CN109085249A - 一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无损检测技术领域，公开了一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置设置有用于数据分析、运算信号处理模块；与信号处理模块连接，用于检测弱电磁声发射信号的声发射信号采集系统；与信号处理模块连接，用于对检测磁场强度的高斯计；所述声发射信号采集系统通过放大器与固定在导电缺陷材料板四角的传感器连接；所述高斯计与霍尔探针连接，所述霍尔探针设置在一组平行对应的电磁铁之间，所述的电磁铁通过导线和程控电流源相连。目前缺陷检测采用的声发射信号采集方法存在可靠性低、稳定性差、与被测材料之间有接触、对被测材料造成损伤等不足的问题。

Description

一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置。
背景技术
目前，金属合金材料因其抗拉强度高，疲劳强度好优良的焊接特点以及良好的耐磨性，抗腐蚀性，等诸多优点，而大量应用在建筑、航空，铁路，汽车，地铁等众多行业中。现代社会，各种金属结构体越来越复杂化，大型化，任何一个构件的微小缺陷都会对整个结构体产生难以估量的影响，所以需要各种工件性能达到更高的安全使用标准。因此在各种金属结构体正式使用之前，通过技术手段对其进行缺陷检测非常必要。将电磁加载作用在金属试样上，就会在损伤位置形成电荷积累，当这种积累达到某一值之后，产生的力就会引发声发射信号，通过声对发射信号进行分析处理，就可以对材料进行无损检测。声发射技术具有优选的时效性，声发射信号包含有大量的声发射源信息，研究声发射源就可以研判缺陷产生的过程，对于材料失稳具有重要意义。由于声发射信号典型特征是小信号瞬时突发，容易受到环境噪声的干扰。因此，采用合适的技术手段，既要保持声发射实时，动态检测的优势，又要避免由于信号微弱，采集环境造成的干扰，就显得尤为重要。本发明设计了新式非接触电磁加载方案，有效避免了接触带来的摩擦，振动等干扰信号。当前，随着科技技术的发展，由于导电材料抗拉强度高，疲劳强度好，优良的焊接特点以及良好的耐磨性，抗腐蚀性等诸多优点，而大量应用在建筑、航空，铁路，汽车，地铁等众多行业中。所以，任何微小缺陷都可能产生难以估量的影响。因此在各种金属结构体正式使用时，通过声发射技术对采集到的声发射信号进行分析并进行缺陷检测非常必要。目前缺陷检测采用的声发射信号采集方法主要是对被测试件加载应力，在载荷不断增加的过程中，引起声发射现象的同时对产生声发射信号进行实时采集。但是，载荷会使被检测试件产生不可恢复的损伤，同时对大型构件的整体施加应力还存在巨大的困难。同时，在声发射信号传播过程中由于融入应力加载设备的噪声的干扰信号，以及信号在材料边界不断散射和反射使信号发生畸变，从而降低了信号的真实可靠性。这就使采集到得信号可靠性低、稳定性差、对被测材料造成损伤等不足的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前缺陷检测采用的声发射信号采集方法存在可靠性低、稳定性差、与被测材料之间有接触、对被测材料造成损伤。
金属材料具有抗拉强度高、抗腐蚀、焊接性能良好等优点而被广泛使用在各行各业，由于生产过程的不严谨或疏忽，很可能导致材料内部的微小缺陷、裂纹，甚至有的缺陷材料外部和完整材料相同，加上各种金属结构体也越来越复杂化、大型化，使我们无法通过肉眼对缺陷直接识别，这就导致对复杂结构缺陷检测的困难。材料中任何一个微小的缺陷都可能对结构本身带来不可估量得的影响，所以在材料使用之前对其进行缺陷检测判断是否达到安全使用标准就显得尤为重要，对提高材料稳定可靠性、保障安全作业有着十分重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置。
本发明是这样实现的，一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置设置有：
用于数据分析、运算信号处理模块；
与信号处理模块连接，用于检测弱电磁声发射信号的声发射信号采集系统；
与信号处理模块连接，用于对检测磁场强度的高斯计；
所述声发射信号采集系统通过放大器与固定在导电缺陷材料板四角的传感器连接；
所述高斯计与霍尔探针连接，所述霍尔探针设置在一组平行对应的电磁铁之间，所述的电磁铁通过导线和程控电流源相连。
本发明的程控电流源通过和家庭用220V/50Hz-60Hz交流电源相连接，通过程控电流源将交流转变为直流，并对电流进行放大。放大的电流使电磁铁产生强磁场，将被测试样置于强磁场间，试样由于磁场的作用在内部能够产生信号。同时，高斯计能够对磁场的强度进行实时监测并显示强度大小，便于对磁场进行合理的调整。声发射传感器能够对信号进行感知并通过信号传输线传送给前置放大器，放大器能够对声发射信号进行放大之后进一步传递给声发射仪器，仪器可以完成信号的实时采集并存储。信号处理软件能够通过不同的信号处理方法对信号进行加工处理，最后利用处理后的信号判断材料是否存在缺陷以及存在何种缺陷。
进一步，所述程控电流源采用参数可控22A直流电源。
进一步，所述传感器采用SR800型传感器。
进一步，所述导电缺陷材料板为矩形板，具体尺寸为20cm×10cm×1cm。
进一步，所述导电缺陷材料板固定在支架上端。
本发明的另一目的在于提供一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置的金属合金材料检测方法，该检测方法包括以下步骤：
步骤一，程控电流源将驱动电磁铁工作产生强磁场。
步骤二，霍尔探针和高斯计采集显示磁场强度。
步骤三，导电缺陷材料板中通过电流。
步骤四，传感器将弱电磁声发射信号传递给放大器进行放大。
步骤五，声发射采集系统对进行放大之后的信号进行采集。
步骤六，数据线传输到电脑由声发射软件进行分析，并确定缺陷区域。
本发明的新型非接触式电磁声发射信号激励实验装置，电磁声发射(Electromagnetically Acoustic Emission简称EMAE)是新型的无损检测技术。通过对试样加载大电流或电磁加载，在金属试样表面产生涡流，电荷聚集在缺陷处，在电磁场的影响下产生Lorentz力，突破某一临界点就会导致形变发生，从而激发出声发射现象，可以利用仪器进行检测。伴随声发射信号分析、处理技术的巨大进展，基本可以达到通过检测损伤试样对声、电、磁等的反应，来评价其内部和表面缺陷的存在情况及其危害程度的功能；通过电磁加载研究其突变点、能量、位置等重要信息已经是未来发展的必然方向。电磁声发射的突出特点就是，信号激发时间短，系统搭建容易，操作方便，被测导电缺陷材料板不与磁极相互接触，采集到的声发射信号稳定可靠。本发明的参数可调，具体包括采样长度，参数间隔，锁闭时间，峰值间隔等；具有丰富的信号分析功能，能对信号进行时域分析、频域分析、波形分析、振铃计数分析；能够借此在不对材料产生任何损伤的情况下找到缺陷材料和完整材料之间的信号特征，便于准确识别缺陷材料。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新型非接触式电磁声发射信号激励实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的新型非接触式电磁声发射信号激励实验装置的金属合金材料检测方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的完整铝板试样示意图；
图4是本发明实施例提供的缺陷(圆孔裂纹)铝板试样示意图；
图中：1、电磁铁；2、程控电流源；3、声发射信号采集系统；4、高斯计；5、放大器；6、霍尔探针；7、传感器；8、支架；9、导电缺陷材料板；10、信号处理模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置包括：
用于数据分析、运算信号处理模块10；
与信号处理模块10连接，用于检测弱电磁声发射信号的声发射信号采集系统3；
与信号处理模块10连接，用于对检测磁场强度的高斯计4；
声发射信号采集系统3通过放大器5与固定在导电缺陷材料板9四角的传感器7连接；
高斯计4与霍尔探针6连接，霍尔探针6设置在一组平行对应的电磁铁1之间，电磁铁1通过导线和程控电流源2相连。
作为本发明的优选实施例，程控电流源2采用参数可控22A直流电源。
作为本发明的优选实施例，传感器7采用SR800型传感器。
作为本发明的优选实施例，所述导电缺陷材料板9为矩形板，具体尺寸为20cm×10cm×1cm。
作为本发明的优选实施例，所述导电缺陷材料板9固定在支架8上端。
如图2所示，本发明新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置的金属合金材料检测方法，该检测方法包括以下步骤：
S101：程控电流源将驱动电磁铁工作产生强磁场。
S102：霍尔探针和高斯计采集显示磁场强度。
S103：导电缺陷材料板中通过电流。
S104：传感器将弱电磁声发射信号传递给放大器进行放大。
S105：声发射采集系统对进行放大之后的信号进行采集。
S106：数据线传输到电脑由声发射软件进行分析，并确定缺陷区域。
本发明工作时，程控电流源2将驱动电磁铁1工作产生强磁场，霍尔探针6和高斯计4将采集显示磁场强度，由于电磁-应力耦合，导电缺陷材料板9中将有电流通过，电流将在缺陷处产生集中现象，尤其是裂缝型缺陷的尖端，对导电部件进行电磁加载，产生洛伦兹力进而激发声发射效应产生声发射信号，此时，传感器7将弱电磁声发射信号传递给放大器5进行放大，声发射采集系统3对进行放大之后的信号进行采集，最后通过数据线传输到电脑由信号处理模块10进行分析。
声发射软件界面设计简洁，操作方便，具有任意参数滤波器窗口设置，提高了信号真实可靠性。能够进行波形参数采集，实时显示波形，同时能够对采集到的信号进行FFT，诸多在时域不能发现的问题通过频域变换后都能够准确呈现，利用频谱图能够找到相应特征，根据不同的特征来区分材料的完整性。除此之外，结合参数表、相关图，利用传感器之间时差实现声发射平面定位。
下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。
试件在电磁加载的过程当中，突破临界值，产生形变，激发机械波信号，并随着加载继续，产生足够大的力，引发裂缝扩大，此时已经严重影响到材料的性能，严重可能危机工程安全。电磁垂直加载在试样的缺陷处，在试样的缺陷周围形成涡流，电荷会在缺陷缝隙处积聚，并在超过某个临界值的时候产生弹性形变甚至是塑形形变，裂纹扩大，激发出声发射的现象。
试件在电磁加载条件下由于形变产生机械波，从力学角度去看，在弹性力学知弹性体的应变-位移之间的关系为：
其中，εij、ui分别对应为应变分量和位移分量。
考虑加速度和惯性力。(ρ弹性体的密度)：
其中，fi为单位体积物体所受的力。
根据广义虎克定律：
σij＝λeδij+2Gεij (3)
其中，λ为lame常数；G为剪切弹性模量。
e＝ε11+ε12+ε13 (4)
将方程(1)和(3)带入(2)，即可得到各向同性弹性体的运动方程：
从力学角度可以看出，电磁加载在试件上是可以产生声发射信号的。其原理与其他声发射信号最大的差异是需要在缺陷试样上通加大电流或，者是在缺陷的试样通过各种手段加载电磁场。
从本质上来说这是一个电磁-涡流-力-形变的一个过程。假设磁场为稳定标准磁场有：
其中Hd是交变磁场强度；Jf是传导电流密度。
介质方程：
式中，B是磁感应强度；是磁感率。
式中，B是磁感应强度，由Bd与外部提供的静磁场Bs，叠加而成，其表达式为：
B＝Bs+Bd (9)
根据电磁感应定理，交变磁场会感应产生电场：
Je＝σE (11)
式(11)中，E是交变磁场感应的电场；Je是涡流密度；σ是电导率。
金属试样中的涡流Je会在交变磁场和静磁场的作用下产生力：
F＝Je*B＝Je*(Bs+Bd) (12)
其中F也是激发声发射的载荷力，各向同性弹性介质中声波的传输方程为：
式中C是材料的弹性模量，μ是泊松比，其中，m是材料的密度；u是位移(形变)。
电磁体的电感量计算公式：
上式中，D为线圈直径；N为线圈的匝数；C为线圈的长度。
激励的电流为：
其中：I为电磁激励电流；w为激励电流角频率；U为电磁激励电压。
由于电磁加载与试件垂直放置，距离很小，设定磁场只在垂直方向分布，由于在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，闭合环路所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，有：
Hz∝NI (16)
综合上面的公式可以得出：
说明涡流与磁场强度是正相关的关系。
结合声发射理论，运用CH-1500型全数字高斯计/特斯拉计，SAEU2S数字采集系统，程控电流源，传感器，电磁铁设备搭建得新型非接触式电磁声发射信号激励实验装置，本次实验装置为铝板(国标1060)，完整和模拟缺陷(圆孔裂纹)各一块，尺寸为400mm*900mm*1mm。
为了验证装置激励声发射信号的真实可靠性，根据搭建好的装置，为了降低外部环境对声发射信号的影响，实验前将设备调试好之后，打开声发射软件设置好参数。打开程控电流源开关，观察电磁铁磁场强度，逐步增加电流大小，使其磁场强度逐渐升高，在磁场强度升高的过程中观察发现软件中有声发射数据到来，即产生了声发射信号，进一步验证了该装置激励声发射信号的可行性。并分析发现完整和缺陷试样波形有所不同，具体如图3和图4。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，其特征在于，所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置设置有：
用于数据分析、运算信号处理模块；
与信号处理模块连接，用于检测弱电磁声发射信号的声发射信号采集系统；
与信号处理模块连接，用于对检测磁场强度的高斯计；
所述声发射信号采集系统通过放大器与固定在导电缺陷材料板四角的传感器连接；
所述高斯计与霍尔探针连接，所述霍尔探针设置在一组平行对应的电磁铁之间，所述的电磁铁通过导线和程控电流源相连。
2.如权利要求1所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，其特征在于，所述程控电流源采用参数可控22A直流电源。
3.如权利要求1所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，其特征在于，所述传感器采用SR800型传感器。
4.如权利要求1所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，其特征在于，所述导电缺陷材料板为矩形板，具体尺寸为20cm×10cm×1cm。
5.如权利要求1所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置，其特征在于，所述导电缺陷材料板固定在支架上端。
6.如权利要求1所述新型非接触式电磁声发射信号激励的实验装置的金属合金材料检测方法，其特征在于，所述金属合金材料检测方法包括以下步骤：
步骤一，程控电流源将驱动电磁铁工作产生强磁场；
步骤二，霍尔探针和高斯计采集显示磁场强度；
步骤三，导电缺陷材料板中通过电流；
步骤四，传感器将弱电磁声发射信号传递给放大器进行放大；
步骤五，声发射采集系统对进行放大之后的信号进行采集；
步骤六，数据线传输到电脑由声发射软件进行分析，并确定缺陷区域。
7.如权利要求6所述的金属合金材料检测方法，其特征在于，所述金属合金材料检测方法包括以下步骤：程控电流源通过和家庭用220V/50Hz-60Hz交流电源相连接，通过程控电流源将交流转变为直流，并对电流进行放大；放大的电流使电磁铁产生强磁场，将被测试样置于强磁场间，试样由于磁场的作用在内部能够产生信号；同时，高斯计能够对磁场的强度进行实时监测并显示强度大小；声发射传感器能够对信号进行感知并通过信号传输线传送给前置放大器，放大器能够对声发射信号进行放大之后进一步传递给声发射仪器，仪器完成信号的实时采集并存储；信号处理软件能够通过不同的信号处理方法对信号进行加工处理，最后利用处理后的信号判断材料是否存在缺陷以及存在何种缺陷。
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