基于瑞利波偏振极化的电磁超声残余应力和应变检测方法

摘要

基于瑞利波偏振极化的电磁超声残余应力和应变检测方法，该方法首先用脉冲电流源和电磁超声表面波探头在存在已知不同大小应力和应变的导体试件表面激发出瑞利波；再在瑞利波传播方向上的某一点分别用经过专门设计的在平面电磁超声探头和出平面电磁超声探头检测瑞利波在平面内和垂直与平面的两方向的时域分量信号；然后根据这两信号得到被测点周围微小区域内质点振动的椭圆运动轨迹，计算出被测点处瑞利波的偏振极化，并得到瑞利波偏振极化的相对改变量与残余应力/应变的线性关系；基于这一线性关系，最终可通过上述方法测量在未知应力/应变状态的试件表面传播的瑞利波的极化来确定试件内的残余应力/应变的大小。

说明书

技术领域

本发明涉及残余应力/应变的超声无损检测方法，具体涉及一种 基于瑞利波偏振极化的电磁超声残余应力和应变检测方法。

背景技术

机械系统中一些重要结构在加工装配和运行过程中受到过大载 荷作用下，容易在结构表面及内部产生残余应力和应变(甚至塑性变 形)等微观损伤。这些微观损伤的存在不但会大幅度降低结构的机械 性能，还容易在结构中引发应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等宏观损伤，对 机械结构的安全产生极大的隐患。

目前应用于残余应力/应变测量方法可以分为有损和无损两大 类。有损测试方法就是指应力释放法，目前主要是通过钻孔法(盲孔 法)，通过在残余应力区域钻孔，使用电阻应变片测量孔周围释放的 应变来确定残余应力的大小。该方法可靠性好、技术成熟，但会对工 件造成一定的损伤甚至破坏。无损检测方法目前主要有X射线衍射 法、中子衍射法、磁性法和超声法等。其中X射线衍射法是目前应用 最多无损检测方法，具有检测精度高、空间分辨率好，并以无接触的 方式测量等优点。但该方法对试件表面粗糙度要求较高，一般检测前 需要对表面进行预处理；此外由于X射线对材料有效穿透深度的限 制，只能测量到试样表面几微米到几十微米深度内的残余应力/应变。 中子衍射法相比于X射线法具有较大的穿透深度，但该方法需要庞大 且昂贵的中子射线源，限制了其应用范围。磁性法主要通过测定铁磁 材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力/应变的大 小，但由于材料磁性参数与应力不存在线性关系，使其对残余应力的 精确定量测量比较困难、且可靠性比较差、空间分辨率较低，目前应 用还比较少。

超声法是目前除X射线法之外测量残余应力的最常用无损检测 方法。根据声弹性理论，超声波传播速度的相对变化量和超声瑞利波 的偏振极化相对变化量均与残余应力的大小存在线性关系。但超声法 目前主用是通过压电超声探头或电磁超声探头测量超声波在被测区 域的传播速度，通过波速的相对变化量来确定应力/应变的大小和方 向。其具有操作简单、可靠性高，既可对工件表面也可对试件内部进 行测量等优点。但波速法存在灵敏度低，测得的应力/应变是某一较 大区域的平均值、空间分辨率低，无法测量应力集中等缺点。

发明内容

为了解决目前超声残余应力/应变检测方法灵敏度低、空间分辨 率差等主要缺点，本发明的目的在于提出一种基于瑞利波偏振极化的 电磁超声残余应力和应变检测方法。使用表面波电磁超声探头在被测 工件表面激发出瑞利波，再通过一对经专门设计的在平面电磁超声探 头和出平面电磁超声探头分别探测被测点处瑞利波在平行于平面和 垂直于平面两方向的时域分量信号，从而得到该处瑞利波的偏振极 化，通过瑞利波的偏振极化的相对变化量与初始应力/应变的线性关 系确定应力/应变的大小。该方法相对于传统的超声测量方法，能够 实现一种更高灵敏度、高空间分辨率的残余应力/应变非接触超声检 测方法。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于瑞利波偏振极化的电磁超声应力和应变检测方法，包括 如下步骤：

步骤1：准备具有不同残余应力/应变的导体试件，首先将表面波 电磁超声探头2放置在无残余应力和应变的导体试件1的表面上；

步骤2：在表面波电磁超声探头2的线圈中通入脉冲电流，在永 磁铁的作用下，探头在待测导体试件表面激发出瑞利波3，瑞利波3 在试件表面传播，使得被测点处的质点进行椭圆运动4；

步骤3：被测点处质点的椭圆运动4分解成质点在平行于试件表 面和垂直于试件表面两个方向上的振动，将S极和N极水平放置且N 极相对的在平面电磁超声探头5紧贴试件表面放置在待测位置处，接 收瑞利波3在被测点处平行于试件表面方向的质点振动信号；

步骤4：将通过在平面电磁超声探头5接收到的质点振动信号即 电压信号经过处理后输入到示波器中，得到被测点处质点在平行于试 件表面方向的振动信号波形，从而得到该信号的最大幅值；

步骤5：将S极和N极上下放置且S极和N极相对的出平面电磁 超声探头6紧贴试件表面放置在步骤3中在平面电磁超声探头5放置 的位置处，利用和步骤4相同的方法获得垂直于试件表面方向的质点 振动信号的最大幅值；

步骤6：利用步骤4和步骤5中获得的被测点处瑞利波3在平行 于平面和垂直于平面两方向的振动信号的最大幅值，求幅值之比，得 到无应力/应变试件被测点处瑞利波3的偏振极化Π₀；

步骤7：更换具有不同应力和应变的导体试件，重复步骤1-6， 获得在不同残余应力和应变条件下的瑞利波偏振极化Π，从而得到瑞 利波偏振极化的相对变化量ΔΠ/Π₀＝(Π-Π₀)/Π₀，ΔΠ/Π₀与相对应的应 力/应变之间存在着线性关系：ΔΠ/Π₀＝kσ或ΔΠ/Π₀＝kε；

步骤8：根据前面步骤中得到的数据做出瑞利波偏振极化的相对 变化量与相对应的残余应力和应变之间的线性关系曲线，得到关于这 两个量的线性关系式；基于这一线性关系式，利用在未知应力和应变 状态的试件表面传播的瑞利波的偏振极化的相对变化量来计算试件 内的残余应力/应变的大小。

所述表面波电磁超声探头2由回折型线圈和方形永磁铁构成；其 中回折型线圈由线径为0.1-0.3mm的漆包线绕制，方形永磁铁的材料 为铷铁硼。

所述在平面电磁超声探头5和出平面电磁超声探头6使用相同的 矩形线圈，线圈的材料均为漆包线，磁铁的材料为铷铁硼，且在两个 探头中线圈与磁铁之间的距离要保持一致。

所述在平面电磁超声探头5中两个相同的磁铁的相同磁极正对 布置在导体试件1表面；出平面电磁超声探头6中两个相同的磁铁磁 极方向相反地布置在导体试件1表面。

所述表面波电磁超声探头2、在平面电磁超声探头5以及出平面 电磁超声探头6均采用铝合金材料进行封装，探头的接口均为BNC 接口。

本发明通过测量瑞利波的偏振极化相对变化量来确定待测试件 中残余应力/应变的大小；和波速法相比，这一方法具有更高的灵敏 度和空间分辨率，并且可对某一点的应力/应变进行测量，也可以对 应力集中进行测量。

附图说明

图1为基于瑞利波偏振极化的电磁超声应力和应变检测系统的 示意图。

图2为被测点处的在平面、出平面电磁超声探头的示意图。

图3为在平行、垂直于试件表面两方向上质点的振动信号波形。

图4为在不同应力条件下瑞利波的偏振极化。

图5为瑞利波偏振极化的相对变化量与残余应力/应变的线性关 系示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于瑞利波偏振极化的电磁超声应力/应变检测系 统由待检测导体试件1、能够激发瑞利波3的表面波电磁超声探头2 以及用于接收被测点处质点在两个方向上的振动信号的在平面电磁 超声探头5和出平面电磁超声探头6组成。

本发明方法的检测原理为：表面波电磁超声探头2能够在导体试 件1表面激发出瑞利波3，而在试件表面传播的瑞利波3会使试件表 面上的质点发生椭圆运动4。如图2所示，这一运动可以分解为平行 于平面和垂直于平面两方向上的振动，通过一对经专门设计的在平面 电磁超声探头5和出平面电磁超声探头6可以分别探测被测点处质点 在这两个方向的振动信号，从而得到该点处的瑞利波偏振极化Π，通 过对无残余应力和应变情况下瑞利波偏振极化Π₀的测量，即可得到 一组关于残余应力和应变及与其相对应的瑞利波偏振极化相对改变 量的数据。根据声弹性理论，超声瑞利波的偏振极化相对变化量与残 余应力/应变的大小存在线性关系，由此可以推出两者之间的关系式： ΔΠ/Π₀＝kσ或ΔΠ/Π₀＝kε，从而可实现通过测量在未知应力/应变状态 的试件表面传播的瑞利波的偏振极化来确定试件内的残余应力/应变 的大小。

下面结合图2、图3、图4、图5和具体实施例对本发明作进一 步的详细描述。

本发明是一种基于瑞利波偏振极化的电磁超声应力和应变测量， 具体包括如下步骤：

步骤1：准备具有不同残余应力/应变的导体试件，首先将表面波 电磁超声探头2放置在无残余应力和应变的导体试件1表面；

步骤2：表面波电磁超声探头2由回折型线圈和方形永磁铁构成； 其中线圈由线径为0.1-0.3mm的漆包线绕制，磁铁的材料为铷铁硼。 将脉冲电流通入回折型线圈中，在永磁铁的作用下，探头在待测导体 试件表面激发出瑞利波3，瑞利波3在试件表面传播，使得被测点处 的质点进行椭圆运动4；

步骤3：如图2所示，被测点处质点的椭圆运动4可以分解成质 点在平行于试件表面和垂直于试件表面两个方向上的振动，在平面电 磁超声探头5和出平面电磁超声探头6分别用来接收这两个方向上的 振动信号；如图2所示，在平面电磁超声探头5中采用相同磁极正对 布置的两个相同的磁铁能够在线圈所在区域产生垂直于试件表面方 向的磁场B，将在平面电磁超声探头5紧贴试件表面放置在待测位置 处，接收瑞利波在被测点处平行于试件表面方向的质点振动信号；

步骤4：将通过在平面电磁超声探头5接收到的电压信号经过处 理后输入到示波器中，得到被测点处质点在平行于试件表面方向的振 动信号波形，从而得到该信号的最大幅值；

步骤5：出平面电磁超声探头6使用和在平面电磁超声探头5相 同的矩形线圈，并且要使两个探头中线圈与磁铁之间的距离保持一 致，如图2所示，出平面电磁超声探头6中两个磁铁磁极相反地布置 在试件表面，在线圈所在区域产生水平方向的磁场B，将出平面电磁 超声探头6紧贴试件表面放置在步骤3中在平面电磁超声探头5放置 的位置处，利用和步骤4相同的方法获得垂直于试件表面的质点振动 信号的最大幅值；

步骤6：利用步骤4、5中获得的被测点处瑞利波在平行于平面 和垂直于平面两方向的振动信号如图3所示，两个方向的信号最大幅 值见图3中的标注，分别为b、a，由此计算无应力和应变试件被测 点处瑞利波3的偏振极化Π₀＝a/b；

步骤7：更换具有不同应力/应变的导体试件，重复步骤1-6；如 图4所示，获得在不同残余应力/应变状态下的瑞利波偏振极化Π， 从而得到瑞利波偏振极化的变化量ΔΠ/Π₀＝(Π-Π₀)/Π₀；ΔΠ/Π₀与相对 应的应力/应变之间存在线性关系：ΔΠ/Π₀＝kσ或ΔΠ/Π₀＝kε；

步骤8：如图5所示，可根据前面步骤中得到的数据做出偏振极 化的相对变化量与相对应的残余应力/应变之间的线性关系曲线；基 于这一线性关系，最终可通过上述方法测量在未知应力/应变状态的 试件表面传播的瑞利波的极化来确定试件内的残余应力/应变的大 小。