材料主应力的检测系统、检测传感器和检测方法与流程

本发明涉及测试领域，具体而言，涉及一种材料主应力的检测系统、检测传感器和检测方法。

背景技术：

在工业应用中，对应材料所受应力较为复杂，而材料局部任意具体点所受主应力具有方向性，目前，对于材料应力的测量，最为准确的是应变片法，但其测试时每次需使用粘结剂将应变片贴于被检材料表面，若使用多个应变片分别测量材料表面某点各方向应力以求取主应力，使用较为不便；X射线衍射法基于弹性力学和晶格衍射理论，能较准确的测量应力，但X射线辐射对身体有害，设备体积庞大，对于现场应用较为不便，对主应力的测量，还未给出较明确测量结果。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种材料主应力的检测系统、检测传感器和检测方法，以至少解决无法测量材料主应力大小和应力方向分布的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种材料主应力的检测方法。该方法包括：向被测部件施加外部磁场，其中，施加所述外部磁场的所述被测部件的材料表面产生激励磁场，所述激励磁场具有励磁方向；逐步调整向所述被测部件施加的所述外部磁场，以使所述激励磁场的所述励磁方向沿一个方向按照预设角度逐步旋转；采集所述被测部件的材料在每个励磁方向上所述激励磁场的激励下所产生的感生信号；根据每个励磁方向上的所述感生信号生成所述被测部件的材料主应力方向和大小。

可选地，逐步调整向所述被测部件施加的所述外部磁场，以使所述激励磁场的所述励磁方向沿一个方向按照预设角度逐步旋转包括：逐步调整向所述被测部件施加的所述外部磁场，所述激励磁场的所述励磁方向沿一个方向按照预设角度由0°旋转至360°，其中，每个角度的激励磁场产生一个或者多个感生信号。

可选地，根据每个励磁方向上的所述感生信号生成所述被测部件的材料主应力方 向和大小包括：获取不同角度感生信号与加载应力的规律曲线，其中，所述规律曲线根据预先确定的应力方向与预先确定的感生信号的变化规律确定；根据所述规律曲线确定所述感生信号对应的主应力方向和大小。

根据本发明实施例的又一个方面，还提供了一种材料主应力的检测系统，包括：材料主应力传感器，设置在被测部件上，用于向所述被测部件施加外部磁场，并检测所述被测部件产生的感生信号；函数发生器，通过功率放大器与所述材料主应力传感器相连接，用于向所述材料主应力传感器发出信号，其中，所述信号用于激励所述材料主应力传感器产生外部磁场；电机驱动器，与所述材料主应力传感器相连接，用于驱动所述材料主应力传感器沿一个方向按照预设角度旋转；前置放大器，与所述材料主应力传感器相连接，用于对接收到的所述感生信号进行放大；滤波器，与所述前置放大器相连接，用于对放大后的所述感生信号进行滤波；信号采集卡，与所述滤波器相连接，用于采集所述滤波器滤波后的信号；处理器，与所述信号采集卡相连接，用于接收所述信号采集卡采集到的所述感生信号，并根据所述感生信号生成所述被测部件的材料主应力方向和大小。

可选地，所述材料主应力传感器包括：磁轭，被放置在所述被测部件上；激励线圈，缠绕于所述磁轭上；信号接收器，位于所述磁轭下方，与所述磁轭相连接，用于接收所述被测部件产生的所述感生信号；带编码器电机，设置在所述磁轭的上方，用于带动所述磁轭和所述信号接收器沿Z轴转动。

可选地，所述功率放大器连接在所述激励线圈和所述函数发生器之间，用于放大所述函数发生器产生的信号。

可选地，所述电机驱动器，输出端与所述带编码器电机相连接，输入端与所述处理器相连接，用于驱动所述带编码器电机旋转所述预设角度。

可选地，所述带编码器电机包括旋转编码器和电机，所述系统还包括：旋转编码器配套电路，连接所述旋转编码器和所述处理器，用于向所述处理器发送所述电机的旋转角度信息，其中，所述处理器根据所述旋转角度信息控制所述函数发生器生成控制信号。

可选地，所述感生信号为巴克豪森信号，所述信号接收器为巴克豪森信号接收器。

可选地，所述系统还包括：位移编码器，与所述带编码器电机的转动轴相连，用于测量所述材料主应力传感器的转动角度；滚轮，设置在所述材料主应力传感器与所述被测部件之间，用于使所述材料主应力传感器在被测部件表面移动。

可选地，所述感生信号包括以下至少之一：电信号、磁信号、声信号。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种材料主应力的检测传感器，包括：上述的材料主应力传感器。

在本发明实施例中，材料主应力传感器，设置在被测部件上，用于向被测部件施加外部磁场，并检测被测部件产生的感生信号；函数发生器，通过功率放大器与材料主应力传感器相连接，用于向材料主应力传感器发出信号，其中，信号用于激励材料主应力传感器产生外部磁场；电机驱动器，与材料主应力传感器相连接，用于驱动材料主应力传感器沿一个方向按照预设角度旋转；前置放大器，与材料主应力传感器相连接，用于对接收到的感生信号进行放大；滤波器，与前置放大器相连接，用于对放大后的感生信号进行滤波；信号采集卡，与滤波器相连接，用于采集滤波器滤波后的信号；处理器，与信号采集卡相连接，用于接收信号采集卡采集到的感生信号，并根据所述感生信号生成所述被测部件的材料主应力方向和大小，通过本实施例获取被测部件的材料主应力方向和大小，不会破坏材料本身，也不会对测试人员身体造成伤害，还能得到准确的测量结果，进而解决了无法测量材料主应力大小和应力方向分布的技术问题，达到了灵活测量材料应力的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的材料主应力的检测方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的励磁方向的示意图；

图3是根据本发明实施例的材料主应力的检测系统的示意图；

图4是根据本发明实施例的被测部件的材料应力方向分布图；

图5是根据本发明实施例的材料主应力传感器的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，还提供了一种材料主应力的检测方法的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的材料主应力的检测方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S502，向被测部件施加外部磁场，其中，施加外部磁场的被测部件的材料表面产生激励磁场，激励磁场具有励磁方向。

当上述的材料主应力传感器向被测部件施加磁场后，产生图2所示的励磁方向以及感生信号。

步骤S504，逐步调整向被测部件施加的外部磁场，以使激励磁场的励磁方向沿一个方向按照预设角度逐步旋转。

按照图2所示的转动方向调整励磁方向，每个励磁方向具有一个感生信号。调整励磁方向时也可以按照与图2所示的转动方向相反的方向进行调整，即可以按照顺时针方向调整励磁方向，还可以按照逆时针方向调整励磁方向。需要说明的是，在0°到360°的旋转方向上，需要按照一个固定方向旋转，材料在每个励磁方向的激励磁场的作用下产生一个或多个感生信号。

步骤S506，采集被测部件的材料在每个励磁方向上激励磁场的激励下所产生的感生信号。

步骤S508，根据每个励磁方向上的感生信号生成被测部件的材料主应力方向和大小。

根据每个励磁方向上的感生信号生成每个方向上的应力大小，从中确定出主应力方向和大小。

在铁磁性中，在外部磁场作用下，磁畴将发生转动和磁畴壁移动，而磁畴的转动以及畴壁的移动受应力、材料组分等因素的影响，在这些因素影响下，对于不同励磁的方向，磁畴跳动和畴壁移动将不同，因此对于此过程中所释放的某些磁信号(例如，巴克豪森信号、磁声发射信号)也将不同。在本申请中，对于某检测区，首先采用单一或组合励磁方法，获取被检测材料在此激励下的某个或多个感生信号，其次，逐步调整磁场来转动励磁方向并获取每个励磁方向上的感生信号，完成检测区0～360°的感生信号的获取，最后根据所有的感生信号，得出材料主应力方向和大小，不同感生信号反应主应力方向具体方法不同，如采用巴克豪森测量时，根据所得各角度信号均方根或平均值等特征值的分布情况，在主应力方向，均方根或平均值等特征值的信号幅值最大。

这种获取被测部件的材料主应力方向和大小的方法，不会破坏材料本身，也不会对测试人员身体造成伤害，还能得到准确的测量结果，进而解决了无法测量材料主应力大小和应力方向分布的技术问题，达到了灵活测量材料应力的效果。

可选地，根据每个励磁方向上的感生信号生成被测部件的材料主应力方向和大小包括：获取不同角度感生信号与加载应力的规律曲线，其中，规律曲线根据预先确定的应力方向与预先确定的感生信号的变化规律确定；根据规律曲线确定感生信号对应的主应力方向和大小。

首先通过应力加载，测量加载方向应力与感生信号曲线，建立感生信号与主应力关系以标定感生信号随应力的变化规律，再次主动加载已知大小和方向的应力获取感生信号，建立不同角度感生信号特征值(如幅值、相位、均方根、平均值等)与所述加载应力的规律曲线，得到规律曲线。对未知被测部件进行测量时根据上述规律曲线变化规律，根据检测到的所述被测部件的感生信号获取主应力大小和方向。如所述信号为巴克豪森信号时，所示变化规律在主应力方向的巴克豪森信号均方根或平均值幅值最大，测量时在测得0°～360°的巴克豪森信号均方根或平均值幅值值最大处即为主应力方向。

本发明实施例还提供了一种材料主应力的检测系统。

本实施例通过一种材料主应力的检测系统来得到材料主应力方向和大小。图3是根据本发明实施例的材料主应力的检测系统的示意图。如图3所示，该材料主应力的检测系统包括：材料主应力传感器10、函数发生器20、电机驱动器42和处理器40。

材料主应力传感器10设置在被测部件上，用于向被测部件施加外部磁场，并检测被测部件产生的感生信号；

函数发生器20通过功率放大器与所述材料主应力传感器相连接，用于向所述材料主应力传感器发出信号，其中，所述信号用于激励所述材料主应力传感器产生外部磁场；

电机驱动器42与材料主应力传感器相连接，用于驱动材料主应力传感器沿一个方向按照预设角度旋转；

前置放大器46与材料主应力传感器相连接，用于对接收到的感生信号进行放大；

滤波器38，与前置放大器相连接，用于对放大后的感生信号进行滤波；

信号采集卡44与滤波器38相连接，用于采集滤波器滤波后的信号；

处理器40，与信号采集卡44相连接，用于接收信号采集卡采集到的感生信号，并根据感生信号生成被测部件的材料主应力方向和大小。

在本实施例中，材料主应力传感器10被设置在被测部件上，函数发生器20经由功率放大器放大后控制材料主应力传感器10向被测部件施加外部磁场，被测部件的材料在外部磁场的作用下产生感生信号，该感生信号被材料主应力传感器10检测到并发送给处理器40。在感生信号被材料主应力传感器10检测并发送给处理器40的过程中，由于传感器接收信号很微弱，比如2mv，此时接收信号放大器(也称前置放大器)将此0.2V信号放大到2V，再经过滤波器滤掉杂波，之后2V的信号经过数据采集卡采集，给计算机(即处理器40)。由于函数发生器20只产生很微弱的小信号(比如正弦信号5V)，产生信号太小不能激励传感器工作，故需功率放大器放大后激励传感器(比如正弦信号5V放大到100V)进行工作。

由于被测部件的材料在外部磁场的作用下回产生激励磁场，该激励磁场具有励磁方向，电机驱动器42控制材料主应力传感器10沿着一个方向旋转一定的角度，改变励磁方向，并再次采集当前励磁方向下的感生信号。电机驱动器42控制材料主应力传感器10由0°旋转至360°，得到每个角度下的感生信号，处理器40根据每个角度下的感生信号生成主应力的方向和大小，还可以生成图4所示的被测部件的材料应力方向分布图，从图4可以确定出主应力方向。

通过本实施例获取被测部件的材料主应力方向和大小，不会破坏材料本身，也不会对测试人员身体造成伤害，还能得到准确的测量结果，进而解决了无法测量材料主应力大小和应力方向分布的技术问题，达到了灵活测量材料应力的效果。

需要说明的是，每个励磁方向下的被测部件的材料所产生的感生信号可以是一个或者多个。

图5是根据本发明实施例的材料主应力传感器的示意图。如图5所示，该材料主应力传感器包括：磁轭30，被放置在被测部件100上；激励线圈32，缠绕于磁轭30上；信号接收器34，位于磁轭30下方，与磁轭30相连接，用于接收被测部件100产生的感生信号；带编码器电机36，设置在磁轭30的上方，用于带动磁轭30和信号接收器34沿Z轴转动。

如图5所示，带编码器电机36、磁轭30和信号接收器34可以通过沿Z轴方向的轴连接为一个整体，带编码器电机36带动磁轭和信号接收器34沿Z轴旋转，随着磁轭30和磁轭30上缠绕的激励线圈32的旋转，励磁方向随着旋转，信号接收器34采集每个励磁方向下的感生信号，生成图4所示的应力方向和大小的分布图。图5所示的材料主应力传感器可以直接放置在被测部件的表面，信号接收器34可以直接与被测部件的表面接触，也可以稍离开被测部件的表面。

如图4所示，功率放大器41，连接在激励线圈32和函数发生器20之间，用于放大函数发生器产生的信号。

可选地，如图3所示，电机驱动器42，输出端与电机362相连接，输入端与处理器40相连接，用于驱动电机362旋转预设角度。

可选地，带编码器电机36包括旋转编码器361和电机362，系统还包括：旋转编码器配套电路48，连接旋转编码器361和处理器40，用于向处理器40发送电机362的旋转角度信息，其中，处理器40根据旋转角度信息控制函数发生器20生成控制信号。

需要说明的是，本申请实施例中的感生信号类型可为电、磁、声等的一种或多种，选用不同类型的接收器可接收不同类型的感生信号，如感生的巴克豪森信号为电磁波信号、感生的磁声发射信号为应力波信号等。在感生信号为巴克豪森信号时，信号接收器可以相应的为巴克豪森信号接收器。

可选地，系统还包括：位移编码器，与带编码器电机的转动轴相连，用于测量材料主应力传感器的转动角度；滚轮，设置在材料主应力传感器与被测部件之间，用于使材料主应力传感器在被测部件表面移动。滚轮安装在材料主应力传感器上，便于材料主应力传感器在被测部件表面随电机旋转。

根据本发明实施例，还提供了一种材料主应力的检测传感器。该材料主应力的检测传感器可以上述图3所示的材料主应力传感器，结构在前文已描述，此处不再赘述。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。