CN108801877A - 一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，包括：首先取一定数量孔隙率已知的材料为样本，以断铅信号作为激励信号，采用不同类型接收传感器，利用双谱技术获得采集信号的谐波信息，获得单个样本不同接收传感器的谐波幅值衰减斜率；然后建立所有样本幅值衰减斜率与孔隙率之间的拟合方程；最后测出该批次待测材料的谐波幅值衰减斜率，并根据已建立的拟合方程，推算待测材料的孔隙率。本发明能在不破坏材料完整性的情况下对材料孔隙率做出较准确的评估，同时采用不同接收传感器测量激励信号在样本中的谐波幅值衰减率，减少了单一接收传感器检测产生的误差，提高了检测精度，是一种高效、准确的材料孔隙率无损检测新方法。
Description
技术领域
本发明属于材料无损检测领域，是一种基于双谱分析的复合材料孔隙率无损检测方法。
背景技术
复合材料具有良好的减磨和减振性能、抗氧化性、耐温高、热膨胀系数小等一系列优点，能够满足轻量化、长寿命和高可靠的特殊要求，已经成为航空航天及其他一些尖端技术领域不可缺少的材料。并且在民用工业方面也得到了广泛的运用，如汽车齿轮、活塞、连杆及体育用品。
孔隙是复合材料最常见的微小缺陷。孔隙的出现会降低材料的性能，如层间剪切强度、纵向和横向的弯曲强度和拉伸强度、抗疲劳性，以及高温下的抗氧化性能等。即使孔隙含量很小，也会对材料的寿命造成很大的影响。因此对材料孔隙率进行检测至关重要。传统的孔隙率检测方法如密度测量法、显微照相法，需要对材料进行破坏再检测，检测结果不精确，而且材料无法被继续使用。因此无论从经济性还是实用性角度考虑，传统的方法都是不可行的。孔隙率无损检测方法有如声阻抗法，所建立的孔隙率检测模型与实际孔隙率检测结果存在很大误差，同时只能针对特定材料进行检测，不同材料需要重新建立模型，而且建模过程繁琐，不利于工业领域的使用。本发明检测材料孔隙率无须建立孔隙率模型，直接根据样本建立衰减拟合方程，然后测出孔隙率。方便快捷、准确、效率高且不需要破坏材料。
发明内容
本发明一种基于双谱分析的复合材料孔隙率无损检测方法，克服了传统检测方法需破坏取样及工作量大等不足，提供一种基于双谱分析的复合材料孔隙率无损检测方法。
本发明一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法包括以下步骤：
(a)首先准备一定数量孔隙率已知的材料作为样本，由断铅模拟激励信号，利用双谱分析估计接收传感器所采集信号的谐波幅值，获得样本的谐波幅值的衰减率；
(b)建立每个样本材料不同接收传感器谐波频率的幅值衰减率，并进行直线拟合，获得每个样本材料的谐波幅值衰减斜率k；
(c)以样本为依据，建立该批次所有样本材料谐波幅值衰减斜率k与孔隙率之间的关系，采用直线拟合，获得所有样本材料孔隙率与k的衰减拟合方程；
(d)采用步骤(a)和(b)流程获得测出待测材料的谐波幅值衰减斜率k1，根据步骤(c)中获得的孔隙率与k的衰减拟合方程，从而得出待测材料的孔隙率。
本发明一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，克服了传统检测方法需破坏取样，会对被检测材料造成损伤的不足。采用不同接收传感器测量激励信号在样本中的谐波幅值衰减率，减少了单一接收传感器检测产生的误差，并利用双谱分析对采集信号进行处理，获得了谐波的幅值信息，有效的抑制了高斯背景噪声的影响，并提高了精度。同时，面对大批次的待检测材料，只需事先从中抽取数量合适的样本，建立材料孔隙率与幅值衰减斜率间的对应关系，根据此关系即可获得该批次所有待检测材料孔隙率，能够大幅提高检测效率，是一种高效的材料孔隙率无损检测方法。
附图说明
图1一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法流程图。
图2声发射传感器粘贴示意图。
图3试件1～3中谐波频率与谐波幅值衰减率对应关系图。
图4孔隙率与谐波幅值衰减斜率对应关系图。
图5试件4谐波频率与谐波幅值衰减率对应关系图。
具体实施方式
本发明一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法包括以下步骤：
一批孔隙率待检测材料，首先取一定数量孔隙率已知的材料作为样本，用断铅模拟激励信号，建立每个样本材料不同接收传感器谐波频率的幅值衰减率，获得每个样本材料的谐波幅值衰减斜率，然后建立所有样本材料谐波幅值衰减斜率与孔隙率之间的关系。测出该批次所有待检测材料的谐波幅值衰减斜率，并和已建立的谐波幅值衰减斜率与孔隙率之间的关系进行比对，进而推测出该批次全部材料的孔隙率。
以下结合具体实施例，对本发明一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法作进一步说明：
本实施例中的待测材料为一批复合材料，选取其中孔隙率为0.1％、2.22％、1.3％的材料作为样本，分别编号为试件1、试件2、试件3。同时选取试件4作为待检测材料，但在本实施例中为了便于将检测结果和真实值进行对比，以证明该一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法的有效性，试件4的孔隙率是已知的，为0.8％。本实施例中声发射信号采集系统为美国PAC公司的PCI-2系统及配套设备。如图2为声发射传感器粘贴示意图，S1～S4代表传感器1～4；S2～S4传感器的粘贴位置是在以S1为圆心，半径为14cm的圆弧上，同时S2～S4两两间隔为6cm。
(a)测量出声发射信号在试件1～4中的幅值衰减特性，并通过公式：α＝20lg(V1/Vm)换算成谐波幅值衰减率，用谐波幅值衰减率去描述幅值的衰减特性；V1为离断铅点最近的传感器S1所采集信号经双谱估计得到的谐波幅值，Vm为传感器Sm所采集信号经双谱估计得到的谐波幅值，m表示传感器的编号，该编号从2号开始，数量由接收传感器的数量决定。
(b)获得声发射信号在不同谐波频率处的幅值衰减率，并进行直线拟合，如图3所示，得出每个样本材料对应的谐波幅值衰减斜率即拟合直线的斜率。从图3可以看出试件1、试件2、试件3所对应的谐波幅值衰减斜率分别为k1＝-0.017，k2＝-0.023，k3＝-0.20。
(c)以谐波幅值衰减斜率为横坐标，以样本材料的孔隙率为纵坐标，在平面坐标中得出相应的点，再对其进行直线拟合，便得到了该批次材料的孔隙率与衰减斜率的对应关系，即：yn＝-3.5kn-0.058，kn为谐波幅值衰减斜率，yn为材料的孔隙率，如图4所示。由此便可在测得材料衰减斜率的情况下推断出该批次其他材料的孔隙率。
(d)测出该批次中待检测材料的衰减斜率即拟合直线的斜率k4＝-0.019，如图5所示；将其带入通过样本建立的谐波幅值衰减斜率与材料孔隙率的对应关系yn＝-3.5kn-0.058，得试件4的孔隙率为0.85％；该方法测得的材料的孔隙率0.85％与试件4真实值0.8％间的误差为0.05％。
通过本实施例可见，在一定的误差范围内，本发明能在不破坏材料完整性的情况下对材料孔隙率做出较准确的评估，克服了传统检测方法需破坏取样及工作量大等不足。采用不同接收传感器测量激励信号在样本中的谐波幅值衰减率，减少了单一接收传感器检测产生的误差，以及利用双谱分析对信号进行处理，有效的抑制了高斯背景噪声的影响，提高了精度，是一种高效、准确的材料孔隙率无损检测新方法。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明使用范围的限制。
Claims (5)
1.一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)首先准备一定数量孔隙率已知的材料作为样本，接收传感器采用不同型号的声发射传感器分开布置，由断铅模拟激励信号，利用双谱分析估计接收传感器所采集信号的谐波幅值，获得样本的谐波幅值的衰减率；
(b)建立每个样本材料不同接收传感器谐波频率的幅值衰减率，并进行直线拟合，获得每个样本材料的谐波幅值衰减斜率k；
(c)以样本为依据，建立该批次所有样本材料谐波幅值衰减斜率k与孔隙率之间的关系，采用直线拟合，获得所有样本材料孔隙率与k的衰减拟合方程；
(d)采用步骤(a)和(b)流程获得待测材料的谐波幅值衰减斜率k1，根据步骤(c)中获得的孔隙率与k的衰减拟合方程，从而得出待测材料的孔隙率。
2.如权利要求1所述一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，其特征在于，基于双谱分析获得谐波幅值的流程为：
(1)将采集到的有限观测数据{χ(1),...χ(N)}分成K段，每段数据有M点，即N＝KM；也可以重叠分段，即相邻数据段有一半重叠，即N＝2KM；
(2)除去每段数据的均值，必要的话对每段数据补零，便于进行FFT计算；
(3)第i段数据记为{χi(k)}(k＝1.2,…,M；i＝1,2,…,K),计算每段数据的傅里叶变换
(4)根据各段数据傅里叶变换的结果，分别求出它们的双谱估计，即
(5)根据各段数据双谱分析的结果，进行统计平均，得序列的双谱估计为
当ω1＝ω2＝n*f(n可取大于等于2的整数；f为接收传感器的谐振频率)时，即为谐波幅值。
3.如权利要求1所述一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，其特征在于，所述步骤(a)中的声发射设备，主要包括两种及以上不同类型的声发射传感器，凡士林耦合剂，Acoustic Emission软件，前置放大器；一个传感器采集激励信号，其他传感器作为接收传感器，均通过耦合剂与试件接触，接收传感器经过前置放大器与计算机相连。
4.如权利要求1和权利要求2所述一种基于双谱分析的复合材料孔隙率评估方法，其特征在于，谐波幅值衰减率的计算公式为:α＝20lg(V1/Vm)，式中：V1为传感器1所采集信号经双谱估计得到的谐波频率幅值，Vm为传感器m所采集信号经双谱估计得到的谐波频率幅值；离断铅点最近的为传感器1，m表示传感器的编号，该编号从2开始，数量由接收传感器的数量决定。
5.如权利要求1所述一种评估复合材料孔隙率的评估方法，其特征在于，所述选取样本的数量应依据该批次材料的总数量而定，样本越丰富得出的结果准确性越高，且所选样本材料孔隙率必须为已知或是其他方法已测出。
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