本發(fā)明屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

金屬部件受到應(yīng)力因素影響會(huì)產(chǎn)生缺陷甚至斷裂，造成嚴(yán)重后果。因此研究和檢測(cè)金屬材料中的應(yīng)力對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)都有非常重要的意義。超聲法由于其諸多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是應(yīng)力檢測(cè)中最具前景的方法之一，但是使用產(chǎn)生法必須事先獲得被測(cè)材料的生彈性系數(shù)。現(xiàn)有方法均是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件使用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸以獲得該種材料的聲彈性系數(shù)，但是被測(cè)工件的工作環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的差異，會(huì)使材料實(shí)際聲彈性系數(shù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)存在差異，導(dǎo)致應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量工件聲彈性系數(shù)并進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，能消除環(huán)境因素對(duì)聲彈性系數(shù)造成的誤差。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提供一種基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括單片機(jī)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、超聲發(fā)射頭、超聲接收頭、示波器、可調(diào)穩(wěn)壓電源、儲(chǔ)能電容、可控硅和四個(gè)加載頭，所述脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出端與超聲發(fā)射頭連接，超聲發(fā)射頭向待測(cè)試件發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)待測(cè)試件傳播至超聲接收頭，超聲接收頭連接示波器；所述單片機(jī)分別與脈沖信號(hào)發(fā)生器和可控硅的控制端口連接；所述可調(diào)穩(wěn)壓電源的輸出端依次與儲(chǔ)能電容、可控硅和四個(gè)加載頭連接；所述四個(gè)加載頭結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)加載頭為一組，每組呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置在待加載的金屬板的上下表面；每個(gè)加載頭均包括激勵(lì)線圈和永磁體，所述激勵(lì)線圈與可控硅的輸出端連接，在激勵(lì)線圈上部的左半邊區(qū)域和/或右半邊區(qū)域固定一個(gè)永磁體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的有益效果是：

1.本發(fā)明采用電磁感應(yīng)原理，不從外部對(duì)工件施力，而是使工件從內(nèi)部受力，使得試件內(nèi)應(yīng)力分布更加均勻；

2.機(jī)械拉伸機(jī)中使用夾頭固定工件，夾頭的壓力和其上的防滑紋會(huì)對(duì)工件表面造成損傷。本發(fā)明加載頭不與工件直接接觸，而是通過磁場(chǎng)作用于工件，避免了對(duì)工件試件表面的損傷；

3.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬板材聲彈性系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不需要再將材料送至實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，既節(jié)約工作時(shí)間，又可以避免實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與工作環(huán)境不同對(duì)聲彈性系數(shù)測(cè)量造成的誤差。本發(fā)明系統(tǒng)的拉伸設(shè)備體積小，便于攜帶，能夠帶到戶外操作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得聲彈性系數(shù)，減少誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)的加載頭安裝在金屬板上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)的加載頭主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)的加載頭主視剖面示意圖；

圖5是實(shí)施例2的加載頭安裝在金屬板上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是實(shí)施例3的加載頭安裝在金屬板上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1.單片機(jī)，2.脈沖信號(hào)發(fā)生器，3.超聲發(fā)射頭，4.待測(cè)試件，5.超聲接收頭，6.示波器，7.可調(diào)穩(wěn)壓電源，8.儲(chǔ)能電容，9.可控硅，10.加載頭，10-1.永磁體，10-2激勵(lì)線圈。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但并不以此作為對(duì)本申請(qǐng)權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。

本發(fā)明基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)，參見圖1-3)包括單片機(jī)1、脈沖信號(hào)發(fā)生器2、超聲發(fā)射頭3、超聲接收頭5、示波器6、可調(diào)穩(wěn)壓電源7、儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭10，所述脈沖信號(hào)發(fā)生器2的輸出端與超聲發(fā)射頭3連接，超聲發(fā)射頭3向待測(cè)試件發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)待測(cè)試件4傳播至超聲接收頭5，超聲接收頭5連接示波器6，示波器6用來顯示和輸出超聲波形；所述單片機(jī)1分別與脈沖信號(hào)發(fā)生器2和可控硅9的控制端口連接；所述可調(diào)穩(wěn)壓電源7的輸出端依次與儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭連接；四個(gè)加載頭結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)加載頭為一組，每組呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置在待加載的金屬板的上下表面；每個(gè)加載頭均包括兩個(gè)永磁體10-1和一個(gè)激勵(lì)線圈10-2，所述激勵(lì)線圈10-2與可控硅的輸出端連接；永磁體10-1采用釹鐵硼n52強(qiáng)磁材料，形狀為u型，采用u型將線圈整個(gè)包裹住，可以為線圈提供更強(qiáng)的磁場(chǎng)；同一加載頭上的兩個(gè)永磁體10-1極性相反，互相吸合形成e形結(jié)構(gòu)；激勵(lì)線圈10-2采用空心長(zhǎng)方形骨架，導(dǎo)線采用直徑為0.5-2mm的漆包銅導(dǎo)線，纏繞匝數(shù)為150-300匝；將激勵(lì)線圈10-2嵌入永磁體10-1形成的e形結(jié)構(gòu)的空隙中，組合成加載頭；

上述脈沖信號(hào)發(fā)生器2、超聲發(fā)射頭3、超聲接收頭5及示波器6構(gòu)成超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)，可調(diào)穩(wěn)壓電源7、儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭10構(gòu)成電磁加載機(jī)構(gòu)；超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)和電磁加載機(jī)構(gòu)均由單片機(jī)協(xié)調(diào)控制。

本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述激勵(lì)線圈10-2的導(dǎo)線采用直徑1mm銅漆包導(dǎo)線，共繞制200匝。激勵(lì)線圈10-2采用長(zhǎng)方形骨架是為了使施力的線圈邊與工件垂直，所產(chǎn)生的電磁力在工件中分布更均勻，比使用圓形線圈得到的加載效果好。直徑1mm導(dǎo)線屬于直徑比較大的導(dǎo)線，為的是能夠承受加載時(shí)的大電流不至于燒斷。線圈匝數(shù)比較大，為的是保證試件中激發(fā)出渦流的電流密度足夠大，以產(chǎn)生足夠大的電磁力。

可調(diào)穩(wěn)壓電源7與儲(chǔ)能電容8相連為其充電。單片機(jī)1向可控硅9發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使放電回路(放電回路由儲(chǔ)能電容8、可控硅9、激勵(lì)線圈10-2構(gòu)成)導(dǎo)通，放電電流通過激勵(lì)線圈10-2作用于待測(cè)試件4感應(yīng)產(chǎn)生渦流，感應(yīng)渦流在永磁體10-1的靜磁場(chǎng)作用下受到洛侖茲力作用，形成加載效果。

本發(fā)明使用時(shí)不用將待測(cè)件從設(shè)備上卸下，將加載頭對(duì)稱放置在待測(cè)件兩側(cè)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。待測(cè)試件需要是導(dǎo)電金屬件，能夠?qū)щ姴拍軌蛟谄渲挟a(chǎn)生渦流。

所述的超聲發(fā)射頭3和超聲接收頭5均采用可變角度壓電頭，通過改變頭角度產(chǎn)生臨界折射縱波，縱波是對(duì)應(yīng)力最敏感的波形。

在電磁加載過程中，電磁力的變化是從0增大到最大值然后減小至0，在進(jìn)行聲彈性系數(shù)檢測(cè)時(shí)，需要在電磁力處于最大值的同時(shí)進(jìn)行超聲檢測(cè)，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)和電磁加載機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，能進(jìn)行精確的時(shí)間控制，在電磁加載機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的電磁力達(dá)到最大值的瞬間觸發(fā)超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行超聲波速度的測(cè)量。

本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的工作過程：電磁加載機(jī)構(gòu)由儲(chǔ)能電容向激勵(lì)線圈脈沖放電，金屬板在激勵(lì)線圈作用下感生渦流，渦流在永磁體靜磁場(chǎng)的作用下受到洛倫茲力作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板的電磁加載。使用單片機(jī)對(duì)超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)和電磁加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在電磁力達(dá)到最大值時(shí)進(jìn)行超聲測(cè)速。通過金屬板所受應(yīng)力與超聲波聲速的變化量，即可計(jì)算獲得待測(cè)試件的聲彈性系數(shù)。

具體過程是：儲(chǔ)能電容充電完畢后，啟動(dòng)單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出第一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，使儲(chǔ)能電容放電，放電回路導(dǎo)通，激勵(lì)線圈中流過脈沖電流，待測(cè)試件中電磁力隨感應(yīng)電流變化，由零增加到最大值再減小至零，待測(cè)試件受到電磁加載；在單片機(jī)發(fā)出第一個(gè)脈沖信號(hào)的同時(shí)單片機(jī)開始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)的長(zhǎng)度是計(jì)算得到的電磁拉力到達(dá)最大值的時(shí)間；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，待測(cè)試件中的電磁拉力達(dá)到最大值，單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)工作，發(fā)出超聲波，根據(jù)所接收超聲信號(hào)計(jì)算出超聲波聲速；根據(jù)所施加電磁力的大小，以及超聲波聲速相應(yīng)的改變量，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出該材料的聲彈性系數(shù)。

本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測(cè)量金屬材料的聲彈性系數(shù)，消除環(huán)境因素對(duì)聲彈性系數(shù)造成的誤差。利用電磁加載機(jī)構(gòu)的輕便性，實(shí)現(xiàn)了聲彈性系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，克服了傳統(tǒng)方法中聲彈性系數(shù)的測(cè)量只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的缺點(diǎn)。

實(shí)施例1

本實(shí)施例基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)包括單片機(jī)1、脈沖信號(hào)發(fā)生器2、超聲發(fā)射頭3、超聲接收頭5、示波器6、可調(diào)穩(wěn)壓電源7、儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭10，所述脈沖信號(hào)發(fā)生器2的輸出端與超聲發(fā)射頭3連接，超聲發(fā)射頭3向待測(cè)試件發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)待測(cè)試件4傳播至超聲接收頭5，超聲接收頭5連接示波器6；所述單片機(jī)1分別與脈沖信號(hào)發(fā)生器2和可控硅9的控制端口連接；所述可調(diào)穩(wěn)壓電源7的輸出端依次與儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭連接；四個(gè)加載頭結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)加載頭為一組，每組呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置在待加載的金屬板的上下表面；每個(gè)加載頭均包括兩個(gè)永磁體10-1和一個(gè)激勵(lì)線圈10-2，所述激勵(lì)線圈10-2與可控硅的輸出端連接；永磁體10-1形狀為u型，采用u型將激勵(lì)線圈整個(gè)包裹住，同一加載頭上的兩個(gè)永磁體10-1極性相反，互相吸合形成e形結(jié)構(gòu)；激勵(lì)線圈10-2采用空心長(zhǎng)方形骨架，將激勵(lì)線圈10-2嵌入永磁體10-1形成的e形結(jié)構(gòu)的空隙中，組合成加載頭；

上述脈沖信號(hào)發(fā)生器2、超聲發(fā)射頭3、超聲接收頭5及示波器6構(gòu)成超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)，可調(diào)穩(wěn)壓電源7、儲(chǔ)能電容8、可控硅9和四個(gè)加載頭10構(gòu)成電磁加載機(jī)構(gòu)；超聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)和電磁加載機(jī)構(gòu)均由單片機(jī)協(xié)調(diào)控制。

本實(shí)施例中所述激勵(lì)線圈上的導(dǎo)線采用直徑為1.0mm漆包銅導(dǎo)線，纏繞匝數(shù)為200匝，所述永磁體采用釹鐵硼n52強(qiáng)磁材料?？烧{(diào)穩(wěn)壓電源的電壓輸出范圍為0～800v可調(diào)；儲(chǔ)能電容的最高耐壓值為1200v，容量為3500uf；可控硅最高耐受電壓為1400v，工作電流為800a。

本實(shí)施例待測(cè)試件4為純鋁試件，對(duì)該純鋁試件分別在不進(jìn)行電磁加載和進(jìn)行電磁加載時(shí)進(jìn)行超聲測(cè)速，根據(jù)聲速的變化與所施加電磁力的關(guān)系，計(jì)算得到純鋁試件在實(shí)際使用情況下的聲彈性系數(shù)為1.0880×10^-5。已知純鋁板的聲彈性系數(shù)的理論數(shù)據(jù)為1.0840×10^-5。

本實(shí)施例的測(cè)量結(jié)果與理論數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例基于電磁加載的金屬板聲彈性系數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括單片機(jī)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、超聲發(fā)射頭、超聲接收頭、示波器、可調(diào)穩(wěn)壓電源、儲(chǔ)能電容、可控硅和四個(gè)加載頭，所述脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出端與超聲發(fā)射頭連接，超聲發(fā)射頭向待測(cè)試件發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)待測(cè)試件傳播至超聲接收頭，超聲接收頭連接示波器；所述單片機(jī)分別與脈沖信號(hào)發(fā)生器和可控硅的控制端口連接；所述可調(diào)穩(wěn)壓電源的輸出端依次與儲(chǔ)能電容、可控硅和四個(gè)加載頭連接；所述四個(gè)加載頭結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)加載頭為一組，每組呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置在待加載的金屬板的上下表面；每個(gè)加載頭均包括激勵(lì)線圈和永磁體，所述激勵(lì)線圈與可控硅的輸出端連接，在激勵(lì)線圈上部的右半邊區(qū)域固定一個(gè)永磁體。本實(shí)施例中永磁體的形狀為長(zhǎng)方形(參見圖5)。所述激勵(lì)線圈的導(dǎo)線采用直徑為0.8mm的漆包銅導(dǎo)線，纏繞匝數(shù)為250匝。

實(shí)施例3

本實(shí)施例測(cè)量系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2，不同之處在于本實(shí)施例中永磁體的形狀為u型(參見圖6)。所述激勵(lì)線圈的導(dǎo)線采用直徑為1.2mm的漆包銅導(dǎo)線，纏繞匝數(shù)為180匝。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。