试件厚度未知情况的平面应力测量系统及其测量方法

1.本发明涉及一种试件厚度未知情况的平面应力测量系统及其测量方法，属于材料的无损检测技术领域。


背景技术：

2.金属产品在轧制、焊接、地表运动等内外部因素的作用下，会发生局部应力集中。应力集中不仅会导致有害形变，还会影响产品的刚度与稳定性，使其疲劳强度、抗应力腐蚀开裂能力和寿命降低。因此，测量金属产品的受力情况，评估其健康状态，对降低断裂、爆炸等重大安全事故发生率具有重要意义。
3.采用超声波法测量应力是基于声弹性效应，通过应力对超声波波速的影响来测量应力。现有专利中提出了两种采用超声波测量应力的方法：cn105158342a，一种超声水浸无损评价残余应力的方法，该方法需要将被测试件浸泡在水中，用水做超声波耦合剂，容易造成材料生锈，且很难应用于管道等正在服役中的试件；cn111307351a，一种电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法无法在厚度未知情况下对应力进行测量，这在实际应用中具有极大的不便。
4.在cn111307351a提出的方法中，要求被测试件厚度已知，否则无法通过超声系统测量声时来计算声速，其测量公式为：
[0005][0006]
以单向应力为例，即σ1≠0,σ2＝0，对上式的第二个方程进行厚度的灵敏度分析：
[0007][0008][0009]
根据一组厚度d＝15.25mm的x70管线钢标定实验数据，对于该材料：v0＝3309.1m/s，c＝
‑
3.350
×
10
‑6，t
1t
和t
2t
量级约10us，其值受应力变化对灵敏度分析影响可忽略不计，分析时取t
1t
＝t
2t
＝2d/v0＝9.217*10
‑6s。由此可计算出，被测试件厚度d的0.01mm的变化，即δd＝0.01mm，将导致应力计算误差δσ＝182.0mpa，而x70管线钢的屈服强度在400mpa～600mpa之间，因此，根据上述误差无法用于评估其应力状态。并且，在实际情况中，服役中的
管道或其他设备由于腐蚀或冲刷等因素，真实厚度往往是未知的，这极大限制了专利cn111307351a中提出方法的适用范围。


技术实现要素：

[0010]
本发明目的是为了解决现有技术中无法对厚度未知的材料采用超声波法测量平面应力的问题，提供了一种试件厚度未知情况的平面应力测量系统及其测量方法。
[0011]
本发明所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统，它包括电磁超声横纵波换能器、发射电路阵列、接收电路阵列、采集电路阵列、控制电路和上位机；
[0012]
发射电路阵列驱动电磁超声横纵波换能器发出超声横波和超声纵波，接收电路阵列将电磁超声横纵波换能器接收到的回波信号进行调理后传输至采集电路阵列，采集电路阵列通过模数转换将超声回波信号转换为数字信号，并将该数字信号通过控制电路传输至上位机，上位机根据超声回波的数字信号计算应力，并对数据和波形进行显示；
[0013]
电磁超声横纵波换能器包括永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)、螺旋线圈(3)和外壳(4)；
[0014]
永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)和螺旋线圈(3)由上至下依次叠合，且三者的轴向中心线重合；
[0015]
外壳(4)设置在永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)和螺旋线圈(3)的外部；
[0016]
正交蝶形线圈由两组蝶形线圈正交重叠组合，两组蝶形线圈分别激发传播方向为厚度方向、且偏振方向相互垂直的横波；
[0017]
正交蝶形线圈(2)在径向上的长度大于永磁体(1)直径，且能够激发偏振方向垂直于轴线横波的线圈区域置于永磁体(1)的正下方；
[0018]
螺旋线圈(3)用于激发沿厚度方向传播的纵波。
[0019]
本发明所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统的测量方法，该测量方法包括：
[0020]
s1、加工与待测试件材料相同的十字形标定试块；
[0021]
s2、采用平面应力测量系统对十字形标定试块进行测量，获得该材料的实验标定数据；
[0022]
所述实验标定数据包括：该材料固有的各向异性系数α、与材料固有各向异性系数相关的常量f(α)、横波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
a1
、横纵波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
b1
、横波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
a2
和横纵波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
b2
；
[0023]
s3、采用平面应力测量系统对待测试件进行测量，将电磁超声横纵波换能器吸附在待测试件上，并使正交蝶形线圈(2)的轴向方向与待测试件轧制方向重合，获取t
1t
、t
2t
和t
l
，t
1t
表示偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时，t
2t
表示偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时，t
l
表示偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时；
[0024]
s4、上位机根据数据库中存储的该材料实验标定数据和s3获取的t
1t
、t
2t
和t
l
，依据下式计算获得平行于轧制方向上的应力σ1和垂直于轧制方向上的应力σ2：
[0025][0026]
优选的，s1所述加工与待测试件材料相同的十字形标定试块还包括：
[0027]
对十字形标定试块进行退火处理，释放残余应力。
[0028]
优选的，s2所述采用平面应力测量系统对十字形标定试块进行测量，获得该材料的实验标定数据的具体方法包括：
[0029]
s2
‑
1、将电磁超声横纵波换能器吸附在十字形标定试块两条主轴相交处，并使正交蝶形线圈(2)两组蝶形线圈的轴线分别与轧制方向平行和垂直；
[0030]
s2
‑
2、对十字形标定试块施加平行于轧制方向上的应力σ1，在材料的屈服强度范围内，每间隔一定应力值对十字形标定试块进行测试，获得此时的超声波传播时间；
[0031]
所述超声波传播时间包括：偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时t
1t
、偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时t
2t
和偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时t
l
；
[0032]
s2
‑
3、上位机根据s2
‑
2获取的超声波传播时间依据下式计算获得横波声弹性特征量φ和横纵波声弹性特征量r：
[0033][0034]
s2
‑
4、通过线性拟合φ、r与σ1的关系，根据下式获得横波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
a1
和横纵波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
b1
：
[0035][0036]
s2
‑
5、对十字形标定试块施加垂直于轧制方向上的应力σ2，在材料的屈服强度范围内，每间隔一定应力值对十字形标定试块进行测试，获得此时的超声波传播时间；
[0037]
所述超声波传播时间包括：偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时t
1t
、偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时t
2t
和偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时t
l
；
[0038]
s2
‑
6、上位机根据s2
‑
5获取的超声波传播时间依据下式计算获得横波声弹性特征量φ和横纵波声弹性特征量r：
[0039][0040]
s2
‑
7、通过线性拟合φ、r与σ2的关系，根据下式获得横波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
a2
和横纵波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
b2
：
[0041][0042]
s2
‑
8、卸载施加在十字形标定试块上的应力，使十字形标定试块处于零应力状态，获取此时的超声波传播时间，根据此时的超声波传播时间计算获得φ和r：
[0043][0044]
此时，
[0045]
s2
‑
9、上位机将该材料的α、f(α)、c
a1
、c
b1
、c
a2
和c
b2
存入数据库中。
[0046]
优选的，所述t
1t
、t
2t
和t
l
均为超声波在被测件的厚度路径上传播的时间差；
[0047]
所述被测件包括待测试件和十字形标定试块；
[0048]
所述传播的时间差是一次传播的时间差和多次往复传播的时间差中的一种。
[0049]
采用本发明所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统及其测量方法，主要用于检测金属材料，具有如下有益效果：
[0050]
1、采用电磁超声技术，直接在被测材料表面产生超声波，因而具有非接触式、无需耦合剂、无需表面预处理的优点，有效避免了耦合剂带来的低效、材料生锈、无法耐高温问题；
[0051]
2、采用横纵波结合方法，利用速度与传播时间的关系，在公式中消除了厚度，有效避免了厚度带来的测量误差，可直接在厚度未知情况下，对服役管道进行二维平面应力测量。
附图说明
[0052]
图1是本发明所述电磁超声横纵波换能器的结构示意图；
[0053]
图2是本发明所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统的原理图；
[0054]
图3是本发明所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统的测量方法的十字形标定试块示意图；
[0055]
图4是本发明具体实施方式二所述建立的坐标系的示意图；
[0056]
图5是本发明所述电磁超声横纵波换能器的正交蝶形线圈中的一组蝶形线圈和永磁体相对位置示意图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0059]
具体实施方式一：下面结合图1、图2和图5说明本实施方式，本实施方式所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统，它包括电磁超声横纵波换能器、发射电路阵列、接收电路阵列、采集电路阵列、控制电路和上位机；
[0060]
发射电路阵列驱动电磁超声横纵波换能器发出超声横波和超声纵波，接收电路阵列将电磁超声横纵波换能器接收到的回波信号进行调理后传输至采集电路阵列，采集电路阵列通过模数转换将超声回波信号转换为数字信号，并将该数字信号通过控制电路传输至上位机，上位机根据超声回波的数字信号计算应力，并对数据和波形进行显示；
[0061]
电磁超声横纵波换能器包括永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)、螺旋线圈(3)和外壳(4)；
[0062]
永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)和螺旋线圈(3)由上至下依次叠合，且三者的轴向中心线重合；
[0063]
外壳(4)设置在永磁体(1)、正交蝶形线圈(2)和螺旋线圈(3)的外部；
[0064]
正交蝶形线圈由两组蝶形线圈正交重叠组合，两组蝶形线圈分别激发传播方向为厚度方向、且偏振方向相互垂直的横波；
[0065]
正交蝶形线圈(2)在径向上的长度大于永磁体(1)直径，且能够激发偏振方向垂直于轴线横波的线圈区域置于永磁体(1)的正下方；
[0066]
螺旋线圈(3)用于激发沿厚度方向传播的纵波。
[0067]
本实施方式中，正交蝶形线圈(2)在径向上的长度大于永磁体(1)直径，且能够激发偏振方向垂直于轴线横波的线圈区域置于永磁体(1)的正下方。
[0068]
本实施方式中，控制电路除了参数和超声波数据中转的作用，还发挥了协调发射电路阵列、接收电路阵列、采集电路阵列工作时序的作用，避免他们之间相互干扰。控制电路还包括增益控制。增益控制是控制接收电路阵列对信号的放大倍数，该参数在上位机上进行设置，然后传输至控制电路，再由控制电路根据集成芯片规定的控制方式进行控制。
[0069]
本实施方式中，所述发射电路阵列包括三个高频大功率发射电路单元，每个发射电路单元能够驱动的脉冲电压在500v以上，能够驱动的脉冲电流在20a以上，支持1～10mhz的工作频率和1khz的重复频率。
[0070]
本实施方式中，所述接收电路阵列包括三个低噪声高增益电路单元，每个接收单元能达到5db以上的信噪比。接收单元的增益可由控制电路进行控制，增益范围包括0db
‑
90db。
[0071]
本实施方式中，所述采集电路阵列包括三个高速采集电路单元，每个高速采集电路单元的采样频率在40mhz以上，采样位数在10位以上。
[0072]
进一步的，所述正交蝶形线圈(2)在径向上的长度大于永磁体(1)直径，二者的差大于等于1cm。
[0073]
再进一步的，所述永磁体(1)为圆柱体结构，沿厚度方向充磁。
[0074]
再进一步的，所述上位机显示的数据包括：超声回波的数字信号和计算获取的应力值。
[0075]
具体实施方式二：下面结合图2、图3和图4说明本实施方式，超声波法测量应力是基于声弹性效应，通过应力对超声波波速的影响来测量应力，将该方法建立在三维坐标系x1、x2、x3上。本实施方式所述试件厚度未知情况的平面应力测量系统的测量方法，该测量方法包括：
[0076]
s1、加工与待测试件材料相同的十字形标定试块；
[0077]
s2、采用平面应力测量系统对十字形标定试块进行测量，获得该材料的实验标定数据；
[0078]
所述实验标定数据包括：该材料固有的各向异性系数α、与材料固有各向异性系数相关的常量f(α)、横波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
a1
、横纵波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
b1
、横波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
a2
和横纵波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
b2
；
[0079]
s3、采用平面应力测量系统对待测试件进行测量，将电磁超声横纵波换能器吸附在待测试件上，并使正交蝶形线圈(2)的轴向方向与待测试件轧制方向重合，获取t
1t
、t
2t
和t
l
，t
1t
表示偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时，t
2t
表示偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时，t
l
表示偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时；
[0080]
s4、上位机根据数据库中存储的该材料实验标定数据和s3获取的t
1t
、t
2t
和t
l
，依据下式计算获得平行于轧制方向上的应力σ1和垂直于轧制方向上的应力σ2：
[0081][0082]
进一步的，s1所述加工与待测试件材料相同的十字形标定试块还包括：
[0083]
对十字形标定试块进行退火处理，释放残余应力。
[0084]
再进一步的，s2所述采用平面应力测量系统对十字形标定试块进行测量，获得该材料的实验标定数据的具体方法包括：
[0085]
s2
‑
1、将电磁超声横纵波换能器吸附在十字形标定试块两条主轴相交处，并使正交蝶形线圈(2)两组蝶形线圈的轴线分别与轧制方向平行和垂直；
[0086]
s2
‑
2、对十字形标定试块施加平行于轧制方向上的应力σ1，在材料的屈服强度范围内，每间隔一定应力值对十字形标定试块进行测试，获得此时的超声波传播时间；
[0087]
所述超声波传播时间包括：偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时t
1t
、偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时t
2t
和偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时t
l
；
[0088]
s2
‑
3、上位机根据s2
‑
2获取的超声波传播时间依据下式计算获得横波声弹性特征量φ和横纵波声弹性特征量r：
[0089][0090]
s2
‑
4、通过线性拟合φ、r与σ1的关系，根据下式获得横波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
a1
和横纵波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数c
b1
：
[0091][0092]
s2
‑
5、对十字形标定试块施加垂直于轧制方向上的应力σ2，在材料的屈服强度范围内，每间隔一定应力值对十字形标定试块进行测试，获得此时的超声波传播时间；
[0093]
所述超声波传播时间包括：偏振方向沿x1轴、传播方向沿x3轴的横波声时t
1t
、偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时t
2t
和偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时t
l
；
[0094]
s2
‑
6、上位机根据s2
‑
5获取的超声波传播时间依据下式计算获得横波声弹性特征量φ和横纵波声弹性特征量r：
[0095][0096]
s2
‑
7、通过线性拟合φ、r与σ2的关系，根据下式获得横波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
a2
和横纵波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数c
b2
：
[0097][0098]
s2
‑
8、卸载施加在十字形标定试块上的应力，使十字形标定试块处于零应力状态，获取此时的超声波传播时间，根据此时的超声波传播时间计算获得φ和r：
[0099][0100]
此时，
[0101]
s2
‑
9、上位机将该材料的α、f(α)、c
a1
、c
b1
、c
a2
和c
b2
存入数据库中。
[0102]
本实施方式中，正交蝶形线圈(2)两组蝶形线圈的轴线分别与轧制方向平行和垂直能够激发出沿厚度方向传播、偏振方向分别与轧制方向垂直和平行的正交横波。
[0103]
本实施方式中，所述对十字形标定试块进行测试获得应力测试值过程中，为准确测量滞后体材料的应力和应变，每次测量前先在该应力值下保持5分钟。
[0104]
再进一步的，所述t
1t
、t
2t
和t
l
均为超声波在被测件的厚度路径上传播的时间差；
[0105]
所述被测件包括待测试件和十字形标定试块；
[0106]
所述传播的时间差是一次传播的时间差和多次往复传播的时间差中的一种。
[0107]
本实施方式中，t
1t
、t
2t
和t
l
依照《无损检测电磁超声脉冲回波式测厚方法》征求意见稿获取。
[0108]
本发明中，采用电磁超声横纵波换能器对金属材料表面进行应力测量的原理为：
[0109]
发射过程中，先在正交蝶形线圈(2)和螺旋线圈(3)中通以频率为兆赫兹级别的大功率电流。根据电磁场理论，该电流会在被测金属试件表面集肤深度内感生出与方向相反、频率相同的涡流。交变的涡流在永磁体(1)施加的静电场下会受到洛伦兹力作用，该力的方向可由左手定则判断。金属试件表面在洛伦兹力的作用下就会产生周期性的振动和弹性形变。当这种振动以波的形式在金属中传播时，就形成了超声波。接收过程是发射过程的逆过程。
[0110]
正交蝶形线圈(2)在轴线区域所有导线的电流流向均与轴线平行且方向相同，因此该部分电流在试件中感生出的涡流仅受到垂直于轴线的洛伦兹力，结合图1所示，所述正交蝶形线圈(2)沿厚度方向充磁，因此激发出传播方向沿厚度方向，偏振方向垂直于正交蝶形线圈(2)轴线的横波。该部分超声波的偏振方向最容易控制，因此仅使该部分位于磁场范围内，其余部分不用于激发超声波。
[0111]
结合图1所示，所述永磁体(1)沿厚度方向充磁,在磁铁正下方磁场方向可近似认
为垂直于待测试件表面，但在永磁体(1)斜下方，磁场与待测试件表面具有一定角度，该磁场具有水平分量，螺旋线圈(3)能有效利用分量，激发出传播方向和偏振方向均沿厚度方向的纵波。
[0112]
本发明中，超声波法测量应力是基于声弹性效应，通过应力对超声波波速的影响来测量应力。
[0113]
根据tokuoka和iwashimizu提出的声弹性理论，可以推导出各向同性材料中横、纵波声时与应力的关系，从而计算平面应力：
[0114][0115]
其中，φ表示横波声弹性特征量，r表示横纵波声弹性特征量，v
1t
表示偏振方向沿x1轴，传播方向沿x3轴的横波波速；v
2t
表示偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波波速；；v
l
表示偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声速；c
a
表示横波的声弹性系数，c
r
表示纵波的声弹性系数；σ1表示方向沿x1轴的应力；σ2表示方向沿x2轴的应力。
[0116]
根据声程公式d＝t*v可对方程进行变换，将关于横纵波速度的表达式转换为关于横纵波声时的表达式：
[0117][0118]
式中，t
1t
表示偏振方向沿x1轴，传播方向沿x3轴的横波声时；t
2t
表示偏振方向沿x2轴，传播方向沿x3轴的横波声时；t
l
表示偏振方向和传播方向均为沿x3轴的纵波声时。
[0119]
从上式中可以看出，应力的测量值与试件的厚度无关，而只与试件的声弹性系数有关。而通常情况下，相同材料的声弹性系数相同，因此，测量前只需标定材料的声弹性系数，即可测量未知厚度下，试件所收到的应力，这对服役过程中的产品是非常有用的。
[0120]
工业领域中，由于轧制的因素，还存在大量的正交各向异性材料。对于正交各向异性材料，平行于轧制方向和垂直于轧制方向的声弹性系数不同，因此，通过引入材料固有的各向异性系数α和与材料固有各向异性系数相关的常量f(α)，并在不同方向引入不同的声弹性系数，对应力测量方程进行修正。
[0121][0122]
式中，α表示材料固有的各向异性系数；f(α)表示与材料固有各向异性系数相关的
常量；c
a1
表示横波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数；c
b1
表示横纵波声弹性特征量对平行于轧制方向应力的声弹性系数；c
a2
表示横波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数；c
b2
表示横纵波声弹性特征量对垂直于轧制方向应力的声弹性系数。
[0123]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。