残余应力检测是装备关键构件状态评估和寿命预测的重要基础,也是应力调控的前提条件。残余应力产生于产品全寿命周期中,很难预测,其大小和状态随加工和工作条件的不同而存在较大差异。材料中的残余应力会严重影响其强度、硬度、疲劳和稳定性,极端情况下会导致脆性断裂和应力腐蚀开裂。目前,得到行业认可的残余应力检测方法主要是X射线法和中子衍射法。但X射线对人体有一定危害性,并且只能测量表层30 um内的残余应力,如果要测量更深层的应力,则需要对试件进行电化学腐蚀剥层,这会破坏试件。中子衍射法的设备昂贵,操作极其复杂。针对上述问题,本文提出一种“空间周期激励线圈+磁电阻阵列”的残余应力检测方法,从理论建模、传感器设计、反演算法和实验验证等方面展开了深入研究,论文的主要工作和创新点如下:1、阐述了不同金属材料的应力检测机理,建立了电导率/磁导率与应力的关系模型。对非铁磁性材料,从微观角度分析了应力对电导率的影响,基于压阻效应建立了非铁磁性材料应力与电导率的关系模型。对铁磁性材料,基于磁力耦合理论分析了应力对磁畴与磁畴壁的影响,基于磁弹效应（逆磁致伸缩效应）建立了铁磁性材料应力与磁导率的关系模型,为残余应力的检测提供理论指导。2、建立了平面阵列式电磁传感器的理论模型,推导了涡流渗透深度与传感器结构参数和材料物理属性的数学表达式。首先将分层介质上的平面阵列式电磁传感器简化为二维模型,然后从时谐电磁场理论出发,通过引入磁矢位求得传感器在正弦信号激励时的磁场扩散方程。基于磁场扩散方程和涡流趋肤深度的定义,推导得到涡流渗透深度与传感器空间波长、激励电流频率、被测对象磁导率和电导率的关系,为传感器的结构设计提供理论指导。3、针对金属构件内部应力难以检测的问题,提出了一种基于空间周期性激励线圈和磁电阻阵列的应力传感器设计方案,克服了检测灵敏度随深度增加而降低的难题。在涡流检测中,为了增加检测深度,需要降低信号频率;传统检测线圈是通过测量磁场的变化率来获取磁场信息,在低频时输出的感应电压会很微弱,而采用磁电阻作为检测单元直接测量磁场大小可以克服传感器输出信号微弱的问题,从而克服检测灵敏度随深度增加而降低的难题,因此提出了一种基于空间周期性激励线圈和磁电阻阵列的应力传感器设计方案。然后,基于COMSOL有限元仿真,分析了空间周期性激励线圈的磁场分布,优化了激励线圈的空间波长、线宽等参数,并确定了磁电阻的最佳安装位置,实现了传感器的优化设计。研究了传感器激励线圈与检测单元之间的电磁耦合问题,提出了有效的干扰抑制方法,并通过仿真进行了验证。4、针对金属构件内部残余应力反演问题,提出了基于材料分层模型和被测对象等效阻抗的应力分布反演算法,实现了不同深度应力值的精确反演。首先假设被测对象由N个厚度相同的金属薄层组成,推导了被测对象等效阻抗与传感器线圈折合阻抗的关系;然后根据趋肤效应,合理改变工作频率使得涡流的渗透深度以金属薄层的厚度为固定步长增加,采用扫频技术完成材料阻抗特性的测量。通过分析涡流在金属材料内部的衰减规律,建立分层电导率反演模型,根据测量到的材料阻抗特性就可以计算出金属内部不同深度处的电导率。针对反演模型系数矩阵病态问题,提出以应力经验分布作为约束条件的参数估计方法,得到了更精确的解。最后根据电导率与残余应力的对应关系（近似为线性关系）,就可以得到薄层金属内部残余应力的分布。5、搭建了残余应力检测系统,开展了残余应力检测实验,验证了所设计的新型应力传感器和应力分布反演方法的有效性。设计了U型可变应力试块,通过激光冲击强化制备了应力定值试块,基于传感器、前置放大电路和数字锁定放大器搭建了应力检测系统,并开展了程控拉伸实验。实验结果表明所设计的传感器能有效检测出金属构件2 mm深度内的应力变化,沿深度方向的空间分辨率约为0.2 mm,检测分辨率约10 MPa,反演得到的应力分布和X射线衍射测量结果基本一致,验证了所提方法的有效性和正确性。