基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變的電磁測量方法與技術(shù)領(lǐng)域，其作用是利用渦流電阻抗對金屬構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行快速、無損測量。
【背景技術(shù)】
[0002]電渦流法因具有無損、非接觸、探測深度隨頻率可調(diào)控等技術(shù)特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，目前已發(fā)展出成熟的檢測儀器設(shè)備用于金屬構(gòu)件的缺陷檢測，但針對構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變測量的應(yīng)用尚處于起步階段。桿件承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)及循環(huán)應(yīng)力時，對其內(nèi)部應(yīng)力的測量數(shù)據(jù)有助于桿件的力學(xué)性能評價等，目前關(guān)于桿件應(yīng)力尤其循環(huán)應(yīng)力的無損、非接觸式測量方法報道很少。要實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的應(yīng)力無損測量，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)專用的渦流傳感器和電阻抗快速測量裝置，并研宄出應(yīng)力與電阻抗之間高線性度、高靈敏度的換算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量系統(tǒng)，首先依據(jù)應(yīng)力類型(如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)及循環(huán)應(yīng)力等)，制訂標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力加載方案，依次測量得出所有預(yù)定應(yīng)力條件下渦流傳感器2的電阻抗隨頻率的變化曲線，利用系統(tǒng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)分析模塊30確立最佳工作頻率，以及該頻率下電阻抗變化率與金屬構(gòu)件I的應(yīng)力的標(biāo)定方程；其次，設(shè)置單頻率工作模式，將實(shí)際測量得到的電阻抗變化率代入系統(tǒng)的阻抗換算及顯示模塊31，得到實(shí)際應(yīng)力值。
[0004]圖1所示為實(shí)際測量得到的一組不同應(yīng)力下所述渦流傳感器I的電阻抗曲線。虛線框內(nèi)放大的部分展示了在0.2MHz左右，渦流傳感器電阻抗曲線隨應(yīng)力增加的變化趨勢。
[0005]以無應(yīng)力時的電阻抗曲線為基準(zhǔn)值，計(jì)算特定頻率下不同應(yīng)力時電阻抗與基準(zhǔn)值的相對變化率，采用線性回歸分析相對變化率與應(yīng)力的關(guān)系方程，圖2示出了不同頻率時分析所得線性擬合方程的確定系數(shù)及斜率。其中確定系數(shù)越接近1，標(biāo)定方程越接近直線方程；斜率絕對值越高，應(yīng)力變化引起的渦流傳感器I的電阻抗變化率越大。在頻率范圍處于
0.1MHz?0.2MHz之間時，標(biāo)定方程的確定系數(shù)和斜率絕對值均較高，可選擇這一區(qū)間內(nèi)的頻率點(diǎn)作為工作頻率，并由此確定該頻率下應(yīng)力與電阻抗變化率的方程。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]參見圖3所示，基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)由渦流傳感器2、測量電路3、信號發(fā)生與采集裝置4、上位機(jī)5組成，該系統(tǒng)中，專用渦流傳感器2固定在金屬構(gòu)件I上，測量電路3與信號發(fā)生與采集裝置4對渦流傳感器2的電阻抗進(jìn)行測量和采集，上位機(jī)5進(jìn)行標(biāo)定方程分析及應(yīng)力換算；利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對夾持在金屬構(gòu)件I上的渦流傳感器2的電阻抗變化進(jìn)行快速測量，以表征金屬構(gòu)件I的應(yīng)力變化，由此形成一種基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量方法。
[0008]所述測量電路3、信號發(fā)生與采集裝置4和上位機(jī)5進(jìn)行特征電壓信號測量、電阻抗計(jì)算和應(yīng)力換算，參見圖4所示，其中渦流傳感器等效電路6與分壓電阻8 (阻值為R)串聯(lián)形成RL電路，測量電路3、信號發(fā)生與采集裝置4實(shí)現(xiàn)對分壓電阻8兩端電壓Uk的快速測量，結(jié)合信號發(fā)生與采集裝置4輸入至RL電路的激勵信號Ui，經(jīng)由上位機(jī)5的信號頻譜及阻抗計(jì)算模塊29，得出渦流傳感器2的電阻抗Z = R(U1ZUe-1) (Z, Ui, Uk均為復(fù)數(shù)形式)。
[0009]測量電路3包括取樣信號輸出接口一 7、分壓電阻8、取樣信號輸出接口二 9、信號輸入接口 10、渦流傳感器端口 11 ;取樣信號輸出接口一 7與信號發(fā)生與采集裝置4的信號輸出通道相連，取樣信號輸出接口一 7和取樣信號輸出接口二 9分別與信號發(fā)生與采集裝置4的信號接收通道CH1、信號接收通道CH2相連，渦流傳感器端口 11連接至渦流傳感器4。
[0010]所述上位機(jī)5對金屬構(gòu)件I的應(yīng)力和渦流傳感器2的電阻抗變化率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，選取線性擬合方程的確定系數(shù)和斜率絕對值均較高的頻率點(diǎn)，并確立應(yīng)力與電阻抗變化率的標(biāo)定方程；在實(shí)際測量時，上位機(jī)5將測算得出的特定頻率下渦流傳感器2的電阻抗變化率代入標(biāo)定方程，自動、快速計(jì)算并顯示出金屬構(gòu)件I的應(yīng)力值，完成單次測算、顯示過程所需時間小于50ms，也即該系統(tǒng)對應(yīng)力的采樣率可大于20Hz。
[0011]測量金屬桿件時，參見圖5所示，兩個傳感器單元12分別預(yù)先安裝于兩個夾持部件14內(nèi)，對位扣合在金屬桿件I表面；參見圖6所示，采用上、下兩個滑動蓋板15進(jìn)行封固，使渦流傳感器2夾持在金屬桿件I上；參見圖7所示，所述渦流傳感器2的核心為兩個傳感器單元12，制作時將繞有感應(yīng)線圈18的軟磁磁芯17經(jīng)環(huán)氧樹脂分別封裝于兩個黃銅材質(zhì)的屏蔽外殼19內(nèi)；參見圖8所示，當(dāng)金屬桿件I直徑收縮時，內(nèi)嵌于夾持部件14的預(yù)緊彈簧22及與之固接的墊壓板21可自動調(diào)整傳感器單元12的位置，使得傳感器單元12與金屬桿件I間保持緊密接觸。固定螺母16防止在沒有安裝傳感器單元12時，預(yù)緊彈簧22、墊壓板21及其螺栓導(dǎo)桿20意外滑落。
[0012]類似地，參見圖9所示，測量金屬板件時，將傳感器單元12安裝于旋轉(zhuǎn)部件23內(nèi)，底座24固定于被測金屬板件I表面；參見圖10所示，渦流傳感器2方向改變時，旋轉(zhuǎn)部件23上的固定部件25與底座24上45°間隔的凹槽26可固定其方向，參見圖11所示，旋鈕27上的固定凹槽28將整個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在底座24上，通過手動旋轉(zhuǎn)夾具實(shí)現(xiàn)對金屬板件上不同方向的應(yīng)力進(jìn)行測量。
[0013]參見圖12的基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量系統(tǒng)，其上位機(jī)5的后面板包括系統(tǒng)配置模塊、信號頻譜及阻抗計(jì)算模塊29、標(biāo)定數(shù)據(jù)分析模塊30、阻抗換算及顯示模塊31。參見圖13所示，以信號頻譜及阻抗計(jì)算模塊31為例，顯示了 LabVIEW軟件與Matlab軟件的嵌套調(diào)用程序代碼。上位機(jī)5具有標(biāo)定和測量兩種工作模式；
[0014]進(jìn)行關(guān)系方程標(biāo)定時，主要步驟如下:
[0015]步驟I)系統(tǒng)測量得到激勵信號U1、電壓Uk，經(jīng)由上位機(jī)5的信號頻譜計(jì)算模塊29計(jì)算得到渦流傳感器2的電阻抗隨頻率變化的分布曲線；
[0016]步驟2)對金屬構(gòu)件I施加不同應(yīng)力y，按照步驟I)，測量所述渦流傳感器2電阻抗隨頻率變化的分布曲線；
[0017]步驟3)以擬合方程的確定系數(shù)和斜率為指標(biāo)，對記錄的應(yīng)力y與不同頻率下的電阻抗X數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定最優(yōu)工作頻率，以及該頻率下的標(biāo)定關(guān)系方程= kx+b ;
[0018]進(jìn)行應(yīng)力測量時:上位機(jī)5的阻抗換算及顯示模塊31將信號頻譜及阻抗計(jì)算模塊29輸出的電阻抗X代入標(biāo)定關(guān)系方程，計(jì)算并顯示出金屬構(gòu)件I的應(yīng)力y。
[0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020]1.本發(fā)明可以方便地測定渦流傳感器2的電阻抗，并可用于確定金屬構(gòu)件I應(yīng)力與電阻抗的標(biāo)定關(guān)系方程，最終實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件I應(yīng)力的測量，對應(yīng)力的采樣率達(dá)20HZ ;
[0021]2.本發(fā)明所述渦流傳感器2安裝于金屬桿件I上時，采用了便于拆卸的組裝式夾持裝置。該裝置具有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)金屬桿件I直徑收縮時可保證傳感器單元12與金屬桿件I間保持緊密接觸，提高了測量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性；所述渦流傳感器2安裝于金屬板件I時，以45°為旋轉(zhuǎn)角度間隔，對不同方向的應(yīng)力進(jìn)行測量。
【附圖說明】
[0022]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1實(shí)際測量所得不同應(yīng)力條件下渦流傳感器的電阻抗曲線分布結(jié)果；
[0024]圖2實(shí)際測量電阻抗與標(biāo)定應(yīng)力數(shù)據(jù)的線性擬合確定系數(shù)、斜率分析計(jì)算結(jié)果；
[0025]圖3應(yīng)力測量系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖4渦流傳感器電阻抗測量電路原理圖；
[0027]圖5金屬桿件渦流傳感器的傳感器單元、夾持部件的組裝位置示意圖；
[0028]圖6安裝于金屬桿件的渦流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖7渦流傳感器傳感器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖8金屬桿件渦流傳感器的預(yù)緊機(jī)構(gòu)示意圖；
[0031]圖9金屬板件測試用渦流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖10金屬板件測試用渦流傳感器的固定裝置示意圖；
[0033]圖11金屬板件測試用渦流傳感器的旋鈕示意圖；
[0034]圖12上位機(jī)軟件界面；
[0035]圖13上位機(jī)軟件的后面板截圖；
[0036]圖14上位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖；
[0037]圖15本發(fā)明所述系統(tǒng)實(shí)際測量的時變應(yīng)力數(shù)據(jù)與標(biāo)定傳感器數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。
[0038]圖中:1、金屬構(gòu)件，2、渦流傳感器，3、測量電路，4、信號發(fā)生與采集裝置，5、上位機(jī)，6、渦流傳感器等效電路，7、取樣信號輸出接口一，8、分壓電阻，9、取樣信號輸出接口二，10信號輸入接口，11、渦流傳感器端口，12、傳感器單元，14夾持部件，15、滑動蓋板，16、固定螺母，17、軟磁磁芯，18、感應(yīng)線圈，19、屏蔽外殼，20、螺栓導(dǎo)桿，21、墊壓板，22、預(yù)緊彈簧，23、旋轉(zhuǎn)部件，24、底座，25、固定部件，26、凹槽，27、旋鈕，28、固定凹槽，29、信號頻譜計(jì)算模塊，30、標(biāo)定數(shù)據(jù)分析模塊，31、阻抗換算及顯示模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0039]參見圖3所示，本系統(tǒng)的標(biāo)定測試實(shí)驗(yàn)中可采用以下兩種加載方式:1)對金屬構(gòu)件施加拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，模擬靜載；2)對金屬構(gòu)件施加軸向循環(huán)應(yīng)力，模擬動載。以測量金屬桿件為例，選定加載方式后，下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0040]基于渦流阻抗的金屬構(gòu)件應(yīng)力測量方法及系統(tǒng)，參見圖3所示，所述系統(tǒng)包括夾持在金屬桿件(5mm不銹鋼桿)上的渦流傳感器、測量電路、信號發(fā)生與采集裝置和上位機(jī)。當(dāng)金屬桿件的應(yīng)力發(fā)生變化時，所述系統(tǒng)可通過測量渦流傳感器的電阻抗變化，快速計(jì)算并顯示出金屬桿件的應(yīng)力值。
[0041]參見圖4所示，所述測量電路包括取樣信號輸出接口一、分壓電阻、取樣信號輸出接口二、信號輸入接口、