CN203148605U - 磁测法残余应力检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及铁磁性材料的残余应力检测领域，具体公开了一种磁测法残余应力检测系统，其包括探头，还包括与探头电性连接的电桥整流电路、分别与电桥整流电路电性连接的振荡电路和信号采集及处理电路；所述信号采集及处理电路一端还与一数据采集模块通信连接，该数据采集模块还与一计算机系统通信连接。本实用新型的磁测法残余应力检测系统，其测试电流数据更加准确，计算的应力精度得到了极大的提高。

Description

磁测法残余应力检测系统

技术领域

本实用新型涉及铁磁性材料的残余应力检测领域，尤其涉及一种高智慧型三维磁测残余应力的专家系统。

背景技术

铁磁性材料在机械加工和热加工的过程中都会产生不同的残留应力，残留应力的存在对材料的力学性能有着很大的影响，焊接件的制造和热处理过程中尤为明显，残留应力的存在一方面工件会降低强度，使工件在制造的过程中，产生变形和开裂等工艺缺陷，另一方面在制造后的自然释放过程中，使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低，从而造成使用中的诸多问题。

为了对铁磁性材料进行残留或载荷应力检测人们设计制造了应力检测装置。现有的残余应力的磁性测定法是利用铁磁物质的磁致伸缩效应进行测的，在无应力状态下，铁磁体可视为磁各向同性体；当有应力存在时，铁磁体各个方向的磁导率是不同的，即产生了磁各向异性，磁导率是应力状态的函数。当铁磁性材料所受的应力发生变化时，铁磁性材料内部的磁畴结构及导磁率也要发生变化。因导磁率的相对变化量与应力成正比，通过传感器和一定的电路将磁导率变化转变为电流量变化，建立应力与电流的函数变化关系。在平面应力状态下，主应力方向输出的电流差和主应力差有单值的线性关系，其表达式为：

(I₂-I₁)＝α(σ₁-σ₂)

其中，σ1、σ2分别为最大或最小主应力，单位为Mpa；I₁、I₂分别为最大和最小主应力方向电流输出值，单位为mA；a为灵敏系数，单位为mA/Mpa。因此使用涡流传感器测出的电流值准确精度对应力计算值有很大影响。

现有的磁测仪主要是以单片机控制为主，而测得的电流精度等级在mA级，存在测得的电流值精度不高，影响其应力计算精度，其测得的应力值误差比较大等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提出一种磁测法残余应力检测系统，其测试电流数据更加准确，计算的应力精度得到了极大的提高。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种磁测法残余应力检测系统，其包括：探头，还包括与探头电性连接的电桥整流电路、分别与电桥整流电路电性连接的振荡电路和信号采集及处理电路；所述信号采集及处理电路一端还与一数据采集模块通信连接，该数据采集模块还与一计算机系统通信连接。

本实用新型中，所述探头为两个，该两探头包括一基准探头及一检测探头，该基准探头及检测探头分别与电桥整流电路电性连接。

具体的，所述基准探头及检测探头均可以为一电涡流传感器。

进一步地，所述电桥整流电路内包括有两个整流桥及分别与该两整流桥电性连接的采样电阻；所述基准探头及检测探头分别与一整流桥电性连接，该采样电阻一端与信号采集及处理电路电性连接。

再者，所述振荡电路与电桥整流电路之间电性连接有一功率放大电路，该功率放大电路一端分别与两整流桥电性连接。

本实用新型中，所述振荡电路可以采用LC振荡器或RC振荡器，所述功率放大电路可以采用BTL功率放大器。

更进一步地，所述信号采集及处理电路内包括有放大及滤波电路，该放大及滤波电路内包括相互电性连接的一级共模输入差动放大电路和一级两阶有源低通滤波器，该共模输入差动放大电路一端与电桥整流电路电性连接，两阶有源低通滤波器一端与数据采集模块通信连接。

本实用新型的数据采集模块可以采用型号为PCI7901的32通道模拟信号采集卡。

此外，本实用新型中的所述计算机系统内包括至少一台PC机，该PC机采用intel双核E2210CPU。

本实用新型的磁测法残余应力检测系统，其采用了数据采集模块技术及计算机技术等，彻底的淘汰了落后的单片机控制磁测应力技术，使其测试电流数据更加准确，计算的应力精度大大提高；同时，其智能程度高，操作方便，只要输入频率，就可以知道测试多少层深的应力值；反之，输入测试深度，就可以找到现在使用的是多大频率；此外，其采用Windows xp操作系统的计算机系统，图形化界面，人机对话，动态数字及仪表盘指针显示数据，可保存及打印。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型磁测法残余应力检测系统一种具体实施例的模块结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种磁测法残余应力检测系统，其包括：探头10、10’，还包括与探头10、10’电性连接的电桥整流电路20、分别与电桥整流电路20电性连接的振荡电路30和信号采集及处理电路40；所述信号采集及处理电路40一端还与一数据采集模块50通信连接，该数据采集模块50还与一计算机系统60通信连接。本实用新型彻底淘汰了落后的单片机控制磁测应力技术，通过采用数据采集技术、计算机技术及LabWindows/CVI软件开发技术等，使得测试电流数据更加准确，计算的应力精度得到极大的提高。

本实用新型中，所述探头为两个10、10’，该两探头10、10’包括一基准探头10及一检测探头10’，该基准探头10及检测探头10’分别与电桥整流电路20电性连接。在本实用新型具体实施例中，所述基准探头10及检测探头10’均可以为一电涡流传感器。该电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器，其可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，其具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强等优点，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。为了能够测量铁磁材料构件的应力沿层深的分布状况，电涡流传感器的激励信号由2～40000Hz（视被测材料而定）连续可调的正弦波振荡电路30输出，再经过信号采集及处理电路40后同时去激励基准探头10和检测探头10’，作为检测探头10’的电涡流传感器的感应输出经过信号采集及处理电路40后送入数据采集模块50，把模拟量转变成数字量，然后送入计算机系统60进行数据处理。

进一步地，所述电桥整流电路20内包括有两个整流桥及分别与该两整流桥电性连接的采样电阻（未图示）；所述基准探头10及检测探头10’分别与一整流桥电性连接，该采样电阻一端与信号采集及处理电路40电性连接。为了提高输出功率，本实用新型在所述振荡电路30与电桥整流电路20之间电性连接有一功率放大电路32，该功率放大电路32一端分别与两整流桥电性连接。在本实用新型具体实施例中，所述振荡电路30可以采用LC振荡器，或者，该振荡电路30还可以采用由电阻与电容所形成的调谐电路，即RC振荡器，该RC振荡器用于向电涡流传感器提供连续可调的正弦波。所述功率放大电路32可以采用平衡桥式（BTL：Balanced Transformer Less）功率放大器。

更进一步地，所述信号采集及处理电路40内包括有放大及滤波电路（未图示），该放大及滤波电路内包括相互电性连接的一级共模输入差动放大电路和一级两阶有源低通滤波器（未图示），该共模输入差动放大电路一端与电桥整流电路20电性连接，两阶有源低通滤波器一端与数据采集模块50通信连接。其中，所述有源低通滤波器可使输出信号中的干扰小于1mV，从而大大提高了测量精度。在本实用新型具体实施例中，所述共模输入差动放大电路可以采用现有技术中的高共模输入差动放大电路，其具有非常高的输入共模电压范围，可以在高共模电压情况下精确测量差分信号。

本实用新型的数据采集模块50可以采用型号为PCI7901的32通道高速、高精度的模拟信号采集卡，其彻底的淘汰了落后的单片机控制磁测应力技术，使其测试电流数据更加准确，计算的应力精度大大提高。

此外，本实用新型中的计算机系统60内包括至少一台PC机，该PC机可以采用intel双核E2210CPU，其主频为2.2GHz，具有1G的金士顿内存条，500G大容量的硬盘。该计算机系统60内部采用美国国家仪器（NI：NationalInstruments）公司的LabWindows/CVI软件开发技术，其可以采用15寸的真彩色液晶屏作为软件运行界面。同时，其采用Windows xp操作系统，图形化界面，人机对话，动态数字及仪表盘指针显示数据，可保存及打印。

本实用新型的磁测法残余应力检测系统在测量前，首先在无应力构件上进行校准，即将基准探头10及检测探头10’都放在与被测构件的材料相同性质的无应力构件上，调节可调电阻使桥路平衡，这时使其电桥整流电路20两端的电压为零。当把检测探头10’移至被测构件时，由于被测构件受到应力作用，被测构件内部的磁特性发生变化，使得检测探头10’的涡流阻抗发生变化，因而桥路失衡，桥路不平衡电流流过100Ω的采样电阻并产生压降，经过信号采集及处理电路40后，送到数据采集模块50进行数据采样，然后经过计算机计算处理。其计算公式如下：

1、根据趋肤效应，改变激磁频率可确定不同层深的残余应力加权平均值：

${\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}_k=\frac{{\∫}_0^{h_k}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}{e}^{(-\frac{z}{h_k})}\mathrm{dz}}{{\∫}_0^{h_k}{e}^{(-\frac{z}{h_k})}\mathrm{dz}}$

式中，(σ_ij)_k为0至h_k范围内的残余应力加权平均值。

根据不同层深的加权平均值，可计算出应力梯度及沿层深的分布曲线。然后通过三维应力静力平衡方程，采用差分法可计算出其余三个应力分量。

2、灵敏系数

灵敏系数a可通过单向拉压或4点弯曲实验确定。

$a=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{I}_i{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_i-n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\left(\mathrm{\Δ}{I}_i\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_i\right)}{{\left[{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_i\right]}^2-n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_i^2}$

式中;ΔI_i为i点的电流差，mA;Δσ_i为i点的主应力差。MPa。

3、主应力差值

$({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)=\frac{I_{90}-I_0}{a\cos 2\mathrm{\θ}}$

式中：θ为最大主应力方向和x轴夹角;I₀、I₉₀为0°、90°二方向电流输出值。

4、主应力计算

已知各测点的主应力差和主方向角，用切实力差法分离主应力，任一点Ｐ的主应力为：

${\left({\mathrm{\σ}}_1\right)}_y=\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_x\right)}_y-{\left({\mathrm{\σ}}_y\right)}_y}{2}+\sqrt{{\left[\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_x\right)}_y-{\left({\mathrm{\σ}}_y\right)}_y}{2}\right]}^2+{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\right)}^2}$

${\left({\mathrm{\σ}}_2\right)}_y=\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_x\right)}_y-{\left({\mathrm{\σ}}_y\right)}_y}{2}+\sqrt{{\left[\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_x\right)}_y-{\left({\mathrm{\σ}}_y\right)}_y}{2}\right]}^2+{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\right)}^2}$

因此，通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化，就可确定残余应力的大小和方向。

综上所述，本实用新型的磁测法残余应力检测系统，其可以无损检测残余应力沿层深的分布，自动及手动选频，并自动调节激励电流。同时，其只需在一点测出0°、45°、90°三个方向的电流输出值即可，避免探头在测点处旋转180°所带来的人为误差。再者，其智能程度高，操作方便可靠，只要输入频率，就可以知道测试多少层深的应力值；反之，输入测试深度，就可以找到现在使用的是多大频率，数据分析直观，测量效率和测量精度高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁测法残余应力检测系统，包括探头，其特征在于，还包括与探头电性连接的电桥整流电路、分别与电桥整流电路电性连接的振荡电路和信号采集及处理电路；所述信号采集及处理电路一端还与一数据采集模块通信连接，该数据采集模块还与一计算机系统通信连接。

2.如权利要求1所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述探头为两个，该两探头包括一基准探头及一检测探头，该基准探头及检测探头分别与电桥整流电路电性连接。

3.如权利要求2所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述基准探头及检测探头均为一电涡流传感器。

4.如权利要求2所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述电桥整流电路内包括有两个整流桥及分别与该两整流桥电性连接的采样电阻；所述基准探头及检测探头分别与一整流桥电性连接，该采样电阻一端与信号采集及处理电路电性连接。

5.如权利要求4所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述振荡电路与电桥整流电路之间电性连接有一功率放大电路，该功率放大电路一端分别与两整流桥电性连接。

6.如权利要求5所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述振荡电路采用LC振荡器或RC振荡器，所述功率放大电路采用BTL功率放大器。

7.如权利要求1所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述信号采集及处理电路内包括有放大及滤波电路，该放大及滤波电路内包括相互电性连接的一级共模输入差动放大电路和一级两阶有源低通滤波器，该共模输入差动放大电路一端与电桥整流电路电性连接，两阶有源低通滤波器一端与数据采集模块通信连接。

8.如权利要求7所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述数据采集模块采用型号为PCI7901的32通道模拟信号采集卡。

9.如权利要求1所述的磁测法残余应力检测系统，其特征在于，所述计算机系统内包括至少一台PC机，该PC机采用intel双核E2210CPU。

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