[发明专利]一种铁磁性材料应力测量装置和方法

说明书

本发明公开一种铁磁性材料应力测量装置和方法，脉冲发生器(1)驱动多匝线圈(2)在试样(4)中基于磁致伸缩效应产生超声波，并被接收探头(3)接收转换为电信号，经过信号放大器(5)放大，通过信号记录和分析模块(6)记录下超声波的峰峰值。测量过程包括两个阶段：在标定阶段，对没有应力的标准试样进行测量，记录下超声波峰峰值A₀，然后对标准试样施加应力a，得到应力a时的超声波峰峰值A_a，计算b＝A₀/A_a，绘制(a,b)曲线图。在实际测量阶段，将与标准试样同样材质的铁磁性材料作为待测试样(4)，得到超声波信号峰峰值A_d，计算b＝A₀/A_d，通过(a,b)曲线图得到待测试样(4)的应力值a。

技术领域

本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种通过铁磁性材料磁致伸缩激励电磁超声的原理，利用应力与磁致伸缩的关系进行铁磁性材料应力无损测量的方法。

背景技术

应力的无损测量方法主要包括如下几大类：基于应力对超声波特征(波速，波模式、散射率等)影响的方法，基于应力对材料电磁参数(磁导率、磁致伸缩系数、电导率)影响的方法，基于巴克豪森效应的方法，以及基于X射线衍射的方法，这些方法各有优缺点。其中基于应力对材料磁致伸缩系数影响的测量方法需要测量材料磁致伸缩系数，传统方法是将试样放置于一个磁场中，然后测量材料长度的变化。这种方法需要在试样表面粘贴应变片，或使用激光干涉的方法测量其应变大小，上述方法的测量效率非常低，不适用于大规模或在线测量。

电磁超声换能器EMAT(electromagnetic acoustic transducer)是一种利用电磁耦合的方式激励和接收超声波的换能器，常用于进行金属材料缺陷的检测和尺寸、应力等参数的测量。电磁超声的换能机制主要包括：洛伦兹力机制、磁致伸缩机制、磁化力机制，非铁磁性材料的电磁超声换能机制为洛伦兹力，而铁磁性材料的换能机制则以上三种都有，由于磁化力非常小，一般可不考虑。洛伦兹力对应力变化不敏感，而磁致伸缩系数与应力则具有一定的关系，对于低碳钢，两者的关系如图2和3所示。本发明采用基于磁致伸缩效应的电磁超声换能器，其在铁磁性材料中激发的超声波信号可反映铁磁性材料的磁致伸缩系数，通过磁致伸缩系数与应力的对应关系可评估铁磁性材料的应力大小。通过这种方法可实现铁磁性材料应力的非接触快速测量。

发明内容

铁磁性材料在磁场中会被磁化，磁化过程中，发生磁畴壁移动和磁畴转动；这个过程同时伴随着尺寸的变化，这种现象称为磁致伸缩效应。材料尺寸的变化量ΔL与总长度L的比值称为磁致伸缩系数，这一系数与外部磁场强度的关系曲线称为磁致伸缩曲线。该曲线除了受材质、温度的影响还受应力的影响。在同样的材质、同样的温度下，磁致伸缩系数变化可反应出应力大小的变化。关键在于对磁致伸缩系数的测量，本发明方法利用基于磁致伸缩效应的电磁超声实现对磁致伸缩系数的相对性测量。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种铁磁性材料应力测量装置，包括脉冲发生器(1)、多匝线圈(2)、超声波接收探头(3)、待测试样(4)、信号放大器(5)、信号记录和分析模块(6)；多匝线圈(2)放置于待测试样(4)需要测量应力的区域的正上方，保持提离距离为3mm–15mm之间的某个固定值，线圈主平面与待测试样(4)表面垂直，多匝线圈(2)的输入与脉冲发生器(1)的输出采用导线连接；超声波接收探头(3)放置于多匝线圈(2)的轴线方向上，与多匝线圈(2)的距离保持在大于检测盲区150mm，用于接收线圈在试样中产生的超声波；信号放大器(5)的输入与超声波接收探头(3)的输出采用导线连接，信号放大器的输出与信号记录与分析模块(6)的输入相连接。

所述脉冲发生器(1)产生的脉冲电流信号为宽频脉冲信号，可选的使用窄带脉冲信号。

所述多匝线圈(2)由金属导线绕制而成，线圈匝数影响着线圈的阻抗，线圈匝数设定原则应利于线圈与脉冲发生器的输出之间的阻抗匹配。