基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统的制作方法

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统。

背景技术：

金属部件受到应力因素影响会产生缺陷甚至断裂，造成严重后果。因此研究和检测金属材料中的应力对生产和科学试验都有非常重要的意义。超声法由于其诸多优点被认为是应力检测中最具前景的方法之一，但是使用产生法必须事先获得被测材料的生弹性系数。现有方法均是在实验室对标准试件使用材料试验机进行拉伸以获得该种材料的声弹性系数，但是被测工件的工作环境与实验室环境的差异，会使材料实际声弹性系数与实验室数据存在差异，导致应力检测结果产生误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统，该系统能够实时测量工件声弹性系数并进行应力检测，能消除环境因素对声弹性系数造成的误差。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统，其特征在于该系统包括单片机、脉冲信号发生器、超声发射头、超声接收头、示波器、可调稳压电源、储能电容、可控硅和四个加载头，所述脉冲信号发生器的输出端与超声发射头连接，超声发射头向待测试件发出超声波，超声波经待测试件传播至超声接收头，超声接收头连接示波器；所述单片机分别与脉冲信号发生器和可控硅的控制端口连接；所述可调稳压电源的输出端依次与储能电容、可控硅和四个加载头连接；所述四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；每个加载头均包括激励线圈和永磁体，所述激励线圈与可控硅的输出端连接，在激励线圈上部的左半边区域和/或右半边区域固定一个永磁体。

与现有技术相比，本发明测量系统的有益效果是：

1.本发明采用电磁感应原理，不从外部对工件施力，而是使工件从内部受力，使得试件内应力分布更加均匀；

2.机械拉伸机中使用夹头固定工件，夹头的压力和其上的防滑纹会对工件表面造成损伤。本发明加载头不与工件直接接触，而是通过磁场作用于工件，避免了对工件试件表面的损伤；

3.本发明能够实现对金属板材声弹性系数的现场测量，不需要再将材料送至实验室测量，既节约工作时间，又可以避免实验室环境与工作环境不同对声弹性系数测量造成的误差。本发明系统的拉伸设备体积小，便于携带，能够带到户外操作，现场测得声弹性系数，减少误差。

附图说明

图1是本发明基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统的结构框图；

图2是本发明基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统的加载头安装在金属板上的结构示意图；

图3是本发明基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统的加载头主视结构示意图；

图4是本发明基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统的加载头主视剖面示意图；

图5是实施例2的加载头安装在金属板上的结构示意图；

图6是实施例3的加载头安装在金属板上的结构示意图；

图中，1.单片机，2.脉冲信号发生器，3.超声发射头，4.待测试件，5.超声接收头，6.示波器，7.可调稳压电源，8.储能电容，9.可控硅，10.加载头，10-1.永磁体，10-2激励线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统(简称系统，参见图1-3)包括单片机1、脉冲信号发生器2、超声发射头3、超声接收头5、示波器6、可调稳压电源7、储能电容8、可控硅9和四个加载头10，所述脉冲信号发生器2的输出端与超声发射头3连接，超声发射头3向待测试件发出超声波，超声波经待测试件4传播至超声接收头5，超声接收头5连接示波器6，示波器6用来显示和输出超声波形；所述单片机1分别与脉冲信号发生器2和可控硅9的控制端口连接；所述可调稳压电源7的输出端依次与储能电容8、可控硅9和四个加载头连接；四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；每个加载头均包括两个永磁体10-1和一个激励线圈10-2，所述激励线圈10-2与可控硅的输出端连接；永磁体10-1采用钕铁硼n52强磁材料，形状为u型，采用u型将线圈整个包裹住，可以为线圈提供更强的磁场；同一加载头上的两个永磁体10-1极性相反，互相吸合形成e形结构；激励线圈10-2采用空心长方形骨架，导线采用直径为0.5-2mm的漆包铜导线，缠绕匝数为150-300匝；将激励线圈10-2嵌入永磁体10-1形成的e形结构的空隙中，组合成加载头；

上述脉冲信号发生器2、超声发射头3、超声接收头5及示波器6构成超声检测机构，可调稳压电源7、储能电容8、可控硅9和四个加载头10构成电磁加载机构；超声检测机构和电磁加载机构均由单片机协调控制。

本发明的进一步特征在于所述激励线圈10-2的导线采用直径1mm铜漆包导线，共绕制200匝。激励线圈10-2采用长方形骨架是为了使施力的线圈边与工件垂直，所产生的电磁力在工件中分布更均匀，比使用圆形线圈得到的加载效果好。直径1mm导线属于直径比较大的导线，为的是能够承受加载时的大电流不至于烧断。线圈匝数比较大，为的是保证试件中激发出涡流的电流密度足够大，以产生足够大的电磁力。

可调稳压电源7与储能电容8相连为其充电。单片机1向可控硅9发出触发信号使放电回路(放电回路由储能电容8、可控硅9、激励线圈10-2构成)导通，放电电流通过激励线圈10-2作用于待测试件4感应产生涡流，感应涡流在永磁体10-1的静磁场作用下受到洛仑兹力作用，形成加载效果。

本发明使用时不用将待测件从设备上卸下，将加载头对称放置在待测件两侧可进行现场检测。待测试件需要是导电金属件，能够导电才能够在其中产生涡流。

所述的超声发射头3和超声接收头5均采用可变角度压电头，通过改变头角度产生临界折射纵波，纵波是对应力最敏感的波形。

在电磁加载过程中，电磁力的变化是从0增大到最大值然后减小至0，在进行声弹性系数检测时，需要在电磁力处于最大值的同时进行超声检测，通过单片机来实现超声检测机构和电磁加载机构的协调控制，能进行精确的时间控制，在电磁加载机构产生的电磁力达到最大值的瞬间触发超声检测机构进行超声波速度的测量。

本发明测量系统的工作过程：电磁加载机构由储能电容向激励线圈脉冲放电，金属板在激励线圈作用下感生涡流，涡流在永磁体静磁场的作用下受到洛伦兹力作用，实现对金属板的电磁加载。使用单片机对超声检测机构和电磁加载机构进行协调控制，在电磁力达到最大值时进行超声测速。通过金属板所受应力与超声波声速的变化量，即可计算获得待测试件的声弹性系数。

具体过程是：储能电容充电完毕后，启动单片机，单片机发出第一个脉冲信号，触发可控硅导通，使储能电容放电，放电回路导通，激励线圈中流过脉冲电流，待测试件中电磁力随感应电流变化，由零增加到最大值再减小至零，待测试件受到电磁加载；在单片机发出第一个脉冲信号的同时单片机开始倒计时，倒计时的长度是计算得到的电磁拉力到达最大值的时间；当倒计时结束时，待测试件中的电磁拉力达到最大值，单片机发出触发信号，触发超声检测机构工作，发出超声波，根据所接收超声信号计算出超声波声速；根据所施加电磁力的大小，以及超声波声速相应的改变量，即可实时计算出该材料的声弹性系数。

本发明测量系统可实时测量金属材料的声弹性系数，消除环境因素对声弹性系数造成的误差。利用电磁加载机构的轻便性，实现了声弹性系数的现场测量，克服了传统方法中声弹性系数的测量只能在实验室进行的缺点。

实施例1

本实施例基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统包括单片机1、脉冲信号发生器2、超声发射头3、超声接收头5、示波器6、可调稳压电源7、储能电容8、可控硅9和四个加载头10，所述脉冲信号发生器2的输出端与超声发射头3连接，超声发射头3向待测试件发出超声波，超声波经待测试件4传播至超声接收头5，超声接收头5连接示波器6；所述单片机1分别与脉冲信号发生器2和可控硅9的控制端口连接；所述可调稳压电源7的输出端依次与储能电容8、可控硅9和四个加载头连接；四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；每个加载头均包括两个永磁体10-1和一个激励线圈10-2，所述激励线圈10-2与可控硅的输出端连接；永磁体10-1形状为u型，采用u型将激励线圈整个包裹住，同一加载头上的两个永磁体10-1极性相反，互相吸合形成e形结构；激励线圈10-2采用空心长方形骨架，将激励线圈10-2嵌入永磁体10-1形成的e形结构的空隙中，组合成加载头；

上述脉冲信号发生器2、超声发射头3、超声接收头5及示波器6构成超声检测机构，可调稳压电源7、储能电容8、可控硅9和四个加载头10构成电磁加载机构；超声检测机构和电磁加载机构均由单片机协调控制。

本实施例中所述激励线圈上的导线采用直径为1.0mm漆包铜导线，缠绕匝数为200匝，所述永磁体采用钕铁硼n52强磁材料。可调稳压电源的电压输出范围为0～800v可调；储能电容的最高耐压值为1200v，容量为3500uf；可控硅最高耐受电压为1400v，工作电流为800a。

本实施例待测试件4为纯铝试件，对该纯铝试件分别在不进行电磁加载和进行电磁加载时进行超声测速，根据声速的变化与所施加电磁力的关系，计算得到纯铝试件在实际使用情况下的声弹性系数为1.0880×10^-5。已知纯铝板的声弹性系数的理论数据为1.0840×10^-5。

本实施例的测量结果与理论数据相吻合，验证了本发明测量系统的数据准确性及实用性。

实施例2

本实施例基于电磁加载的金属板声弹性系数在线测量系统，其特征在于该系统包括单片机、脉冲信号发生器、超声发射头、超声接收头、示波器、可调稳压电源、储能电容、可控硅和四个加载头，所述脉冲信号发生器的输出端与超声发射头连接，超声发射头向待测试件发出超声波，超声波经待测试件传播至超声接收头，超声接收头连接示波器；所述单片机分别与脉冲信号发生器和可控硅的控制端口连接；所述可调稳压电源的输出端依次与储能电容、可控硅和四个加载头连接；所述四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；每个加载头均包括激励线圈和永磁体，所述激励线圈与可控硅的输出端连接，在激励线圈上部的右半边区域固定一个永磁体。本实施例中永磁体的形状为长方形(参见图5)。所述激励线圈的导线采用直径为0.8mm的漆包铜导线，缠绕匝数为250匝。

实施例3

本实施例测量系统各部分结构同实施例2，不同之处在于本实施例中永磁体的形状为u型(参见图6)。所述激励线圈的导线采用直径为1.2mm的漆包铜导线，缠绕匝数为180匝。

本发明未述及之处适用于现有技术。