[发明专利]基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于金属构件应力-应变的电磁测量方法与技术领域，其作用是利用涡流电阻抗对金属构件的应力进行快速、无损测量。

背景技术

电涡流法因具有无损、非接触、探测深度随频率可调控等技术特点而应用广泛，目前已发展出成熟的检测仪器设备用于金属构件的缺陷检测，但针对构件应力-应变测量的应用尚处于起步阶段。杆件承受拉伸、压缩、扭转及循环应力时，对其内部应力的测量数据有助于杆件的力学性能评价等，目前关于杆件应力尤其循环应力的无损、非接触式测量方法报道很少。要实现金属构件的应力无损测量，关键是设计专用的涡流传感器和电阻抗快速测量装置，并研究出应力与电阻抗之间高线性度、高灵敏度的换算方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，首先依据应力类型(如拉伸、压缩、扭转及循环应力等)，制订标定实验的应力加载方案，依次测量得出所有预定应力条件下涡流传感器2的电阻抗随频率的变化曲线，利用系统的标定数据分析模块30确立最佳工作频率，以及该频率下电阻抗变化率与金属构件1的应力的标定方程；其次，设置单频率工作模式，将实际测量得到的电阻抗变化率代入系统的阻抗换算及显示模块31，得到实际应力值。

图1所示为实际测量得到的一组不同应力下所述涡流传感器1的电阻抗曲线。虚线框内放大的部分展示了在0.2MHz左右，涡流传感器电阻抗曲线随应力增加的变化趋势。

以无应力时的电阻抗曲线为基准值，计算特定频率下不同应力时电阻抗与基准值的相对变化率，采用线性回归分析相对变化率与应力的关系方程，图2示出了不同频率时分析所得线性拟合方程的确定系数及斜率。其中确定系数越接近1，标定方程越接近直线方程；斜率绝对值越高，应力变化引起的涡流传感器1的电阻抗变化率越大。在频率范围处于0.1MHz～0.2MHz之间时，标定方程的确定系数和斜率绝对值均较高，可选择这一区间内的频率点作为工作频率，并由此确定该频率下应力与电阻抗变化率的方程。

为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

参见图3所示，基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统，该系统由涡流传感器2、测量电路3、信号发生与采集装置4、上位机5组成，该系统中，涡流传感器2固定在金属构件1上，测量电路3与信号发生与采集装置4对涡流传感器2的电阻抗进行测量和采集，上位机5进行标定方程分析及应力换算；利用该系统可实现对夹持在金属构件1上的涡流传感器2的电阻抗变化进行快速测量，以表征金属构件1的应力变化，由此形成一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法。

所述测量电路3、信号发生与采集装置4和上位机5进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，参见图4所示，其中涡流传感器等效电路6与分压电阻8(阻值为R)串联形成RL电路，测量电路3、信号发生与采集装置4实现对分压电阻8两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置4输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机5的信号频谱及阻抗计算模块29，得出涡流传感器2的电阻抗x＝R(U_i/U_R-1)(x,U_i,U_R均为复数形式)。

测量电路3包括取样信号输出接口一7、分压电阻8、取样信号输出接口二9、信号输入接口10、涡流传感器端口11；取样信号输出接口一7和取样信号输出接口二9分别与信号发生与采集装置4的信号接收通道CH1、信号接收通道CH2相连，涡流传感器端口11连接至涡流传感器2。

所述上位机5对金属构件1的应力和涡流传感器2的电阻抗变化率数据进行线性回归分析，选取线性拟合方程的确定系数和斜率绝对值均较高的频率点，并确立应力与电阻抗变化率的标定方程；在实际测量时，上位机5将测算得出的特定频率下涡流传感器2的电阻抗变化率代入标定方程，自动、快速计算并显示出金属构件1的应力值，完成单次测算、显示过程所需时间小于50ms，也即该系统对应力的采样率可大于20Hz。