本發(fā)明屬于導(dǎo)電固體應(yīng)力無損檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種連續(xù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)。

背景技術(shù)：

(半)導(dǎo)電固體構(gòu)件作為工程實(shí)際中的常見零部件，廣泛應(yīng)用于交通、航空航天、核能、電力等諸多工程領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備中，其安全性和耐久性均對(duì)關(guān)鍵設(shè)備性能產(chǎn)生重要影響。而(半)導(dǎo)電固體構(gòu)件在冷加工的條件下會(huì)在制造過程中不可避免地產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，并在安裝過程中會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中。上述(半)導(dǎo)電固體構(gòu)件的應(yīng)力非均勻分布會(huì)對(duì)金屬構(gòu)件的性能與安全性造成影響：一方面應(yīng)力非均勻分布會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不可忽略的加工變形，對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品裝配和產(chǎn)品使用產(chǎn)生影響；另一方面應(yīng)力非均勻分布也會(huì)在外界載荷的作用下導(dǎo)致局部應(yīng)力不斷增大，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，對(duì)(半)導(dǎo)電固體構(gòu)件的完整性帶來影響。

目前檢測(cè)應(yīng)力非均勻分布的檢測(cè)方法分為有損和無損兩種檢測(cè)方法。常用的有損檢測(cè)方法均需破壞構(gòu)件，影響了構(gòu)件本身的性能，因此在工程應(yīng)用中會(huì)逐步被無損檢測(cè)取代。

目前常用的應(yīng)力無損檢測(cè)方法有超聲、x射線、渦流、磁記憶以及巴克豪森噪聲等檢測(cè)方法。x射線法局限于表層應(yīng)力檢測(cè)，對(duì)于深層檢測(cè)則必須對(duì)構(gòu)件進(jìn)行破壞；磁記憶法和巴克豪森噪聲法對(duì)于非磁性材料則效果并不理想；渦流檢測(cè)技術(shù)因?yàn)閴鹤栊?yīng)的存在，利用應(yīng)力與電導(dǎo)率之間存在的關(guān)系和渦流檢測(cè)原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的總體表征，但如何對(duì)構(gòu)件任意一點(diǎn)應(yīng)力的定量表征是無損檢測(cè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

(1)渦流無損檢測(cè)原理

如圖1所示，激勵(lì)電流通過探頭的激勵(lì)線圈，在激勵(lì)線圈周圍感生出交變磁場(chǎng)b1，當(dāng)檢測(cè)探頭靠近金屬構(gòu)件時(shí)，感生出的交變磁場(chǎng)b1會(huì)在被測(cè)對(duì)象表面及近表面(集膚深度范圍內(nèi))感應(yīng)出渦流，該渦流又會(huì)感生出交變磁場(chǎng)b2。依據(jù)電磁感應(yīng)定律知，b2與b1方向相反，在激勵(lì)線圈感生磁場(chǎng)和渦流感生磁場(chǎng)的共同作用下會(huì)形成疊加磁場(chǎng)。檢測(cè)線圈阻抗將在疊加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變化。這種變化可通過式(1)表述：

z～(n,i,r1,r2,l,h,t,σ,μ,f)(1)

式中，t、μ、σ分別為被測(cè)體厚度、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，r1、r2、h分別為線圈內(nèi)徑、外徑和高度；n為線圈匝數(shù)，i、f分別為激勵(lì)信號(hào)幅值和頻率；l為提離高度。

因此通過式(1)可看出，在除被測(cè)體電導(dǎo)率σ外的所有參數(shù)均已知時(shí)，阻抗z為σ的單一變量函數(shù)。因而渦流無損檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件電導(dǎo)率的檢測(cè)。

(2)壓阻效應(yīng)

當(dāng)(半)導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，外形尺寸和電阻率會(huì)發(fā)生改變，繼而引起電阻值變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。以長(zhǎng)方形(半)導(dǎo)體為例，其電阻值可表達(dá)為

式中，ρ為(半)導(dǎo)體電阻率(ω·mm²/m)；l為(半)導(dǎo)體長(zhǎng)度(m)；w為(半)導(dǎo)體寬度(m)；th為(半)導(dǎo)體厚度(m)。

如果(半)導(dǎo)體在長(zhǎng)度方向發(fā)生形變，其電阻的四個(gè)影響因素長(zhǎng)度l，寬度w，厚度th和電阻率ρ均會(huì)變化，引起電阻的相對(duì)變化為：

長(zhǎng)度方向應(yīng)變?chǔ)牛?/p>

寬度方向與厚度方向應(yīng)變：

式中，μ為(半)導(dǎo)體泊松比；負(fù)號(hào)代表(半)導(dǎo)體長(zhǎng)度值增大時(shí)，厚度值和寬度值均減小。

由式(3)～(6)可得

其中，1+2μ由(半)導(dǎo)體幾何尺寸變化引起；由(半)導(dǎo)體電阻率變化引起。

對(duì)于金屬導(dǎo)體，其壓阻效應(yīng)由兩部分組成，一部分是在外力作用下(半)導(dǎo)體幾何尺寸變化引起的，另一部分是(半)導(dǎo)體電阻率變化引起的。當(dāng)渦流無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于(半)導(dǎo)體應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，由于金屬構(gòu)件的實(shí)際尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬導(dǎo)體中渦流所覆蓋的范圍，因此幾何尺寸變化所引起的金屬導(dǎo)體電阻值的變化對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)；對(duì)于半導(dǎo)體，壓阻效應(yīng)主要是由電阻率變化引起的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明充分利用渦流無損檢測(cè)技術(shù)在金屬構(gòu)件應(yīng)力識(shí)別方面的優(yōu)勢(shì)，并將其與數(shù)值模擬方法充分融合，提出一種導(dǎo)電固體無損檢測(cè)電路及基于其的連續(xù)應(yīng)力定量評(píng)估方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：導(dǎo)電固體無損檢測(cè)電路，包括：檢測(cè)探頭、被測(cè)試件、第二模塊；所述檢測(cè)探頭固定于被測(cè)試件表面；所述檢測(cè)探頭至少包括：第一模塊、激勵(lì)線圈以及磁傳感器；所述第一模塊用于產(chǎn)生固定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)為激勵(lì)線圈提供準(zhǔn)確的激勵(lì)信號(hào)；所述激勵(lì)信號(hào)輸入激勵(lì)線圈后在激勵(lì)線圈與被測(cè)試件之間的空間形成耦合電磁場(chǎng)；所述磁傳感器位于激勵(lì)線圈內(nèi)部，用于將該耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；

所述第二模塊與磁傳感器相連，用于對(duì)磁傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，得到第一無損模擬信號(hào)。

進(jìn)一步地，還包括第三模塊，所述第三模塊與第二模塊相連，用于對(duì)第二模塊輸出的第一無損模擬信號(hào)進(jìn)行采集處理得到第二無損檢測(cè)信號(hào)。

本申請(qǐng)的另一技術(shù)方案為：基于所述電路的連續(xù)應(yīng)力定量評(píng)估方法，包括：

s1、通過實(shí)驗(yàn)確定無損檢測(cè)信號(hào)和外部載荷的關(guān)系式；

s＝kf+a；

其中，s表示第二無損檢測(cè)信號(hào)；f表示外部載荷；k表示系數(shù)；a為常數(shù)；

s2、根據(jù)壓阻效應(yīng)，得到外力作用下，該被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布為；

其中，σ0表示中性層電導(dǎo)率；h表示目標(biāo)系數(shù)；σ表示電阻率變化量；表示x任一橫截面；z表示任意橫截面上的任意一點(diǎn)；

s3、通過對(duì)步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到估計(jì)的外部載荷大??；

s4、根據(jù)步驟s3得到的外部載荷大小，得到任意一點(diǎn)連續(xù)應(yīng)力。

進(jìn)一步地，所述步驟s1包括以下分步驟：

s11、根據(jù)被測(cè)試件的材料物理屬性制作試塊；

s12、施加不同載荷時(shí)檢測(cè)探頭得到不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)；

s13、重復(fù)步驟s2若干次，得到第二無損檢測(cè)信號(hào)s和外部載荷的關(guān)系s＝kf+a，此關(guān)系式的確定系數(shù)為rs0。

進(jìn)一步的，所述步驟s3具體為：

s31、通過對(duì)步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到h取不同值時(shí)，外力f和測(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值bz的關(guān)系曲線；

s32、設(shè)h＝h1曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定系數(shù)為rs1，h＝h2曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定系數(shù)為rs2；

s33、求得滿足|rs1-rs0|＜λ且|rs2-rs0|＜λ的rs1與rs2對(duì)應(yīng)的h1與h2的取值集合；

其中，λ為一固定的較小的數(shù)值；

s34、將步驟s33得到的h1與h2的取值集合中的最大值作為h的上限值，最小值作為h下限值；

s35、根據(jù)步驟s34得到的h的上限值以及下限值，以及步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布，得到對(duì)應(yīng)的外部載荷的上限值與下限值；

s36、通過對(duì)步驟s35得到的外部載荷的上限值與下限值求平均值，得到估計(jì)的外部載荷大小。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的導(dǎo)電固體無損檢測(cè)電路及基于其的連續(xù)應(yīng)力定量評(píng)估方法，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，獲取應(yīng)力和渦流無損檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系；通過壓阻效應(yīng)得到電導(dǎo)率的分布規(guī)律，通過數(shù)值計(jì)算模型得到連續(xù)應(yīng)力分布與外部載荷之間的關(guān)系；通過估計(jì)外力大小，得到該(半)導(dǎo)體任意一點(diǎn)的應(yīng)力；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)將(半)導(dǎo)電固體連續(xù)應(yīng)力分布的定量評(píng)估，本申請(qǐng)的方法對(duì)(半)導(dǎo)電固體的早期損傷預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)，他可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體和半導(dǎo)體關(guān)鍵構(gòu)建的健康預(yù)測(cè)中，對(duì)于保障關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全具有非常重要的意義。

附圖說明

圖1為無損檢測(cè)原理圖；

圖2為導(dǎo)電固體連續(xù)分布應(yīng)力的定量評(píng)估方法的模塊化電路示意圖；

圖3為外力f和測(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值bz的關(guān)系曲線；

圖4為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖5為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的彎矩分布示意圖；

圖6為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的簡(jiǎn)支梁任一橫截面上的應(yīng)力分布示意圖。

具體實(shí)施方式

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)一步闡釋。

如圖2所示為導(dǎo)電固體連續(xù)分布應(yīng)力的定量評(píng)估方法的模塊化電路示意圖；本申請(qǐng)的技術(shù)方案為：導(dǎo)電固體無損檢測(cè)電路，包括：檢測(cè)探頭、被測(cè)試件、第二模塊、第三模塊；所述檢測(cè)探頭固定于被測(cè)試件表面；所述檢測(cè)探頭至少包括：第一模塊、激勵(lì)線圈以及磁傳感器；所述第一模塊用于產(chǎn)生固定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)為激勵(lì)線圈提供準(zhǔn)確的激勵(lì)信號(hào)；所述激勵(lì)信號(hào)輸入激勵(lì)線圈后在激勵(lì)線圈與被測(cè)試件之間的空間形成耦合電磁場(chǎng)；所述磁傳感器位于激勵(lì)線圈內(nèi)部，用于將該耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；

所述第二模塊與磁傳感器相連，用于對(duì)磁傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，得到第一無損檢測(cè)信號(hào)；所述第三模塊與第二模塊相連，用于對(duì)第二模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行采集處理，得到第二無損檢測(cè)信號(hào)；

還包括第四模塊，所述第四模塊與第三模塊相連，用于根據(jù)第三模塊輸出的第二無損檢測(cè)信號(hào)計(jì)算出被測(cè)試件任意一點(diǎn)的應(yīng)力，具體的處理過程在本申請(qǐng)?zhí)岢龅牧硪患夹g(shù)方案中進(jìn)行詳細(xì)闡述，本申請(qǐng)的另一技術(shù)方案為：基于該模塊化電路的一種導(dǎo)電固體連續(xù)分布應(yīng)力定量評(píng)估方法，具體包括以下步驟：

s1、通過實(shí)驗(yàn)確定無損檢測(cè)信號(hào)和外部載荷的關(guān)系式；通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部載荷f的作用點(diǎn)和渦流無損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)s采集點(diǎn)確定時(shí)，外部載荷f與渦流無損檢測(cè)電信號(hào)s呈現(xiàn)線性分布關(guān)系，如圖3中虛線所示，★為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。即

s＝kf+a(8)

其中，s表示第二無損檢測(cè)信號(hào)；f表示外部載荷；k表示系數(shù)；a為常數(shù)；

具體包括以下分步驟：

s11、根據(jù)被測(cè)試件的材料物理屬性制作試塊；

s12、施加不同載荷時(shí)檢測(cè)探頭得到不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)；

s13、重復(fù)步驟s2若干次，得到s和外部載荷f的關(guān)系s＝kf+a，此關(guān)系式的確定系數(shù)為rs0。

s2、由壓阻效應(yīng)可知，單向應(yīng)力狀態(tài)下的電阻率變化量和應(yīng)力呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此在外力作用下，該金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布可設(shè)定為；

其中，σ0表示中性層電導(dǎo)率；h表示目標(biāo)系數(shù)；σ表示電阻率變化量；表示x任一橫截面；z表示任意橫截面上的任意一點(diǎn)；

圖4所示三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，無損檢測(cè)線圈位于圖4中f的正下方，試件上的彎矩圖以x＝0界面對(duì)稱分布，最大彎矩位置為外部載荷f所在位置，并在簡(jiǎn)支部位減小為零。取右半部分梁為研究對(duì)象，其彎矩分布如圖5所示。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，圖4所示簡(jiǎn)支梁任一橫截面上的應(yīng)力分布如圖6所示。中性層的應(yīng)力為零，中性層以上為壓應(yīng)力，中性層以下為拉應(yīng)力。因此任一橫截面x上的任意一點(diǎn)z的應(yīng)力可表達(dá)為：

式中，l為金屬導(dǎo)體的長(zhǎng)度；m表示彎矩；iz表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

s3、通過對(duì)步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到估計(jì)的外部載荷大??；所述步驟s3具體為：

s31、通過對(duì)步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到h取不同值時(shí)，外力f和測(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值bz的關(guān)系曲線；

s32、如圖3所示，設(shè)h＝h1曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定系數(shù)為rs1，h＝h2曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定系數(shù)為rs2；

s33、求得滿足|rs1-rs0|＜λ且|rs2-rs0|＜λ的rs1與rs2對(duì)應(yīng)的h1與h2的取值集合；

其中，λ為一固定的較小的數(shù)值；λ越小，h的范圍越小，檢測(cè)結(jié)果越精確；因此可以根據(jù)檢測(cè)需要確定λ的值。

s34、將步驟s33得到的h1與h2的取值集合中的最大值作為h的上限值，最小值作為h下限值；

s35、根據(jù)步驟s34得到的h的上限值以及下限值，以及步驟s2得到的被測(cè)試件的電導(dǎo)率分布，得到對(duì)應(yīng)的外部載荷的上限值與下限值；

s36、通過對(duì)步驟s35得到的外部載荷的上限值與下限值求平均值，得到估計(jì)的外部載荷大小。

本實(shí)施例中為便于說明，如圖6所示，λ取0.01時(shí)，取其中一組h1＝1/300，h2＝1/350作為h的上下限為例進(jìn)行計(jì)算；可得h1＝1/300時(shí)f1＝138n，h2＝1/350時(shí)f2＝163n，則以f1＝138n與f2＝163n作為外力的上下限，得到fm＝150.5n。此時(shí)外力的實(shí)際值如圖中的實(shí)驗(yàn)曲線所示為fe＝149n，兩者誤差為1％，可知通本申請(qǐng)的方法的到的外力大小與實(shí)際值是非常接近的，從而也驗(yàn)證了本申請(qǐng)方法的有效性。

s4、根據(jù)步驟s3得到的外部載荷大小，根據(jù)式(10)得到任意一點(diǎn)的應(yīng)力。

本發(fā)明方法可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電固體和半導(dǎo)電固體關(guān)鍵構(gòu)建的健康預(yù)測(cè)中，對(duì)于保障關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全具有非常重要的意義；通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，估計(jì)外力大小，從而得到該(半)導(dǎo)體任意一點(diǎn)的應(yīng)力；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)將(半)導(dǎo)電固體連續(xù)應(yīng)力分布的定量評(píng)估。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。