CN106770677B - 非接触应变场与声发射联合一体式测量系统及方法 - Google Patents

非接触应变场与声发射联合一体式测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种非接触应变场与声发射联合一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

非接触应变场与声发射联合一体式测量系统及方法
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一体式测量系统及方法。
背景技术
材料的无损检测技术是当今的热点领域，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表面的变形图像，这就要求所测材料表面无覆盖，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试验装置”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。在材料力学试验中测试试样的尺寸一般较小，因此试验操作难度大，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，拉伸试验或压缩试验），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，转换层刚度较大，并且与测试试样在试验过程中将共同受力变形，在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测试方法和固定装置，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一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一体式测量系统，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。
所述声发射传感器为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面；所述固定装置包括固定块和双面粘贴垫片，所述固定块为长方体结构，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开口平齐，所述双面粘贴垫片粘贴在固定块具有开口的表面上。
所述固定块由聚乙烯发泡棉制成。
所述双面粘贴垫片为长方体片状结构，双面粘贴垫片由硅胶板制成。
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一体式测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）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开口平齐；
2）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，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）将固定块通过双面粘贴垫片粘贴在测试试样上，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；
5）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，设置试验机的循环加载频率和应力比；
6）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4）中，在将固定块粘贴在测试试样上之前，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，所述循环加载频率为5Hz，所述应力比为0.05。
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、本发明中传感器固定块通过双面粘贴垫片跟随测试试样发生同向变形，预压缩固定块能主动填补拉伸载荷作用下产生的变形间隙，亦能承受压缩载荷所用下造成的压缩变形，固定块的跟随性保证了声发射传感器的有效固定，使得声发射传感器在测试过程中不会发生滑动，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，传感器和固定装置为一体，同时试验操作难度小，试验测试成本低；
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是双面粘贴垫片的结构示意图。
图5是双面粘贴垫片粘贴到固定块上的结构示意图。
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、双面粘贴垫片9、固定槽10、开口11。
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一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2-5，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和双面粘贴垫片9，固定块8为长方体结构，中部设有与声发射传感器3形状相配合的固定槽10，固定槽10在固定块8的表面形成开口11，声发射传感器3安装在固定槽10中，声发射传感器3的底面与固定槽10的槽底贴合，声发射传感器3的顶面与开口11平齐，双面粘贴垫片9粘贴在固定块8具有开口11的表面上。固定块8由如聚乙烯发泡棉等弹性较好的材料制成，双面粘贴垫片9为长方体薄片结构，由硅胶板制成，双面粘贴垫片9的两面均粘有双面胶，安装时双面粘贴垫片9位于测试试样1与固定块8中间，通过双面胶与测试试样1以及固定块8进行粘贴固定，固定块8进行粘贴时应先进行预压缩，保证进行拉伸载荷作用时固定块8能够发生膨胀变形，持续抵紧声发射传感器3。
采用以上非接触应变场与声发射联合一体式测量系统的测量方法，包括以下实验步骤：
一、取一对双面粘贴垫片9，并在双面粘贴垫片9的上下两面粘贴双面胶，将一对双面粘贴垫片9贴到固定块8具有开口11的一面；
二、将声发射传感器3安装到固定块8的开口11中，声发射传感器3的底面与开口11的盲端相对，实验中声发射传感器3型号为PXR50；
三、使用丙烯酸哑光白喷漆将陶瓷基复合材料的测试试样1的变形测量面覆盖成白色，漆面覆盖必须均匀，将喷过漆的测试试样1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；
四、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；
五、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；
六、将步骤二中得到的组件粘贴到测试试样1未喷制散斑的表面，即与变形测量面相反的一面，粘贴时压紧固定块8，声发射传感器3的传感面与测试试样1表面相对，粘贴时沿拉伸方向对固定块8进行预压缩，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变形，填补变形间隙，保证声发射传感器3的稳固固定；
七、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，实验中摄像头5采用AVT Stingray F-201B黑白工业相机，镜头采用Computar 50mm定焦工业相机镜头，图像采集控制设备6包括计算机以及VIC Snap软件；
八、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；
九、设置试验机循环加载频率为5 Hz，应力比为0.05，实验中所用试验机为MTSLandmark电液伺服疲劳试验机。
十、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 (6)

1.一种采用非接触应变场与声发射联合一体式测量系统的测量方法，其特征在于：
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）；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）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；所述声发射传感器（3）为圆柱体，圆柱体的顶面为传感面；所述固定装置（7）包括固定块（8）和双面粘贴垫片（9），所述固定块（8）为长方体结构，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（10），所述固定槽（10）在固定块（8）的表面形成开口（11），声发射传感器（3）安装在固定槽（10）中，声发射传感器（3）的底面与固定槽（10）的槽底贴合，声发射传感器（3）的顶面与开口（11）平齐，所述双面粘贴垫片（9）粘贴在固定块（8）具有开口（11）的表面上；
测量方法包括以下步骤：
1）将声发射传感器（3）安装到固定块（8）的固定槽（10）中，声发射传感器（3）的底面与固定槽（10）的槽底贴合，声发射传感器（3）的顶面与开口（11）平齐；
2）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，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）将固定块（8）通过双面粘贴垫片（9）粘贴在测试试样（1）上，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；在将固定块（8）粘贴在测试试样（1）上之前，沿测试试样（1）的拉伸方向对固定块（8）进行预压缩处理；
5）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，设置试验机的循环加载频率和应力比；
6）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。
2.如权利要求1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。
3.如权利要求1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，所述循环加载频率为5Hz，所述应力比为0.05。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述测试试样（1）为陶瓷基复合材料。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述固定块（8）由聚乙烯发泡棉制成。
6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述双面粘贴垫片（9）为长方体片状结构，双面粘贴垫片（9）由硅胶板制成。
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