CN114113344A - 一种电磁超声应力测量系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电磁超声应力测量系统及使用方法，属于超声测量系统技术领域。该系统包括PXI/PXIe工业便携机、电磁超声发射接收装置、PXI示波器、FPGA数据处理模块、电磁超声传感器等，电磁超声发射接收装置以脉冲串的形式激励各类电磁超声传感器，并通过示波器与硬件数据处理模块采集与处理电磁超声信号。本发明的测量系统采样率高、计算速度快，有效实现了超声发射信号与接收信号的快速精确采样，避免了因大吞吐量数据导致的仪器迟滞等现象；具备多种应力状态超声测量方法，能测量不同工况下的零件载荷或应力状态；结构紧凑、便携性好、测量效率高，满足面向制造现场环境的零件残余应力的在位快速精确测量需求。
Description
技术领域
本发明属于超声测量系统技术领域，特别涉及一种电磁超声应力测量系统及使用方法。
背景技术
制造过程中因塑性变形、温度梯度和金相组织变化等因素极易在材料内部产生高梯度残余应力，严重影响高性能零件的可靠服役能力。为此，快速准确地检测出残余应力的大小和分布，对于评估零件的制造性能和服役寿命，至关重要。相比于其它残余应力检测方法，超声法因具有穿透能力强、材料适用性广、测量效率高等优点，是快速无损检测零件残余应力的有效手段。但是，常规的压电超声因阻抗不匹配必须采用耦合剂填充换能器与零件间的空气层，致使残余应力测量精度易受耦合状态影响，测量结果一致性差。
电磁超声通过激励材料趋肤层的原子振荡产生超声波，可对具有油污、粗糙、氧化层表面的零件进行检测，有效避免了制造现场环境因素对残余应力测量结果的干扰。但是，基于电磁感应或磁致伸缩原理的电磁超声换能器换能效率比压电超声换能器低20-40dB，常规的超声发射系统无法提供足够高的电压以激励电磁超声换能器；且由于超声发射系统的功率低，只能以单脉冲激励换能器，导致超声传播时间和频率响应的计算精度差；特别地，残余应力超声测量要求信号采样率每秒达上亿次，常规的超声测量系统采样率每秒只有几十万次，难以满足残余应力的精确测量需求；且高的信号采样率势必引起大吞吐量的超声信号数据，基于软件的数据处理模块效率低，无法快速获取残余应力测量结果。为此，创新设计一种电磁超声应力测量系统，能够以大功率激励电磁超声换能器，并且具备高精度信号采样和高速处理数据的能力，实现面向制造现场环境的高性能零件残余应力的在位快速精确测量。
2014年，田志恒在发明专利CN201410520473.4中公开了“电磁超声检测系统”，该系统包括信号发生器、信号处理器、电磁超声波换能器等，并通过同轴线缆互相连接以实现信号的传输；但是，该系统不是一种便携式的电磁超声系统，并且不具备应力测量功能。2020年，冯佳俊等在发明专利CN202010199293.6中公开了“一种电磁超声仪测量残余应力的方法”，该方法中基于声弹性双折射原理，利用纵波和横波实现了同时测量横向应力和纵向应力；但是，该发明主要提出了一种基于电磁超声仪的残余应力测量方法，并没有设计电磁超声系统，也不包括系统的其它功能模块，如信号发射与接收模块、信号采集模块等。
基于此，本发明提出一种电磁超声应力测量系统。
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零件残余应力在位快速精确测量需求，本发明提供了一种电磁超声应力测量系统及使用方法。该方法中，创新设计了电磁超声激励模块，可以大功率激励电磁超声换能器，并具备单发单收和自发自收功能，可实现多种模式的超声波在材料表面激励；设计了电磁超声信号采集模块，有效实现了超声发射信号与接收信号的快速精确采样；设计了基于FPGA的硬件数据处理模块，避免了因大吞吐量数据导致的计算效率低、仪器使用卡顿等问题；基于声弹性原理建立了多种应力状态的超声检测方法，保证了电磁超声测量系统对残余应力分量的准确解耦与提取。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电磁超声应力测量系统，包括PXI/PXIe工业便携机6、电磁超声发射接收装置1、PXI示波器2、FPGA数据处理模块3、PXIe嵌入式控制器4、上位机软件7、电磁超声表面波发射换能器8.1、电磁超声表面波接收换能器8.2、电磁超声横纵波换能器8.3、BNC三通接口9和同轴线缆。
所述PXI/PXIe工业便携机6包括1个PXIe系统插槽、4个PXI插槽和2个PXIe插槽；其屏幕为上翻式并且可触摸，视角可任意调整以符合用户操作习惯；为保证应力电磁超声测量系统携带方便，PXI/PXIe工业便携机6分别装有正面提手与侧面提手；PXI/PXIe工业便携机6的边角安装保护套，以保证测量系统使用及运输过程中安全稳定；触摸板附近留有足够空间以供使用鼠标；键盘增加了小键盘以方便用户操作。
所述电磁超声发射接收装置1、PXI示波器2、FPGA数据处理模块3和PXIe嵌入式控制器4按照PXI/PXIe总线5分别与PXI/PXIe工业便携机6集成。其中，电磁超声发射接收装置1占据4个PXI插槽，PXI示波器2和FPGA数据处理模块3各占据1个PXIe插槽，PXIe嵌入式控制器4占据1个PXIe系统插槽。利用PXIe嵌入式控制器4控制PXI/PXIe工业便携机6，进而通过PXI/PXIe总线5控制电磁超声发射接收装置1、PXI示波器2和FPGA数据处理模块3；利用电磁超声发射接收装置1激励与接收高频脉冲串信号；利用PXI示波器2同步采集电磁超声发射接收装置1的高频脉冲串信号；利用FPGA数据处理模块3处理与计算PXI示波器2采集的高频脉冲串信号，同时完成残余应力的计算与提取。
所述电磁超声应力测量系统具有单发单收和自发自收两种激励模式，具体实现方式如下：
对于单发单收激励模式，电磁超声发射接收装置1的发射端口1.1经过BNC三通接口9后与电磁超声表面波发射换能器8.1连接，BNC三通接口9的另一端与PXI示波器2的第一接收端口2.1连接以采集电磁超声发射信号；电磁超声发射接收装置1的接收端口1.2与电磁超声表面波接收换能器8.2连接；电磁超声发射接收装置1的信号监测端口1.3与PXI示波器2的第二接收端口2.2连接以采集电磁超声接收信号；电磁超声发射接收装置1的外部触发端口1.4与PXI示波器2的同步触发端口2.3连接以实现PXI示波器2对电磁超声发射接收装置1的发射信号和接收信号的同步采集。
对于自发自收激励模式，电磁超声发射接收装置1的发射端口1.1直接与电磁超声横纵波换能器8.3连接；电磁超声发射接收装置1的信号监测端口1.3与PXI示波器2的第二接收端口2.2连接以采集电磁超声接收信号；电磁超声发射接收装置1的外部触发端口1.4与PXI示波器2的同步触发端口2.3连接以实现PXI示波器2对电磁超声发射接收装置1的接收信号的同步采集。
所述FPGA数据处理模块3由Kintex-7芯片、板载内存、flash存储器、switch芯片、高精度时钟发生器、数字离散IO接口等元器件组成，主要实现超声信号数据的频域和时域的高速处理，以及应力状态的快速解耦与提取。具体为：采用快速傅里叶变换方法获取信号的频率以及对应的幅值，采用互相关或自相关方法获取超声信号的声时差，采用建立的多应力状态解耦模型获取应力分量。快速傅里叶变换方法使用XILINX ISE提供的xfft:7.1IP核，依据超声信号长度设置通道数及转换点数；工作模式选择流水线模式以获得最快转换速度；数据类型选择定点，设置数据位宽与PXI示波器2一致；设置乘法器结构为四通道以优化性能。互相关方法基于FPGA数据处理模块3构造卷积节实现，一个卷积模块可使用Verilog-HDL硬件描述，使用时，将多个卷积节级联起来，并结合存储、求和、乘加等电路即可完成超声信号的互相关计算。基于建立的多应力状态解耦模型，以及计算的超声信号的声时差完成应力分量的提取。
所述上位机软件7基于PXIe控制器4通过PXI/PXIe总线5控制电磁超声发射接收装置1、PXI示波器2和FPGA数据处理模块3的开关与参数设置。具体为：控制电磁超声发射接收装置1的激励电压、脉冲宽度、脉冲周期数、激励频率、高通滤波临界值、低通滤波临界值、增益放大倍数等超声参数；控制PXI示波器2的采样模式、采样率、采样宽度、信号平均次数、阻抗等信号采集参数；控制FPGA数据处理模块3的数据处理开关。除此之外，上位机软件7还包括超声信号实时显示、应力数据计算及显示、材料数据库管理、参数设置保存等功能。
上述电磁超声应力测量系统的使用方法如下：
电磁超声应力测量系统具备三种应力状态测量功能，包括螺栓应力状态t1、单向应力状态σ1、平面应力状态σ2和σ3，不同的应力状态采用不同的电磁超声换能器以及测量方法。对于螺栓应力状态t1，横纵波联合法可以消除螺栓长度对超声传播时间的影响，为此，利用电磁超声横纵波换能器8.3对螺栓应力状态t1测量，测量过程中无需测量螺栓长度；进一步，基于声弹性理论，利用电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2对单向应力状态σ1测量；进一步，利用电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2对平面应力状态σ2和σ3测量，为获得两个主应力分量，需对电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2沿着表面旋转，分别获得表面波沿0°、45°和90°方向的传播速度，并根据平面应力解耦模型获得平面应力主应力分量σ2和σ3。具体测量方法如下：
当零件存在单向应力状态σ1时，电磁超声应力测量系统采用单发单收激励模式，通过上位机软件7设置电磁超声发射接收装置1的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置1的激励开关，脉冲串信号经过发射端口1.1激励电磁超声表面波发射换能器8.1，超声波在具备单向应力状态σ1的试件12表面产生并传播，接收信号被电磁超声表面波接收换能器8.2接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置1的接收端口1.2接收，电磁超声表面波发射换能器8.1发射的超声信号被PXI示波器2的第一接收端口2.1采集，电磁超声表面波接收换能器8.2接收的超声信号被PXI示波器2第二接收端口2.2采集，发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块3进行声时计算，并基于标定的声弹性常数实现单向应力状态σ1的电磁超声测量。
当零件存在平面应力状态σ2和σ3时，电磁超声应力测量系统采用单发单收激励模式，通过上位机软件7设置电磁超声发射接收装置1的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置1的激励开关与PXI示波器2的采集开关，脉冲串信号经过发射端口1.1激励电磁超声表面波发射换能器8.1，超声波在具备平面应力状态σ2和σ3的试件13表面产生并传播，接收信号被电磁超声表面波接收换能器8.2接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置1的接收端口1.2接收，电磁超声表面波发射换能器8.1发射的超声信号被PXI示波器2的第一接收端口2.1采集，电磁超声表面波接收换能器8.2接收的超声信号被PXI示波器2第二接收端口2.2采集，发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块3实现声时计算并被上位机软件7读取并存储；随后，利用上位机软件7关闭电磁超声发射接收装置1与PXI示波器2，并将电磁超声表面波发射换能器8.1与电磁超声表面波接收换能器8.2同时旋转45度，利用上位机软件7打开电磁超声发射接收装置1的激励开关与PXI示波器2的采集开关，重复上一步过程，实现发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块3进行声时与频率计算，并被上位机软件7读取并存储；再次，利用上位机软件7关闭电磁超声发射接收装置1与PXI示波器2，并将电磁超声表面波发射换能器8.1与电磁超声表面波接收换能器8.2同方向再旋转45度，利用上位机软件7打开电磁超声发射接收装置1的激励开关与PXI示波器2的采集开关，重复上一步过程，实现发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块3进行声时与频率计算并存储，并被上位机软件7读取并存储；最后，三个方向的声时与频率数据均经过FPGA数据处理模块3处理，并基于提前标定的声弹性常数实现平面应力状态σ2和σ3的电磁超声测量。
当零件存在螺栓应力状态t1时，电磁超声应力测量系统采用自发自收激励模式，通过上位机软件7设置电磁超声发射接收装置1的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置1的激励开关，脉冲串信号经过发射端口1.1直接激励电磁超声横纵波换能器8.3，超声波在具备螺栓应力状态t1的试件11表面产生并向体内传播，反射信号被电磁超声横纵波换能器8.3接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置1的发射端口1.1接收，电磁超声横纵波换能器8.3接收到的超声信号被PXI示波器2第二接收端口2.2采集，接收信号经过FPGA数据处理模块3进行声时计算，并基于标定的声弹性常数实现螺栓应力状态t1的电磁超声测量。
本发明的有益效果：本发明设计了一种电磁超声应力测量系统，该系统具有结构紧凑、便携性好、测量效率高等优点，可以脉冲串的形式激励电磁超声换能器；PXI示波器采样率高，实现了电磁超声信号的精确采样；基于FPGA的硬件数据处理模块计算与分析超声信号的效率高，提高了电磁超声测量系统的实用性；具备多种应力状态超声测量方法，可测量不同工况下的零件载荷或应力状态，满足了面向制造现场环境的零件应力的在位快速精确测量需求。
附图说明
图1为电磁超声系统单发单收模式连接示例图。
图2为电磁超声系统自发自收模式连接示例图。
图3为螺栓应力状态测量示例图。
图4为单向应力状态测量示例图。
图5为平面应力状态测量示例图。
图中：1电磁超声发射接收装置；2PXI示波器；3FPGA数据处理模块；4PXIe嵌入式控制器；5PXI/PXIe总线；6PXI/PXIe工业便携机；7上位机软件；9BNC三通接口；10试件；11螺栓应力状态t1的试件；12单向应力状态σ1的试件；平面应力状态σ2和σ3的试件13；
1.1发射端口；1.2接收端口；1.3信号监测端口；1.4外部触发端口；2.1第一接收端口；2.2第二接收端口；2.3同步触发端口；8.1电磁超声表面波发射换能器；8.2电磁超声表面波接收换能器；8.3电磁超声横纵波换能器。
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。
本实例中，搭建了应力电磁超声测量系统，具体模块以及连接方式如图1和2所示。各模块的主要技术参数如下：
电磁超声发射接收装置1基于PXI总线通信机制，频率激励带宽6MHz；能够以自发自收或一发一收模式激励与接收电磁超声信号；可以固定步长在一定范围内对超声信号进行放大和衰减，并具备高通滤波器组和低通滤波器组，以有效获取超声信号，提高信噪比。
PXI示波器2的信号采样带宽200MHz，可双通道接收，输入灵敏度范围1mV/div到5V/div，具备平均采集功能；FPGA数据处理模块3采用Xilinx的高性能Kintex-7系列FPGA作为实时处理器，可实现FMC接口数据的采集、处理、以及PCI Express总线接口的转换，存储带宽64位；PXIe嵌入式控制器4采用Intel处理器，支持多个PXIe总线配置；PXI/PXIe工业便携机6具备多个通道插槽，包括系统插槽、定时插槽、PXIe插槽和混合插槽等，最大系统带宽24GB/s；电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2技术参数完全相同，中心频率2MHz，带宽为2MHz，由PCB打印的曲折线圈与钕铁硼永磁铁制成，连接线采用标准BNC同轴电缆；电磁超声横纵波换能器8.3中心频率5MHz，带宽2MHz，由PCB打印的回形线圈与钕铁硼永磁铁制成，连接线采用标准BNC同轴电缆。
基于声弹性法，以开展电磁超声测量单向应力状态σ1为例，如图4所示。根据电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2的中心频率，通过上位机软件7设置电磁超声发射接收装置1的激励频率为2MHz、4个脉冲周期，低通滤波器设置为5MHz，高通滤波器设置为1MHz，增益为60dB，激励模式为单发单收；PXI示波器2的双通道采样率设置为2.5GS/s，信号被平均64次，阻抗设置为50Ω；设置完超声激励参数与信号采样参数后，电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2放置在单向应力状态σ1的试件12上，打开电磁超声发射接收装置1的激励开关，注意严禁电磁超声表面波发射换能器8.1和电磁超声表面波接收换能器8.2空载；脉冲串信号经过发射端口1.1激励电磁超声表面波发射换能器8.1，超声波在单向应力状态σ1的试件12表面产生并传播，经过电磁超声表面波接收换能器8.2转换为电信号后被电磁超声发射接收装置1的接收端口1.2接收，电磁超声表面波发射换能器8.1发射的超声信号被PXI示波器2的第一接收端口2.1采集，电磁超声表面波接收换能器8.2接收的超声信号被PXI示波器2的第二接收端口2.2采集；采集的发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块3进行声时计算，并基于标定的声弹性常数实现单向应力状态σ1的电磁超声测量。
式中，
为无应力时的表面波传播速度，VR为单向应力状态下表面波的传播速度，KR为表面波的声弹性常数。
本发明设计的应力电磁超声测量系统具备足够高的功率和电压激励电磁超声换能器，实现以非接触、无耦合地方式测量零件应力；基于仪器的大功、高电压等特点，能够激励出脉冲周期数可调的脉冲串，为声时的精确计算提供了保障；仪器的采样率高，有效保证了电磁超声信号的完整性，提高了应力的测量精度；基于FPGA的数据硬件处理模块，解决了大吞吐量数据传输导致的系统迟滞等问题，提高了仪器响应的快速性。总之，本发明的创新设计，为满足面向制造现场环境的零件应力在位精确快速测量需求，提供了有效的解决途径。
以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电磁超声应力测量系统，其特征在于，该测量系统包括PXI/PXIe工业便携机(6)、电磁超声发射接收装置(1)、PXI示波器(2)、FPGA数据处理模块(3)、PXIe嵌入式控制器(4)、上位机软件(7)、电磁超声表面波发射换能器(8.1)、电磁超声表面波接收换能器(8.2)和电磁超声横纵波换能器(8.3)；
所述电磁超声发射接收装置(1)、PXI示波器(2)、FPGA数据处理模块(3)和PXIe嵌入式控制器(4)按照PXI/PXIe总线(5)分别与PXI/PXIe工业便携机(6)集成；所述PXIe嵌入式控制器(4)控制PXI/PXIe工业便携机(6)，进而通过PXI/PXIe总线(5)控制电磁超声发射接收装置(1)、PXI示波器(2)和FPGA数据处理模块(3)；所述电磁超声发射接收装置(1)激励与接收高频脉冲串信号；利用PXI示波器(2)同步采集电磁超声发射接收装置(1)的高频脉冲串信号；所述FPGA数据处理模块(3)处理与计算PXI示波器(2)采集的高频脉冲串信号，同时完成残余应力的计算与提取；
所述电磁超声应力测量系统具有单发单收和自发自收两种激励模式，具体如下：
对于单发单收激励模式，电磁超声发射接收装置(1)的发射端口(1.1)经过BNC三通接口(9)后与电磁超声表面波发射换能器(8.1)连接，BNC三通接口(9)的另一端与PXI示波器(2)的第一接收端口(2.1)连接以采集电磁超声发射信号；电磁超声发射接收装置(1)的接收端口(1.2)与电磁超声表面波接收换能器(8.2)连接；电磁超声发射接收装置(1)的信号监测端口(1.3)与PXI示波器(2)的第二接收端口(2.2)连接以采集电磁超声接收信号；电磁超声发射接收装置(1)的外部触发端口(1.4)与PXI示波器(2)的同步触发端口(2.3)连接以实现PXI示波器对电磁超声发射接收装置的发射信号和接收信号的同步采集；
对于自发自收激励模式，电磁超声发射接收装置(1)的发射端口(1.1)直接与电磁超声横纵波换能器(8.3)连接；电磁超声发射接收装置(1)的信号监测端口(1.3)与PXI示波器(2)的第二接收端口(2.2)连接以采集电磁超声接收信号；电磁超声发射接收装置(1)的外部触发端口(1.4)与PXI示波器(2)的同步触发端口(2.3)连接以实现PXI示波器对电磁超声发射接收装置的接收信号的同步采集。
2.根据权利要求1所述的一种电磁超声应力测量系统，其特征在于，所述FPGA数据处理模块(3)包括Kintex-7芯片、板载内存、flash存储器、switch芯片、高精度时钟发生器和数字离散IO接口，实现超声信号数据的频域和时域的高速处理，以及应力状态的快速解耦与提取；具体为：采用快速傅里叶变换方法获取信号的频率以及对应的幅值，采用互相关或自相关方法获取超声信号的声时差，采用建立的多应力状态解耦模型获取应力分量；所述的快速傅里叶变换方法使用XILINX ISE提供的xfft:7.1IP核，依据超声信号长度设置通道数及转换点数；工作模式选择流水线模式以获得最快转换速度；数据类型选择定点，设置数据位宽与PXI示波器(2)一致；设置乘法器结构为四通道以优化性能；所述的互相关方法基于FPGA数据处理模块(3)构造卷积节实现，一个卷积模块使用Verilog-HDL硬件描述，使用时，将多个卷积节级联起来，并结合存储、求和、乘加电路完成超声信号的互相关计算；基于建立的多应力状态解耦模型，以及计算的超声信号的声时差完成应力分量的提取。
3.根据权利要求1或2所述的一种电磁超声应力测量系统，其特征在于，所述上位机软件(7)基于PXIe控制器(4)通过PXI/PXIe总线(5)控制电磁超声发射接收装置(1)、PXI示波器(2)和FPGA数据处理模块(3)的开关与参数设置，具体为：控制电磁超声发射接收装置(1)包括激励电压、脉冲宽度、脉冲周期数、激励频率、高通滤波临界值、低通滤波临界值和增益放大倍数在内的超声参数；控制PXI示波器(2)包括采样模式、采样率、采样宽度、信号平均次数和阻抗在内的信号采集参数；控制FPGA数据处理模块(3)的数据处理开关。
4.根据权利要求1或2所述的一种电磁超声应力测量系统，其特征在于，所述PXI/PXIe工业便携机(6)的屏幕为上翻式并且能触摸，视角能任意调整以符合用户操作习惯；PXI/PXIe工业便携机(6)分别装有正面提手与侧面提手；PXI/PXIe工业便携机(6)的边角安装保护套；键盘增加了小键盘以方便用户操作。
5.一种如权利要求1-4任一所述的测量系统的使用方法，其特征在于，所述的使用方法如下：
当零件存在单向应力状态σ1时，电磁超声应力测量系统采用单发单收激励模式：通过上位机软件(7)设置电磁超声发射接收装置(1)的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置(1)的激励开关，脉冲串信号经过发射端口(1.1)激励电磁超声表面波发射换能器(8.1)，超声波在具备单向应力状态σ1的试件表面产生并传播，接收信号被电磁超声表面波接收换能器(8.2)接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置(1)的接收端口(1.2)接收，电磁超声表面波发射换能器(8.1)发射的超声信号被PXI示波器(2)的第一接收端口(2.1)采集，电磁超声表面波接收换能器(8.2)接收的超声信号被PXI示波器(2)第二接收端口(2.2)采集，发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块(3)进行声时计算，并基于标定的声弹性常数实现单向应力状态σ1的电磁超声测量；
当零件存在平面应力状态σ2和σ3时，电磁超声应力测量系统采用单发单收激励模式：通过上位机软件(7)设置电磁超声发射接收装置(1)的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置(1)的激励开关与PXI示波器(2)的采集开关，脉冲串信号经过发射端口(1.1)激励电磁超声表面波发射换能器(8.1)，超声波在具备平面应力状态σ2和σ3的试件表面产生并传播，接收信号被电磁超声表面波接收换能器(8.2)接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置(1)的接收端口(1.2)接收，电磁超声表面波发射换能器(8.1)发射的超声信号被PXI示波器(2)的第一接收端口(2.1)采集，电磁超声表面波接收换能器(8.2)接收的超声信号被PXI示波器(2)的第二接收端口(2.2)采集，发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块(3)实现声时计算并被上位机软件(7)读取并存储；随后，关闭电磁超声发射接收装置(1)与PXI示波器(2)，并将电磁超声表面波发射换能器(8.1)与电磁超声表面波接收换能器(8.2)同时旋转45度，打开电磁超声发射接收装置(1)的激励开关与PXI示波器(2)的采集开关，重复上一步过程，实现发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块(3)进行声时与频率计算，并被上位机软件(7)读取并存储；再次，关闭电磁超声发射接收装置(1)与PXI示波器(2)，并将电磁超声表面波发射换能器(8.1)与电磁超声表面波接收换能器(8.2)同方向再旋转45度，打开电磁超声发射接收装置(1)的激励开关与PXI示波器(2)的采集开关，重复上一步过程，实现发射信号与接收信号都经过FPGA数据处理模块(3)进行声时与频率计算并存储，并被上位机软件(7)读取并存储；最后，三个方向的声时与频率数据均经过FPGA数据处理模块(3)处理，并基于提前标定的声弹性常数实现平面应力状态σ2和σ3的电磁超声测量；
当零件存在螺栓应力状态t1时，电磁超声应力测量系统采用自发自收激励模式：通过上位机软件(7)设置电磁超声发射接收装置(1)的电磁超声激励参数与超声信号采样参数后，打开电磁超声发射接收装置(1)的激励开关，脉冲串信号经过发射端口(1.1)直接激励电磁超声横纵波换能器(8.3)，超声波在具备螺栓应力状态t1的试件表面产生并向体内传播，反射信号被电磁超声横纵波换能器(8.3)接收并转换为电信号后被电磁超声发射接收装置(1)的发射端口(1.1)接收，电磁超声横纵波换能器(8.3)接收到的超声信号被PXI示波器(2)第二接收端口(2.2)采集，接收信号经过FPGA数据处理模块(3)进行声时计算，并基于标定的声弹性常数实现螺栓应力状态t1的电磁超声测量。
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