平磁场和垂直磁场；基于声弹性双折射原理和声速比特性，确定了平面应力与单向应力与超声传播时间的关系。本发明中的电磁超声探头结构紧凑、空间测量分辨率高，可同时激发出沿材料厚度方向传播的纵波和两束正交偏振的横波，解决了传统应力测量过程中旋转探头带来精度低、效率低等问题；消除了材料厚度对超声传播声时的影响，可同时满足平面应力和单向应力快速精确在位测量要求。

Description

一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法
技术领域
本发明属于超声测量技术领域，特别涉及一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法。
背景技术
零件在制造使役过程中，由于机械加工和外部载荷的影响，易在材料内部产生残余应力，包括平面应力状态和单向应力状态，严重影响零件的机械性能和安全寿命，为此，对零件内部的残余应力开展定期无损测量极其重要。相比其它无损检测方法，超声法具有穿透能力强、适用范围广、测量效率高等优点。然而，目前普遍使用的压电超声激励法易受耦合状态干扰，测量重复性差，制约了残余应力的测量精度和一致性。
基于电磁感应原理的电磁超声传感器(EMAT)通过导电材料表面产生不同方向的交变力，进而激发出横波、纵波和表面波等多种波形，可实现残余应力的无耦合、非接触、快速测量。然而，面向平面应力或单向应力超声检测过程中易受材料厚度影响，精确获取螺栓、箱体等服役件的厚度极其困难，无法实现残余应力的精确在位测量；特别地，基于声弹性双折射原理的平面应力测量方法还受材料晶粒取向影响，导致超声横波声速的各向异性，平面应力分量解耦困难；而且，传统的造波模式只能激发一种波形，测量过程中须采用旋转电机控制实现超声沿不同方向偏振，该方法易引入定位误差，难以保证测量位置的一致性，测量效率低。为此，创新设计出同时激发纵波及正交偏振横波，优化设计电磁超声传感器的线圈结构和磁铁排列，实现同时满足面向平面应力和单向应力的在位测量需求。
2013年，季历程在发明专利CN201110324997.2中公开了“电磁超声检测探头”，该方法采用三个相同尺寸跑道形线圈重叠放置并通过开关切换，发射时线圈并联以增大激励能量，接收时线圈串联以提高接收灵敏度；但是，该方法只能产生一个偏振方向的横波，也无法产生纵波。2015年，吴德会等在发明专利CN201410024733.9中公开了“一种可变结构的电磁超声探头”，该方法在折线形线圈上方交替布置了多块磁铁并连接拨杆，通过移动拨杆改变偏置磁场与线圈的相对位置，切换产生体波和表面波；但是，该方法为产生不同波形改变了测量位置，无法满足应力测量需求。
然而，上述均未提及一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，面向制造现场环境的平面应力和单向应力测量需求，本发明提供了一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法。该方法中，设计了垂直布置的电磁超声线圈，结合超声激励系统激发出的高频脉冲电压，使材料表面产生正交方向的感应涡流；基于线圈构型优化了磁铁的排列方式，在线圈有效区域同时产生了水平磁场和垂直磁场，进而同时激发出了纵波和两束正交偏振的横波；可实现平面应力和单向应力的测量，有效避免了未知材料厚度对测量精度的影响。
本发明采用的技术方案是：
一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法，首先，设计并制作垂直布置线圈，采用印刷电路板(PCB)打样方式，精确控制线圈尺寸精度；其次，基于线圈结构优化磁铁排列方式，保证在线圈有效区域内产生水平磁场和垂直磁场；再次，设计并组装EMAT，包括设计屏蔽外壳、焊接电缆接口、集成线圈与磁铁；然后，将设计的EMAT与超声激励系统相连，两个线圈分别与系统的两个发射端口连接；最后，标定材料的声弹性常数，完成材料平面应力或单向应力测量。具体步骤如下：
第一步，设计激励线圈
激励线圈1采用印刷电路板(PCB)打样制作，以保证激励线圈的尺寸精度和设计灵活性；为了使线圈结构更加紧凑，激励线圈1采用叠加垂直布置的结构形式，并通过MMCX接口与外部电路相连；其中，激励线圈1的直线部分为有效区域，保证材料表面产生正交方向的感应涡流。
所述的激励线圈1包括正交跑道形线圈、正交D形蝴蝶形线圈、正交回形蝴蝶形线圈和正交跑道蝴蝶形线圈四种构型。所述的正交跑道形线圈和正交D形蝴蝶形线圈均为两层线路板；正交回形蝴蝶形线圈和正交跑道蝴蝶形线圈均为四层线路板。四种构型都是叠加垂直布置，且位于上面的激励线圈与下面的激励线圈结构尺寸相同，中间重叠部分存在正交方向的直导线区域，皆可产生正交方向的感应涡流。
第二步，优化磁铁排列方式
基于电磁感应原理，为产生横波所需的水平方向洛伦兹力和纵波所需的垂直方向洛伦兹力，优化磁铁的排列方式，使激励线圈的有效区域既在磁铁的垂直磁场范围又在水平磁场范围，以保证同时产生横波和纵波；
根据激励线圈1的四种构型，对应的磁铁2排列方式也有四种，分别为正交跑道形线圈对应的磁铁排列方式、正交D形蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式、正交回形蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式和正交跑道蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式。四种构型均采用三块磁铁2竖直排列在激励线圈1上，且磁极依次交替布置；不同之处为磁铁2的尺寸及相对距离不同：中间磁铁的尺寸不能超过激励线圈1中间的直导线区域，并保证中间磁铁与两侧磁铁之间留有激励线圈1的部分直导线区域。
第三步，设计并组装电磁超声传感器
电磁超声传感器3包括集成后的激励线圈1、磁铁2、外壳3.1、衔铁3.2和MMCX连接器3.3。其中，外壳3.1用于屏蔽外部干扰；外壳3.1为铝合金材料制成的壳体结构，其内部根据三块磁铁2的排列方式设计合适尺寸的空腔，三块磁铁2置于外壳3.1对应的空腔中；外壳3.1上方固定衔铁3.2，通过衔铁3.2自身的导磁性与磁铁2相吸以固定磁铁的相对位置。所述MMCX连接器3.3焊接在激励线圈1顶部，MMCX连接器3.3通过同轴电缆连接超声激励系统；为保证连接的可靠性，激励线圈1和磁铁2之间通过胶水相粘。
第四步，连接超声激励系统
将集成组装后的电磁超声传感器3、双工器4.1、终端电阻4.2、脉冲发生器4.3依次相连；双工器4.1与放大器4.4连接，所述放大器4.4与示波器4.5相连以显示超声信号；示波器4.5通过USB线4.6与PC端4.7连接以采集并存储数据；将阻抗匹配网络4.8连接在电磁超声传感器3与双工器4.1之间，以减少电磁超声传感器3与脉冲发生器4.3之间的失配。电磁超声传感器3放置在被测材料4.9上方，使电磁超声传感器3激励的超声信号沿被测材料4.9的板厚方向传播，一系列回波信号重新被电磁超声传感器3接收。
第五步，测量声弹性系数和应力
对于平面应力σ2和σ3，通过测量X2偏振方向横波5.1和X3偏振方向横波5.2与纵波5.3的传播时间来实现解耦提取，其基本原理是横波双折射现象及声速比特性，前者表现为应力引起材料各向异性使X2偏振方向横波5.1和X3偏振方向横波5.2在试样中传播速度不同；后者表现为：
Figure BDA0002626667030000051
其中，v12和v13分别为应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的声速，v11为应力状态下纵波的声速，α为晶粒取向引起的各向异性，CA为声弹性双折射系数，CR为声速比声弹性系数，
Figure BDA0002626667030000052
和
Figure BDA0002626667030000053
分别为无应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的声速，
Figure BDA0002626667030000054
为无应力状态下纵波的声速。
将公式(1)的应力与速度的关系转变为应力与传播时间的关系为：
Figure BDA0002626667030000055
其中，t12和t13分别为应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的传播时间，t11为应力状态下纵波的传播时间，
Figure BDA0002626667030000056
和
Figure BDA0002626667030000057
分别为无应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的传播时间，
Figure BDA0002626667030000058
为无应力状态下纵波的传播时间；
对于单向应力σ1，通过测量X2偏振方向横波5.1与纵波5.3传播时间或X3偏振方向横波5.2与纵波5.3传播时间来实现提取，其基本原理是声速比特性。以X2偏振方向横波5.1为例，X2偏振方向横波5.1与纵波5.3在材料中的传播速度比与应力存在线性关系为：
Figure BDA0002626667030000061
其中，K1和K2分别为纵波和X2偏振方向横波的声弹性系数；
对公式(3)两式进行比值，并通过泰勒展开可得：
Figure BDA0002626667030000062
其中，K3为X2偏振方向横波和纵波的声速比声弹性系数。
因此，根据平面应力超声测量原理公式(1)-(2)、单向应力超声测量原理公式(3)-(4)可知，只需测量超声传播时间即可对未知厚度的材料应力状态进行测量。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法，其测量探头具有结构紧凑、测量分辨率高、便携等优点，可同时激发出沿材料厚度方向传播的纵波和两束正交偏振的横波；采用基于声速比的应力测量方法消除了材料厚度对超声传播声时的影响，避免了传统旋转方法带来的定位误差，有效提高了测量效率，满足了面向制造现场环境的平面应力和单向应力快速精确测量需求。
附图说明
图1为激励线圈示例图；其中，(a)正交跑道形线圈，(b)正交D形蝴蝶形线圈，(c)正交回形蝴蝶形线圈，(d)正交跑道蝴蝶形线圈。
图2为磁铁排列方式示例图；其中，(a)正交跑道形线圈对应的磁铁排列方式，(b)正交D形蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式，(c)正交回形蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方，(d)正交跑道蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式。
图3为电磁超声传感器示例图。
图4为超声激励系统示例图。
图5为超声信号示例图。
图6为电磁超声横纵波应力测量方法示例图。
图中：1激励线圈；2磁铁；3.1外壳；3.2衔铁；3.3 MMCX连接器；4.1双工器；4.2终端电阻；4.3脉冲发生器；4.4放大器；4.5示波器；4.6 USB线；4.7 PC端；4.8阻抗匹配网络；4.9被测材料；5.1 X2偏振方向横波；5.2 X3偏振方向横波；5.3纵波。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方案。
如图1-图2所示，根据四种不同的激励线圈构型选择不同类型的磁铁排列方式，共设计出四种同时面向平面应力和单向应力测量要求的电磁超声传感器。本实施例中，以第一种正交跑道形线圈(如图1中(a)所示)为例，并对单向应力进行了测量验证。
电磁超声传感器3的主要设计参数如下：正交跑道形线圈的整体尺寸为21mm×21mm，匝数为20匝，导线厚度为0.035mm，最小线宽和线间距均为0.1mm，整体厚度为0.4mm；磁铁2的尺寸为15mm×15mm×5mm，充磁方向为厚度方向，共采用三块相同尺寸的磁铁2，磁极布置为正交跑道形线圈对应的磁铁排列方式(如图2中(a)所示)；电磁超声传感器3的外壳3.1选用铝合金材质，整体尺寸为30×25×10mm，内部共有三个相同尺寸的空腔，其大小与磁铁2尺寸相同，均为15mm×15mm×5mm，并在外壳3.1上专门设计了方槽以防止与MMCX连接器3.3发生干涉，尺寸为7mm×7mm×4mm；为了固定磁铁2的相对位置，采用衔铁3.2与磁铁2相吸，并通过螺钉将衔铁3.2固定在外壳3.1上方，衔铁3.2的尺寸为30mm×17mm×5mm；为了保证正交跑道形线圈和MMCX连接器3.3的连接牢固性，采用胶水将正交跑道形线圈与磁铁2相粘。
采用同轴电缆连接电磁超声传感器3与脉冲发生器4.3，基于“自发自收”模式激励电磁超声传感器3，并采用脉冲回波法计算X2偏振方向横波5.1和纵波5.3的传播时间。电磁超声传感器3经过阻抗匹配网络4.8、双工器4.1与终端电阻4.2和脉冲发生器4.3相连接，双工器4.1与放大器4.4连接，并通过放大器4.4与示波器4.5相连接以显示超声信号，示波器4.5通过USB线4.6与PC端4.7连接以采集并存储数据。将电磁超声传感器3放置在被测材料4.9上方，以激励超声信号并接收被测材料4.9底部反射的回波信号。
为了获取单向应力场σ1，对铝合金材质的螺栓单向应力σ1进行了测量，并利用应变片实时记录螺栓的应变状态，同时采用设计的电磁超声传感器3进行超声测量，结果表明声速比声弹性系数K3为0.0003/MPa，且当应变状态为450με时测得的单向应力σ1为29.4MPa，实验结果验证了该发明的可行性。
本发明设计的电磁超声传感器可同时激发出沿被测材料厚度方向传播的纵波和两束正交偏振的横波，解决了传统应力测量过程中旋转探头带来精度低、效率低等问题；基于声速比的应力测量方法消除了材料厚度对超声传播声时的影响，可同时满足平面应力和单向应力快速精确在位测量要求。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，设计激励线圈
激励线圈(1)采用印刷电路板打样制作，同时采用叠加垂直布置的结构形式，并通过MMCX接口与外部电路相连；其中，激励线圈(1)的直线部分为有效区域，保证材料表面产生正交方向的感应涡流；
所述的激励线圈(1)包括正交跑道形线圈、正交D形蝴蝶形线圈、正交回形蝴蝶形线圈和正交跑道蝴蝶形线圈四种构型；所述的正交跑道形线圈和正交D形蝴蝶形线圈均为两层线路板；正交回形蝴蝶形线圈和正交跑道蝴蝶形线圈均为四层线路板；
第二步，优化磁铁排列方式
根据激励线圈(1)的四种构型，对应的磁铁(2)排列方式分别为正交跑道形线圈对应的磁铁排列方式、正交D形蝴蝶形线圈对应的磁排列方式、正交回形蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式和正交跑道蝴蝶形线圈对应的磁铁排列方式；四种构型均采用三块磁铁(2)竖直排列在激励线圈(1)上，且磁极依次交替布置；
第三步，设计并组装电磁超声传感器
电磁超声传感器(3)包括集成后的激励线圈(1)、磁铁(2)、外壳(3.1)、衔铁(3.2)和MMCX连接器(3.3)；
其中，外壳(3.1)为壳体结构，其内部根据三块磁铁(2)的排列方式及尺寸设计空腔，三块磁铁(2)置于外壳(3.1)对应的空腔中；外壳(3.1)上方固定衔铁(3.2)，通过衔铁(3.2)自身的导磁性与磁铁(2)相吸以固定磁铁的相对位置；所述MMCX连接器(3.3)焊接在激励线圈(1)顶部并通过同轴电缆连接超声激励系统；为保证连接的可靠性，激励线圈(1)和磁铁(2)之间通过胶水相粘；
第四步，连接超声激励系统
将集成组装后的电磁超声传感器(3)、双工器(4.1)、终端电阻(4.2)、脉冲发生器(4.3)依次相连；双工器(4.1)与放大器(4.4)连接，所述放大器(4.4)与示波器(4.5)相连以显示超声信号；示波器(4.5)通过USB线(4.6)与PC端(4.7)连接以采集并存储数据；将阻抗匹配网络(4.8)连接在电磁超声传感器(3)与双工器(4.1)之间，以减少电磁超声传感器与脉冲发生器之间的失配；将电磁超声传感器(3)放置在被测材料(4.9)上方，使电磁超声传感器(3)激励的超声信号沿被测材料(4.9)的板厚方向传播，一系列回波信号重新被电磁超声传感器接收；
第五步，测量声弹性系数和应力
对于平面应力σ2和σ3，通过测量X2偏振方向横波(5.1)和X3偏振方向横波(5.2)与纵波(5.3)的传播时间来实现解耦提取，其基本原理是横波双折射现象及声速比特性，前者表现为应力引起材料各向异性使X2偏振方向横波和X3偏振方向横波在试样中传播速度不同；后者表现为：
Figure FDA0002626667020000021
其中，v12和v13分别为应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的声速，v11为应力状态下纵波的声速，α为晶粒取向引起的各向异性，CA为声弹性双折射系数，CR为声速比声弹性系数，
Figure FDA0002626667020000022
和
Figure FDA0002626667020000023
分别为无应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的声速，
Figure FDA0002626667020000031
为无应力状态下纵波的声速；
将公式(1)的应力与速度的关系转变为应力与传播时间的关系为：
Figure FDA0002626667020000032
其中，t12和t13分别为应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的传播时间，t11为应力状态下纵波的传播时间，
Figure FDA0002626667020000033
和
Figure FDA0002626667020000034
分别为无应力状态下X2偏振方向横波和X3偏振方向横波的传播时间，
Figure FDA0002626667020000035
为无应力状态下纵波的传播时间；
对于单向应力σ1，通过测量X2偏振方向横波(5.1)与纵波(5.3)传播时间或X3偏振方向横波(5.2)与纵波(5.3)传播时间来实现提取，其基本原理是声速比特性；当为X2偏振方向横波时，X2偏振方向横波与纵波在材料中的传播速度比与应力存在线性关系为：
Figure FDA0002626667020000036
其中，K1和K2分别为纵波和X2偏振方向横波的声弹性系数；
对公式(3)两式进行比值，并通过泰勒展开：
Figure FDA0002626667020000037
其中，K3为X2偏振方向横波和纵波的声速比声弹性系数；
根据平面应力超声测量原理公式(1)-(2)、单向应力超声测量原理公式(3)-(4)，通过测量超声传播时间对未知厚度的材料应力状态进行测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励线圈(1)的四种构型均为叠加垂直布置，且位于上面的激励线圈与下面的激励线圈结构尺寸相同，中间重叠部分存在正交方向的直导线区域，均产生正交方向的感应涡流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第二步的三块磁铁中，中间磁铁的尺寸不能超过激励线圈中间的直导线区域，并保证中间磁铁与两侧磁铁之间留有激励线圈的部分直导线区域。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述外壳(3.1)由铝合金材料制作，用于屏蔽外部干扰。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外壳(3.1)由铝合金材料制作，用于屏蔽外部干扰。
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