基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统

摘要

基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法及系统，该系统由涡流传感器、测量电路、信号发生与采集装置、上位机组成，该系统中，专用涡流传感器固定在金属构件上，测量电路与信号发生与采集装置对涡流传感器的电阻抗进行测量和采集，上位机进行标定方程分析及应力换算；所述测量电路、信号发生与采集装置和上位机进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，其中涡流传感器等效电路与分压电阻串联形成RL电路，测量电路、信号发生与采集装置实现对分压电阻两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机的信号频谱及阻抗计算模块，得出涡流传感器的电阻抗Z＝R(U_i/U_R-1)。

主权项

基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，其特征在于：该系统由涡流传感器(2)、测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)、上位机(5)组成，该系统中，专用涡流传感器(2)固定在金属构件(1)上，测量电路(3)与信号发生与采集装置(4)对涡流传感器(2)的电阻抗进行测量和采集，上位机(5)进行标定方程分析及应力换算；利用该系统可实现对夹持在金属构件(1)上的涡流传感器(2)的电阻抗变化进行快速测量，以表征金属构件(1)的应力变化，由此形成一种基于涡流阻抗的金属构件应力测量方法；所述测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)和上位机(5)进行特征电压信号测量、电阻抗计算和应力换算，其中涡流传感器等效电路(6)与分压电阻(8)串联形成RL电路，测量电路(3)、信号发生与采集装置(4)实现对分压电阻(8)两端电压U_R的快速测量，结合信号发生与采集装置(4)输入至RL电路的激励信号U_i，经由上位机(5)的信号频谱及阻抗计算模块(29)，得出涡流传感器(2)的电阻抗Z＝R(U_i/U_R‑1)；测量电路(3)包括取样信号输出接口一(7)、分压电阻(8)、取样信号输出接口二(9)、信号输入接口(10)、涡流传感器端口(11)；取样信号输出接口一(7)与信号发生与采集装置(4)的信号输出通道相连，取样信号输出接口一(7)和取样信号输出接口二(9)分别与信号发生与采集装置(4)的信号接收通道CH1、信号接收通道CH2相连，涡流传感器端口(11)连接至涡流传感器(4)；所述上位机(5)对金属构件(1)的应力和涡流传感器(2)的电阻抗变化率数据进行线性回归分析，选取线性拟合方程的确定系数和斜率绝对值均较高的频率点，并确立应力与电阻抗变化率的标定方程；在实际测量时，上位机(5)将测算得出的特定频率下涡流传感器(2)的电阻抗变化率代入标定方程，自动、快速计算并显示出金属构件(1)的应力值，完成单次测算、显示过程所需时间小于50ms，也即该系统对应力的采样率可大于20Hz；测量金属杆件时，两个传感器单元(12)分别预先安装于两个夹持部件(14)内，对位扣合在金属杆件(1)表面；采用上、下两个滑动盖板(15)进行封固，使涡流传感器(2)夹持在金属杆件(1)上；所述涡流传感器(2)的核心为两个传感器单元(12)，制作时将绕有感应线圈(18)的软磁磁芯(17)经环氧树脂分别封装于两个黄铜材质的屏蔽外壳(19)内；当金属杆件(1)直径收缩时，内嵌于夹持部件(14)的预紧弹簧(22)及与之固接的垫压板(21)自动调整传感器单元(12)的位置，使得传感器单元(12)与金属杆件(1)间保持紧密接触；固定螺母(16)防止在没有安装传感器单元(12)时，预紧弹簧(22)、垫压板(21)及其螺栓导杆(20)意外滑落；测量金属板件时，将传感器单元(12)安装于旋转部件(23)内，底座(24)固定于被测金属板件(1)表面；涡流传感器(2)方向改变时，旋转部件(23)上的固定部件(25)与底座(24)上45°间隔的凹槽(26)固定其方向，旋钮(27)上的固定凹槽(28)将整个旋转机构固定在底座(24)上，通过手动旋转夹具实现对金属板件上不同方向的应力进行测量；基于涡流阻抗的金属构件应力测量系统，其上位机(5)的后面板包括系统配置模块、信号频谱及阻抗计算模块(29)、标定数据分析模块(30)、阻抗换算及显示模块(31)；以信号频谱及阻抗计算模块(31)为例，显示了LabVIEW软件与Matlab软件的嵌套调用程序代码。