CN108693026A - 一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统及其试验方法，包括加载系统、夹持装置、声发射传感系统、悬梁臂和熔炉。本系统具有准确度高、结构紧凑、安装拆卸灵活、耐腐蚀、高承压性能以及使用寿命长等特点。

Description

一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及对微型试样进行检测评价技术领域，具体为一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统及其试验方法。

背景技术

小冲杆试验技术具有几乎无损和取样方便的双重优势，已应用到因取样和制样限制而无法进行常规力学实验的场合，用微型的小冲杆试样来测试材料的屈服强度、弹性模量、塑性等力学性能，具有很高的工程应用价值。根据实验曲线得到小冲杆试验最大载荷、最大位移以及小冲杆能量等重要数据，以此分析得出材料的各项力学性能参数。现阶段国内外的小冲杆试验装置缺少实时裂纹监测技术，试样薄片可能在加载前期已出现裂纹，导致后续的试验数据不具有参考价值。如何实时检测试样薄片的裂纹对提高小冲杆试验数据的精确性有至关重要的影响。利用声发射传感器装置作为试样薄片裂纹监测的手段，通过将被探测物体即试样薄片表面产生的机械振动转换为电信号，使得加载环境下试验材料的劣化与断裂可以在宏观和微观下进行表征。本装置利用熔炉模拟实际工况，试验装置采用陶瓷材料，试验时温度可超过1000℃。但是声发射传感器有自身的工作温度限制(现有的声发射传感装置最大适用温度为540℃)，使之无法在高温试验中使用，因此利用波导把声波从试样薄片传递到声发射传感器。本装置采用的波导由耐高温的氧化铝制成，可以确保在试验过程中准确无误地将声波传递给声发射传感器。目前，高性能、低价位声发射采集卡(系统)PCI-2可用于材料试验损伤与断裂检测。虽然小冲杆试验技术在抗拉强度、屈服强度和高温蠕变等领域取得了不错的进展，但现有装置仍存在着明显的缺点，简述如下：

(1)测量冲杆位移不够准确，不能实时反应试样薄片的变形。

(2)没有特定装置监测试样薄片的裂纹，导致试验所得图像并非为试样薄片真正断裂处，从而使试验数据不可靠，结果不够精确。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统及其试验方法。

一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统，包括加载系统、夹持装置、声发射传感系统、悬梁臂和熔炉；所述加载系统包括载荷传感器、冲杆、线性可变差动变压器，所述载荷传感器与悬臂梁相连，两个所述线性可变差动变压器分别安装在冲杆两侧，所述载荷传感器通过圆柱连杆与冲杆相连，所述夹持装置包括上螺母、夹盘、销和试样支撑台，所述上螺母、夹盘和销位于熔炉内，试样薄片置于试样支撑台的样品座中，夹盘安装到试样薄片表面，所述夹盘通过销与试样支撑台固定，所述上螺母与试样支撑台连接用于夹紧试样薄片，所述声发射传感系统包括波导、声发射传感器、金属支撑架和前置放大器，所述波导放置于试样支撑台中的试样薄片下方，通过金属支撑架与声发射传感器相连接，所述声发射传感器收集到的声信号通过前置放大器放大。

所述冲杆为半球形冲杆。

所述上螺母的中心与试样薄片中心对齐，所述上螺母内螺纹与试样支撑台的外螺纹相吻合。

一种根据所述的基于声发射传感器的小冲杆试验系统，其试验方法包括以下步骤：

步骤一：制备试验所需的试样薄片；

步骤二：布置好冲杆在夹持系统上面的位置，将波导与试样薄片、声发射传感器分别连接，确保传输信号良好；

步骤三：利用熔炉升温，在试验温度下通过载荷传感器或悬臂梁进行加载，使试样薄片逐渐变形直至断裂，后停止声发射信号采集；

步骤四：将整个试验过程中通过声发射传感器采集的声发射信号通过前置放大器传输到电脑，进行数据处理。

本系统具有准确度高、结构紧凑、安装拆卸灵活、耐腐蚀、高承压性能以及使用寿命长等特点。相比于传统小冲杆试验装置，该装置增加了声发射传感器系统来监测试样薄片的裂纹，且采用载荷传感器使载荷数据更为精确。该技术大幅拓宽了无损测量、检验和分析材料的有效途径，不仅精准度高，而且操作简单安全。

附图说明

图1为测量系统示意图

图2为含生发射系统的小冲杆试验系统示意图

图3为加载系统示意图

图4为试样薄片夹持系统示意图

图5为声发射传感系统示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

实施例：加载系统主要包括载荷传感器1、冲杆2、线性可变差动变压器3、圆柱连杆4。采用载荷传感器1控制通过冲杆传感的力的大小，载荷传感器采用液压控载方式与悬臂梁15相连，既可控制载荷大小又可控制冲压速度。将两个线性可变差动变压器3与冲杆2直接连接，冲杆2的移动带动线性可变差动变压器3的移动，用于测量冲杆的位移距离来表征试样薄片的变形。圆柱连杆4将载荷传感器1与冲杆2相连。夹持装置主要包括上螺母5、夹盘6、销7和试样支撑台8，为了避免冲杆和夹持装置的氧化，均有耐高温陶瓷(比如氧化铝陶瓷)制成。上螺母5位于夹盘6上方，夹盘6位于上螺母和试样薄片9之间，通过两个销7与试样支撑台8相连接，起到固定试样薄片的作用。夹持试样薄片时，上螺母5压住夹盘6，从而固定试样薄片9，防止其相对滑动。试样支撑台8的用于支撑试样薄片9，接收孔用于接收断裂的试样薄片。声发射传感系统用于识别在加载过程中材料内部和外部的损伤的演化情况，有效距离广且能够进行动态监测，主要包括波导10、声发射传感器12、金属支撑架11和前置放大器13。波导10用于连接试样薄片9和声发射传感器12。该装置中的波导由氧化铝制成，具有耐高温、抗氧化、与试样薄片不反应、良好的传导性等特点，适用于高温测试。声发射传感器基于晶体元件的压电效应，将被传输到传感器表面的应力波信号转换为电压信号，送入信号处理器，完成信号处理过程。该装置采用声发射测量系统(PCI-2系统)，该系统具有1KHz-3MHz频率范围，有独特的CI-2的波形流数据存储功能，可将声发射波形以每秒10兆采样点的速率连续不断地存入硬盘。主要特性有：低噪音、低价格、内置波形及HIT处理器的2个声发射通道集成在一块标准的32位的PCI板卡上。金属支撑架11用于连接波导10和声发射传感器12，置于熔炉外，温度不超过150℃。前置放大器13置于传感器12附近，用于放大传感器的输出信号。

测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一：制备试验所需的试样薄片9；

步骤二：布置好冲杆2在夹持系统上面的位置，将波导10与试样薄片9、声发射传感器12分别连接，确保传输信号良好。

步骤三：利用熔炉14升温，在试验温度下通过载荷传感器1或悬臂梁15进行加载，使试样薄片9逐渐变形直至断裂，后停止声发射信号采集。

步骤四：将整个试验过程中通过声发射传感器12采集的声发射信号通过前置放大器13传输到电脑，进行数据处理。

本发明的优点是：

1.测量冲杆位移准确，能实时反应冲杆的位移以及试样薄片的变形。

2.声发射系统能实时监测试样薄片的裂纹，试验所得图像为试样薄片真正断裂处，从而使试验数据可靠，结果精确。

3.相比于传统小冲杆试验装置，该装置中的冲杆以及试样支撑台由陶瓷材料制成，可以尽可能地减少试验装置的高温损耗，且能够在更高温度下进行试验。

4.该装置结构小巧紧凑、耐高温腐蚀、高承压性能以及使用寿命长。

Claims (4)

1.一种基于声发射传感器的小冲杆试验系统，包括加载系统、夹持装置、声发射传感系统、悬梁臂和熔炉；其特征在于：所述加载系统包括载荷传感器、冲杆、线性可变差动变压器，所述载荷传感器与悬臂梁相连，两个所述线性可变差动变压器分别安装在冲杆两侧，所述载荷传感器通过圆柱连杆与冲杆相连，所述夹持装置包括上螺母、夹盘、销和试样支撑台，所述上螺母、夹盘和销位于熔炉内，试样薄片置于试样支撑台的样品座中，夹盘安装到试样薄片表面，所述夹盘通过销与试样支撑台固定，所述上螺母与试样支撑台连接用于夹紧试样薄片，所述声发射传感系统包括波导、声发射传感器、金属支撑架和前置放大器，所述波导放置于试样支撑台中的试样薄片下方，通过金属支撑架与声发射传感器相连接，所述声发射传感器收集到的声信号通过前置放大器放大。

2.根据权利要求1所述的基于声发射传感器的小冲杆试验系统，其特征在于：所述冲杆为半球形冲杆。

3.根据权利要求2所述的基于声发射传感器的小冲杆试验系统，其特征在于：所述上螺母的中心与试样薄片中心对齐，所述上螺母内螺纹与试样支撑台的外螺纹相吻合。

4.一种根据权利要求1-4中任意一项所述的基于声发射传感器的小冲杆试验系统，其试验方法包括以下步骤：

步骤一：制备试验所需的试样薄片；

步骤二：布置好冲杆在夹持系统上面的位置，将波导与试样薄片、声发射传感器分别连接，确保传输信号良好；

步骤三：利用熔炉升温，在试验温度下通过载荷传感器或悬臂梁进行加载，使试样薄片逐渐变形直至断裂，后停止声发射信号采集；

步骤四：将整个试验过程中通过声发射传感器采集的声发射信号通过前置放大器传输到电脑，进行数据处理。