CN106706761B - 非接触应变场与声发射联合分体式测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统及方法，包括：测试试样、试验机夹具、声发射传感器、声发射采集系统、摄像头、图像采集控制设备和固定装置；测试试样为矩形条状的无磁性材料，试验机夹具数量为两个，试验机夹具分别夹持在测试试样的上下两端，对测试试样进行拉伸；声发射传感器和摄像头分别固定在测试试样的左右相对两侧，声发射传感器将采集的声信号发送至声发射采集系统，摄像头将采集的图像信号发送至图像采集控制设备；声发射传感器为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面，声发射传感器通过固定装置固定，使得声发射传感器的传感面紧贴测试试样的表面。本发明结构简单，可靠性强，测试精度高，能够有效解决无磁性材料的固定问题。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统及方法。
背景技术
无损检测技术可以在不损害材料的前提下对研究对象的缺陷分布以及损伤发展情况进行监测。例如，非接触应变场的测量可以研究材料受力过程中的全场变形特征并且测试装置可以与测试试样保持一定的距离，声发射测试技术可以实时在线监测材料的损伤发展情况获取材料内部微裂纹的产生和扩展信息，并实现损伤定位。将非接触应变场测试技术与声发射测试技术相结合可以有效的研究材料在受力全过程中损伤演化情况与材料全场变形行为之间的关系，对深入研究材料的损伤机理以及解决工程实际问题都有重大意义。
在现有技术中，非接触应变场的测量（例如，数字图像相关法）需要捕捉测试过程中材料或结构表面的变形图像，这就要求所测材料或结构表面无覆盖，这对声发射传感器的固定方法提出了苛刻的要求。在现有技术中，根据固定原理可将声发射传感器的固定方案分成以下几类：1、磁性固定法，例如专利CN105136912A“一种声发射检测传感器固定装置”、专利CN102253124A“一种声发射检测设备探头的通用固定装置”以及专利CN205484214U“一种声发射传感器的夹持装置”等；2、框架固定法，例如专利CN101571517A“声发射测试传感器固定装置”、专利CN101571516“万向式声发射测试传感器固定装置”和专利CN105842343A“一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射实验装置”等；3、捆绑粘贴法（胶带或皮筋）；4、间接固定方法，例如专利CN204154687U“用于非金属试件的声发射传感器固定装置”，专利CN204436964U“一种声发射检测仪器探头的简易固定装置”以及专利CN102661999A“用于混凝土表面的声发射传感器固定装置”等。
虽然现有技术中已公开诸多用于固定声发射传感器的解决方案，但是现有技术仍然无法解决无磁性材料非接触应变场与声发射联合测试过程中声发射传感器的固定问题，主要原因如下：1、无磁性材料无法使用磁性固定法；2、对于框架固定法，其结构复杂。在材料力学实验中测试试样的尺寸一般较小，因此实验操作难度大，而且用于非接触应变场与声发射联合测试时固定装置会对测试试样表面产生一定的遮挡，致使应变场测量无法进行；3、胶带固定法是一种简单易施的声发射传感器固定方法，但是同理，胶带同样会遮挡测试表面，因此该方案也无法用于非接触应变场与声发射联合测试；4、间接固定方法通过在测试试样表面粘贴转换层（塑料套或金属板），进而通过转换层对传感器进行固定，但是在材料力学测试过程中（例如，拉伸实验或压缩实验），由于转换层与测试试样之间的粘结剂会逐步脱粘，脱粘过程中产生的噪声信号将影响声发射的测量结果。此外，转换层与测试试样在实验过程中将共同受力变形，一定程度上影响了载荷示数，会导致测试结果与真实结果出现较为明显的偏差。
因此，有必要提供一种能够用于无磁性材料并可以同时兼容非接触应变场以及声发射联合测量的声发射传感器固定方法和固定装置，实现快速、简单、可靠的联合测试。
发明内容
本发明的针对现有技术中的不足，提供一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统，其特征在于，包括：测试试样、试验机夹具、声发射传感器、声发射采集系统、摄像头、图像采集控制设备和固定装置；所述测试试样为矩形条状的无磁性材料，所述试验机夹具数量为两个，试验机夹具分别夹持在测试试样的上下两端，对测试试样进行拉伸；所述声发射传感器和摄像头分别固定在测试试样的左右相对两侧，声发射传感器将采集的声信号发送至声发射采集系统，摄像头将采集的图像信号发送至图像采集控制设备；所述声发射传感器为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面，声发射传感器通过固定装置固定，使得声发射传感器的传感面紧贴测试试样的表面。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述测试试样为陶瓷基复合材料。
所述固定装置包括固定块、支撑垫片和固定胶带，所述固定块为弹性的长方体结构，固定块中部设有与声发射传感器形状相配合的固定槽，所述固定槽在固定块的表面形成圆形开口，声发射传感器安装在固定槽中，声发射传感器的底面与固定槽的槽底贴合，声发射传感器的顶面与圆形开口平齐；所述支撑垫片为一对相同的平板垫片，支撑垫片的一端开设有矩形缺口，所述矩形缺口的宽度与测试试样的宽度相同，两个支撑垫片均通过矩形缺口卡住测试试样，并通过矩形缺口表面涂覆的粘结剂与测试试样的表面保持垂直固定，固定块夹设在两个支撑垫片之间；所述固定胶带将固定块和支撑垫片连接固定。
所述固定块由聚乙烯发泡棉制成。
所述固定胶带分为两段，分别固定两片支撑垫片，两段固定胶带之间无直接接触。
此外，本发明还提出了一种基于上述非接触应变场与声发射联合分体式测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在一对支撑垫片的矩形缺口处均匀涂抹环氧树脂胶，将支撑垫片粘贴到测试试样的实验段；
2）待环氧树脂胶完全凝固后，使用丙烯酸哑光白喷漆将测试试样的变形测量面均匀覆盖成白色，风干后使用哑光黑丙烯酸喷漆在白色漆面上喷制散斑图案；
3）采用摄像头拍摄测试试样的散斑照片，对散斑照片进行分析，建立散斑灰度直方图；
4）启动试验机，将测试试样装夹到试验机夹具上并消除预紧力；
5）将声发射传感器安装到固定块的固定槽中，声发射传感器的底面与固定槽的槽底贴合，声发射传感器的顶面与圆形开口平齐；
6）将固定块安装到两个支撑垫片之间，使得声发射传感器的传感面紧贴与测试试样的变形测量面相反的一面，并通过固定胶带固定；
7）调整摄像头的拍摄距离和焦距，调节声发射采集系统的测试门槛值，设置试验机的加载速率；
8）同时启动试验机、图像采集控制设备和声发射采集系统，试验机对测试试样进行拉伸，实现非接触应变场与声发射的联合测试。
步骤3）中，若散斑灰度直方图为高斯分布或钟型分布，则散斑满足测试要求；若散斑灰度直方图为双峰分布，则重新制作散斑。
步骤6）中，在将固定块安装到两个支撑垫片之间之前，沿测试试样的拉伸方向对固定块进行预压缩处理。
所述拍摄距离为1.5m，所述焦距为50mm，所述测试门槛值为40dB，所述循环加载速率为0.1mm/min。
本发明的有益效果是：
1、本发明解决了无磁性材料在进行非接触应变场以及声发射联合测试时声发射传感器的固定问题；
2、本发明中支撑垫片跟随测试试样发生同向变形，同时预压缩的弹性固定块能主动填补支撑垫片反向移动产生的变形间隙，亦能承受支撑垫片相向移动造成的压缩变形，弹性固定块的变形跟随性保证了声发射传感器的有效固定，声发射传感器在测试过程中不会发生滑动，弹性固定块的自行膨胀与收缩不会对载荷示数造成影响，并且不会产生声发射信号，因此本发明方案测试精度高；
3、本发明所涉及测试装置结构简单，可靠性强，无复杂结构及零件，对非接触应变场测试表面无遮挡，声发射传感器和固定装置还能够拆分，实验操作难度小，实验测试成本低；
4、本发明所提出的方案简单易施，固定效果好并且具有通用性，针对不同尺寸的测试试样进行微调即可实施，同时，本方案不仅可以用于无磁性材料，对磁性材料同样适用。
附图说明
图1是测量系统的整体结构示意图。
图2是固定块的结构示意图。
图3是声发射传感器安装在固定块中的结构示意图。
图4是支撑垫片的结构示意图。
附图标记如下：测试试样1、试验机夹具2、声发射传感器3、声发射采集系统4、摄像头5、图像采集控制设备6、固定装置7、固定块8、支撑垫片9、固定胶带10、固定槽11、圆形开口12、矩形缺口13。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，非接触应变场与声发射联合分体式测量系统包括测试试样1、试验机夹具2、声发射传感器3、声发射采集系统4、摄像头5、图像采集控制设备6和固定装置7。测试试样1为矩形条状的无磁性材料，如陶瓷基复合材料，试验机夹具2数量为一对，分别夹持在测试试样1的上下两端，通过试验机对测试试样1进行拉伸。声发射传感器3和摄像头5分别固定在测试试样1的左右相对两侧，声发射传感器3将采集的声信号发送至声发射采集系统4，摄像头5将采集的图像信号发送至图像采集控制设备6，由于测试试样1受力损伤会发出声音信号，声发射传感器3可以采集到这种声信号，声发射采集系统4通过分析采集到的声信号就可以对测试试样1的损伤过程以及损伤机理进行分析，而摄像头5（也就是工业相机）采集的是测试试样1的形变照片，图像采集控制设备6通过非接触测量算法对不同时刻的形变照片进行比对就能计算出测试试样1的变形情况。
进一步参照图2-4，声发射传感器3为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面，声发射传感器3通过固定装置7固定，使得声发射传感器3的传感面紧贴测试试样1的表面。固定装置7包括固定块8、支撑垫片9和固定胶带10，固定块8为弹性的长方体结构，可由聚乙烯发泡棉制成，固定块8中部设有与声发射传感器3形状相配合的固定槽11，固定槽11在固定块8的表面形成圆形开口12，声发射传感器3安装在固定槽11中，声发射传感器3的底面与固定槽11的槽底贴合，声发射传感器3的顶面与圆形开口12平齐。
支撑垫片9为一对相同的平板垫片，支撑垫片9的一端开设有矩形缺口13，矩形缺口13的宽度与测试试样1的宽度相同，两个支撑垫片9均通过矩形缺口13卡住测试试样1，并通过矩形缺口13表面涂覆的粘结剂与测试试样1的表面保持垂直固定，粘结剂可采用环氧树脂胶，实验过程中支撑垫片9根据测试试样1发生同向变形。
继续参照图1，两个支撑垫片9呈平行间隔状，固定块8的厚度略大于支撑垫片9的非缺口部分的长度，固定块8的长度略大于两片支撑垫片9之间的距离，固定块8与声发射传感器3安装好后便固定于支撑垫片9之间，安装时应沿着测试试样1的拉伸方向（即固定块8的长度方向）将固定块8压缩，以便固定块3与声发射传感器3的组合体可以完全置于支撑垫片9之间，实验时预压缩的固定块3会发生膨胀填补支撑垫片9由于跟随测试试样1拉伸变形带来的空隙，亦可承受压缩变形，避免声发射传感器3直接受压，保证声发射传感器3的牢固固定。固定胶带10将支撑垫片9与弹性固定块8进行固定，固定胶带10具有两段，两段固定胶带10无直接接触，防止固定胶带10对固定块8变形产生约束。
采用以上非接触应变场与声发射联合分体式测量系统的测量方法，包括以下实验步骤：
一、取一对支撑垫片9并在支撑垫片9的矩形缺口13处均匀涂抹环氧树脂胶，然后将支撑垫片9粘贴到陶瓷基复合材料测试试样1的试验段，试验段长度为25 mm，支撑垫片9的无缺口区域长度为15 mm；
二、待环氧树脂胶完全凝固后，使用丙烯酸哑光白喷漆将测试试样1的变形测量面覆盖成白色，漆面覆盖必须目视均匀，将喷过漆的试样放在通风处风干，哑光喷漆用于降低试样漆面的反光，减小变形测量噪声；待白色漆面完全风干后使用哑光黑丙烯酸喷漆在白色漆面上喷制散斑图案；
三、拍摄测试试样1的散斑照片，对散斑质量进行评估，评估规则为，若散斑灰度直方图分布为高斯分布或钟型分布则表示散斑满足测试要求，若灰度直方图表现为双峰分布则表示需要重新制作散斑，实验中使用Photoshop软件对散斑照片的灰度分布进行分析；
四、启动试验机，将测试试样1装夹到试验机夹具2上并消除预紧力，实验中所用试验机为MTS Landmark电液伺服疲劳试验机；
五、将声发射传感器3安装到弹性固定块8的开口中，声发射传感器3的底面与弹性固定块8开口的盲端相对，弹性固定块8的长度为27 mm，厚度为17 mm，由聚乙烯发泡棉制成，声发射传感器3的厚度为10mm，型号为PXR50；
六、将步骤五中得到的组合体安装到支撑垫片9之间，声发射传感器3的正面与测试试样1表面相对，在声发射传感器3与测试试样1表面之间涂抹凡士林耦合剂，安装时先将固定块8预压缩，以保证固定块8在测试试样1承受拉伸载荷时能够发生膨胀，填补变形间隙；
七、将一段固定胶带10的一端粘贴于上方支撑垫片9的上表面，另一端固定于固定块8上，将另一段固定胶带10的一端粘贴于下方支撑垫片9的下表面，另一端固定于固定块8上，固定胶带10应压紧固定块8，使得固定块8压缩至与支撑垫片9末端平齐，以保证声发射传感器3与测试试样1紧密结合，固定胶带10采用PVC胶布；
八、打开摄像头5与图像采集控制设备6，调整拍摄距离至1.5m，焦距调至50mm，得到良好的观测视野，摄像头5采用AVT Stingray F-201B黑白工业相机，镜头采用Computar50mm定焦工业相机镜头，图像采集控制设备6包括计算机以及图像采集软件；
九、打开声发射采集系统4，设置声发射测试门槛值为40 dB，声发射采集系统4包括PAC PCI-2声发射采集卡、PXPAIV声发射放大器、同轴电缆、计算机以及PXAES软件；
十、设置试验机加载速率为0.1 mm/min，同时启动试验机、图像采集控制设备6以及声发射采集系统4进行非接触应变场以及声发射的联合测试。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统，其特征在于，包括：测试试样（1）、试验机夹具（2）、声发射传感器（3）、声发射采集系统（4）、摄像头（5）、图像采集控制设备（6）和固定装置（7）；所述测试试样（1）为矩形条状的无磁性材料，所述试验机夹具（2）数量为两个，试验机夹具（2）分别夹持在测试试样（1）的上下两端，对测试试样（1）进行拉伸；所述声发射传感器（3）和摄像头（5）分别固定在测试试样（1）的左右相对两侧，声发射传感器（3）将采集的声信号发送至声发射采集系统（4），摄像头（5）将采集的图像信号发送至图像采集控制设备（6）；所述声发射传感器（3）为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面，声发射传感器（3）通过固定装置（7）固定，使得声发射传感器（3）的传感面紧贴测试试样（1）的表面；所述固定装置（7）包括固定块（8）、支撑垫片（9）和固定胶带（10），所述固定块（8）为弹性的长方体结构，固定块（8）中部设有与声发射传感器（3）形状相配合的固定槽（11），所述固定槽（11）在固定块（8）的表面形成圆形开口（12），声发射传感器（3）安装在固定槽（11）中，声发射传感器（3）的底面与固定槽（11）的槽底贴合，声发射传感器（3）的顶面与圆形开口（12）平齐；所述支撑垫片（9）为一对相同的平板垫片，支撑垫片（9）的一端开设有矩形缺口（13），所述矩形缺口（13）的宽度与测试试样（1）的宽度相同，两个支撑垫片（9）均通过矩形缺口（13）卡住测试试样（1），并通过矩形缺口（13）表面涂覆的粘结剂与测试试样（1）的表面保持垂直固定，固定块（8）夹设在两个支撑垫片（9）之间；所述固定胶带（10）将固定块（8）和支撑垫片（9）连接固定。
2.如权利要求1所述的一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统，其特征在于：所述测试试样（1）为陶瓷基复合材料。
3.如权利要求1所述的一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统，其特征在于：所述固定块（8）由聚乙烯发泡棉制成。
4.如权利要求1所述的一种非接触应变场与声发射联合分体式测量系统，其特征在于：所述固定胶带（10）分为两段，分别固定两片支撑垫片（9），两段固定胶带（10）之间无直接接触。
5.一种采用如权利要求1-4中任一项所述的非接触应变场与声发射联合分体式测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在一对支撑垫片（9）的矩形缺口（13）处均匀涂抹环氧树脂胶，将支撑垫片（9）粘贴到测试试样（1）的实验段；
2）待环氧树脂胶完全凝固后，使用丙烯酸哑光白喷漆将测试试样（1）的变形测量面均匀覆盖成白色，风干后使用哑光黑丙烯酸喷漆在白色漆面上喷制散斑图案；
3）采用摄像头（5）拍摄测试试样（1）的散斑照片，对散斑照片进行分析，建立散斑灰度直方图；
4）启动试验机，将测试试样（1）装夹到试验机夹具（2）上并消除预紧力；
5）将声发射传感器（3）安装到固定块（8）的固定槽（11）中，声发射传感器（3）的底面与固定槽（11）的槽底贴合，声发射传感器（3）的顶面与圆形开口（12）平齐；
6）将固定块（8）安装到两个支撑垫片（9）之间，使得声发射传感器（3）的传感面紧贴与测试试样（1）的变形测量面相反的一面，并通过固定胶带（10）固定；
7）调整摄像头（5）的拍摄距离和焦距，调节声发射采集系统（4）的测试门槛值，设置试验机的加载速率；
8）同时启动试验机、图像采集控制设备（6）和声发射采集系统（4），试验机对测试试样（1）进行拉伸，实现非接触应变场与声发射的联合测试。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：步骤3）中，若散斑灰度直方图为高斯分布或钟型分布，则散斑满足测试要求；若散斑灰度直方图为双峰分布，则重新制作散斑。
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：步骤6）中，在将固定块（8）安装到两个支撑垫片（9）之间之前，沿测试试样（1）的拉伸方向对固定块（8）进行预压缩处理。
8.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述拍摄距离为1.5m，所述焦距为50mm，所述测试门槛值为40dB，所述加载速率为0.1mm/min。
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