CN110133114A - 一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，包括声发射信号采集系统、至少两个前置放大器、温度控制箱、楔形固体结构及至少两个压电陶瓷声发射换能器。本发明的测试装置可表征出不同温度下固体应力波传播速率，并克服传统超声波波速测试的技术缺陷。

Description

一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置及方法
技术领域
本发明涉及固体材料超声波测试技术领域，特别涉及一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置及方法。
背景技术
航空航天、武器系统等领域的某些固体材料服役于宽温域环境，如何在宽温域下监测材料的损伤破坏并获得高精度的损伤定位信息尤为重要。在宽温域环境下，温度加载不仅会加速材料的损伤破坏，还会改变固体应力波传播速率，仅用唯一波速计算损伤源位置在宽温域条件下是行不通的。因此，需要建立一种适用于宽温域固体应力波传播速率的测试装置和方法，寻找出波速与温度之间的关系。但目前多数的波速测试方法基于超声波无损检测，不适用于变温环境的波速测试。而应用于监测固体材料损伤破坏的声发射监测方法具有自动激励和接收超声信号功能，用于表征宽温域下的固体波速具有一定潜力。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置及方法，可表征出不同温度下固体应力波传播速率，并克服传统超声波波速测试的技术缺陷。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，包括声发射信号采集系统、至少两个前置放大器、温度控制箱、楔形固体结构及至少两个压电陶瓷声发射换能器；所述压电陶瓷声发射换能器安装于楔形固体结构上，楔形固体结构采用与待测材料相同的材料制成，且所有压电陶瓷声发射换能器的中心位于楔形固体结构的同一高度，楔形固体结构安装于温度控制箱内，前置放大器与压电陶瓷声发射换能器一一对应并通过信号线连接，前置放大器与声发射信号采集系统通过信号线连接；其中，声发射信号采集系统可采用现有的具有声发射激励功能的声发射信号采集系统，其不仅能作为超声信号发生器，发射特定的脉冲信号，而且还能以微秒级高速响应声发射信号，且在使用时，选择合适的脉冲信号在一定程度上能提高信噪比，接收到保真的声发射信号；前置放大器则用于接收来自压电陶瓷声发射换能器感受到的模拟电压信号，并向声发射信号采集系统输出放大后的模拟电压信号；温度控制箱是可实现宽温域环境的装置，能实时调控材料所处的环境温度；具有升降温和保温功能，且优选温度精度达0.1℃；将待测材料制成楔形体结构还可实现测量不同材料厚度时的固体应力波传播速率，压电陶瓷声发射换能器则是一种集发射和接收信号功能为一体的器件，因此，可设定至少一个压电陶瓷声发射换能器作为发射端，至少一个压电陶瓷声发射换能器作为接收端。
进一步地，所述压电陶瓷声发射换能器及前置放大器的数量均为两个，即使用两个相同型号的压电陶瓷声发射换能器，采用单端发射、单端接收的测试方法。
进一步地，所述两个压电陶瓷声发射换能器安装于楔形固体结构上的间隔距离至少为60mm。
进一步地，考虑到压电陶瓷声发射换能器距离楔形固体结构边缘太近会造成信号混叠，所述两个压电陶瓷声发射换能器距离楔形固体结构的边缘的距离不小于20mm。
进一步地，所述声发射信号采集系统中设置脉冲个数为5个、脉冲宽度为5μs、脉冲间隔时间为1000ms、采样频率为10MHz，可使得监测到的声发射信号更真实。
同时，本发明还公开了一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，由上述的适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置实现，且具体包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装并启动压电陶瓷声发射换能器、前置放大器、温度控制箱、声发射信号采集系统，并通过温度控制箱设定当前温度控制箱内的温度为A1摄氏度；
B.设定两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S1毫米，并当温度控制箱内的温度恒定在A1摄氏度m分钟后，由声发射信号采集系统记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统记录的信号接收时间为tj1；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx1；声发射信号采集系统记录的信号发射时间为tf1；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx1；则在两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S1毫米时，固体应力波的传播时间为t1：t1＝(tj1+tjx1)-(tf1+tfx1)；其中，S1不小于60mm；
C.设定两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S2毫米，且S2＝S1+a，由声发射信号采集系统记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统记录的信号接收时间为tj2；接收波形前端微弱电压信号持续时间为tjx2；声发射信号采集系统记录的信号发射时间为tf2；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx2；则在两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S2毫米时，固体应力波的传播时间为t2：t2＝(tj2+tjx2)-(tf2+tfx2)；
D.重复步骤C，采集温度控制箱内的温度恒定在A1摄氏度且两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为Si毫米时，固体应力波的传播时间ti：ti＝(tji+tjxi)-(tfi+tfxi)；其中，tji为声发射信号采集系统记录的信号接收时间；tjxi为接收波形前端微弱电压信号持续时间；tfi为声发射信号采集系统记录的信号发射时间；tfxi为发射波形前端微弱电压信号持续时间；
E.以Si为纵坐标，ti为横坐标描绘散点图，并利用最小二乘法拟合出温度为A1摄氏度时以固体应力波传播速率v为斜率的一元线性方程：Si＝v(ti-ts)，其中ts为声发射信号采集系统的激励与接收电路存在的固有的时间误差；
则通过上述步骤即可测量在特定温度下的某材料的固体应力波传播速率，且本发明的技术方案中进一步考虑了声发射信号采集系统记录激励时间和接收时间时是以信号超过门槛值为时间起始，与真实的时间存在误差的问题，本申请中将针对门槛值造成的信号误差通过人工修正，即将系统记录的激励时间和接收时间分别加上波形前端微弱电压信号持续时间，即本申请中两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为Si毫米时，固体应力波的传播时间ti：ti＝(tji+tjxi)-(tfi+tfxi)；同时，为了进一步提升本发明的计算的准确性，本申请中还考虑到了声发射信号采集系统的激励与接收电路存在的固有的时间误差ts将导致上述步骤D中计算的ti不准确，因此，本申请的步骤E中具体是采用最小二乘法计算固体应力波传播速率，从而抵消固有时间误差，即通过固体应力波传播速率的计算公式拟合出以时间t为横坐标，距离S为纵坐标的一元线性方程，则斜率即为待求的固体应力波传播速率。
进一步地，两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离Si＝S1+20(i-1)，i＝1，…n；且Si单位为毫米，即测量时可采用每20mm作为一个间隔，实际中也可根据具体情况设定其他的间隔值。
进一步地，还包括步骤F：分别重复步骤A至E计算温度控制箱内的温度每升高n摄氏度时固体应力波传播速率v，如可测定在-50摄氏度到80摄氏度区间，每升高n摄氏度时，固体应力波传播速率，且通过试验可以得出，固体应力波传播速率随温度的变化规律为：在一定温度范围内，波速随温度的增加而减小。
进一步地，n等于5，即每5摄氏度为一个测试点。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明的适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置及方法，不仅为基于声发射的波速测试提供了一种精确的测量装置及计算方法，而且为固体材料宽温域损伤定位下的波速测试提供了可靠的测试装置与方法，能表征出不同温度下固体应力波传播速率，并克服传统超声波波速测试的技术缺陷。
附图说明
图1是本发明的适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置的示意图。
图2为本发明的一个实施例中在20摄氏度下拟合的固体应力波传播速率v的示意图。
图3为本发明的一个实施例中在20摄氏度到70摄氏度范围内固体应力波传播速率随温度的变化示意图。
附图标记：1-声发射信号采集系统，2-前置放大器，3-温度控制箱，4-压电陶瓷声发射换能器，5-楔形固体结构。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
实施例一：
如图1所示，一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，包括声发射信号采集系统1、两个前置放大器2、温度控制箱3、楔形固体结构5及两个压电陶瓷声发射换能器4。
所述压电陶瓷声发射换能器4安装于楔形固体结构5上，如本实施例中采用粘接剂将压电陶瓷声发射换能器4粘接于楔形固体结构5上，实际中，还可采用其他稳固的连接方式，楔形固体结构5采用与待测材料相同的材料制成，且所有压电陶瓷声发射换能器4的中心位于楔形固体结构5的同一高度，楔形固体结构5安装于温度控制箱3内，前置放大器2与压电陶瓷声发射换能器4一一对应并通过信号线连接，前置放大器2与声发射信号采集系统1通过信号线连接。
其中，声发射信号采集系统1可采用现有的具有声发射激励功能的声发射信号采集系统1，内置AST测试功能，其不仅能作为超声信号发生器，发射特定的脉冲信号，而且还能以微秒级高速响应声发射信号，且在使用时，选择合适的脉冲信号在一定程度上能提高信噪比，接收到保真的声发射信号；具体的，本实施例中的声发射信号采集系统1的型号为：Express8@Physical Acoustics Corporation。
作为优选，本实施例中，在声发射信号采集系统1中设置脉冲个数为5个、脉冲宽度为5μs、脉冲间隔时间为1000ms、采样频率为10MHz，可使得监测到的声发射信号更真实。
前置放大器2则用于接收来自压电陶瓷声发射换能器4感受到的模拟电压信号，并向声发射信号采集系统1输出放大后的模拟电压信号；现有技术中有多种前置放大器2产品均可满足使用需求，且具体的，本实施例中的前置放大器2的型号为：2/4/6@PhysicalAcoustics Corporation。
温度控制箱3是可实现宽温域环境的装置，能实时调控材料所处的环境温度；具有升降温和保温功能，且优选温度精度达0.1℃；现有技术具有多种规格及型号的温度控制箱3，可根据具体实验需求，选择满足温度测量需求及精度控制需求的温度控制箱3即可，本实施例中的温度控制箱3可提供-60摄氏度至100摄氏度的温度区间，具体的，本实施例中的温度控制箱3的型号为：SH662@ESPEC。
压电陶瓷声发射换能器4则是一种集发射和接收信号功能为一体的器件，本实施例中，使用两个相同型号的压电陶瓷声发射换能器4，采用单端发射、单端接收的测试方法。具体的，本实施例中的压电陶瓷声发射换能器4的型号为：Nano30@Physical AcousticsCorporation。
具体的，本实施例中，楔形固体结构5的最小厚度为30mm，最大厚度为40mm，长度为200mm，两个压电陶瓷声发射换能器4的中心位于楔形固体结构5的35mm高度处，且两个压电陶瓷声发射换能器4安装于楔形固体结构5上的中心间隔距离至少为60mm，同时，考虑到压电陶瓷声发射换能器4距离楔形固体结构5边缘太近会造成信号混叠，本实施例中所述两个压电陶瓷声发射换能器4安装于楔形固体结构5上的中心间隔距离不超过160mm，且压电陶瓷声发射换能器4的中心距离楔形固体结构5的边缘的距离不小于20mm。
实施二
一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，由上述的适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置实现，本实施例中，将具体测量在20摄氏度至70摄氏度区间的固体应力波传播速率，具体包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装并启动压电陶瓷声发射换能器4、前置放大器2、温度控制箱3、声发射信号采集系统1，并通过温度控制箱3设定当前温度控制箱3内的温度为20摄氏度；
B.设定两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离为60毫米，并当温度控制箱3内的温度恒定在20摄氏度5分钟后，由声发射信号采集系统1记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器4的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统1采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统1记录的信号接收时间为tj1；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx1；声发射信号采集系统1记录的信号发射时间为tf1；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx1；则在温度为20摄氏度时，且在两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离为60毫米时，固体应力波的传播时间为t1：t1＝(tj1+tjx1)-(tf1+tfx1)，本实施例中的t1＝7.6μs；
C.设定两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离为80毫米，由声发射信号采集系统1记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器4的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统1采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统1记录的信号接收时间为tj2；接收波形前端微弱电压信号持续时间为tjx2；声发射信号采集系统1记录的信号发射时间为tf2；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx2；则在温度为20摄氏度时，且两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离为80毫米时，固体应力波的传播时间为t2：t2＝(tj2+tjx2)-(tf2+tfx2)＝14.45μs；
D.重复上述步骤采集温度控制箱3内的温度恒定在20摄氏度且两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离分别为100mm、120mm、140mm、160mm时，固体应力波的传播时间ti：ti＝(tji+tjxi)-(tfi+tfxi)；其中，i依次对应为3、4、5、6；tji为声发射信号采集系统1记录的信号接收时间；tjxi为接收波形前端微弱电压信号持续时间；tfi为声发射信号采集系统1记录的信号发射时间；tfxi为发射波形前端微弱电压信号持续时间；
E.以Si为纵坐标，ti为横坐标描绘散点图，并利用最小二乘法拟合出温度为20摄氏度时以固体应力波传播速率v为斜率的一元线性方程：Si＝v(ti-ts)，其中ts为声发射信号采集系统的激励与接收电路存在的固有的时间误差；且如图2所示为本实施例中的在20摄氏度下拟合的固体应力波传播速率v的示意图。其具体的拟合方程为：Si＝2.924(ti+12.8)；即20摄氏度下拟合的固体应力波传播速率v＝2.924km/s，声发射信号采集系统的激励与接收电路存在的固有的时间误差ts为-12.8μs；
F.重复步骤A至E，分别设定温度控制箱3内的温度为25摄氏度、30摄氏度、35摄氏度至70摄氏度时的固体应力波传播速率；其中，需要说明的是测试温度环境不局限与20摄氏度到70摄氏度，实际中测试温度范围可达到-50摄氏度到80摄氏度。具体的，如图3所示为本实施例中，在20摄氏度到70摄氏度范围内固体应力波传播速率随温度的变化示意，可得出固体应力波传播速率随温度的变化规律为：随着温度的增加波速是逐渐减小的。
由上可知，本发明的技术方案中进一步考虑了声发射信号采集系统1记录激励时间和接收时间时是以信号超过门槛值为时间起始，与真实的时间存在误差的问题，本申请中将针对门槛值造成的信号误差通过人工修正，即将系统记录的激励时间和接收时间分别加上波形前端微弱电压信号持续时间，即本申请中两个压电陶瓷声发射换能器4之间的间隔距离为Si毫米时，固体应力波的传播时间ti：ti＝(tji+tjxi)-(tfi+tfxi)；同时，为了进一步提升本发明的计算的准确性，本申请中还考虑到了声发射信号采集系统1的的激励与接收电路存在的固有的时间误差将导致上述步骤D中计算的ti不准确，因此，本申请的步骤E中具体是采用最小二乘法计算固体应力波传播速率，从而抵消固有时间误差，即通过固体应力波传播速率的计算公式拟合出以时间t为横坐标，距离S为纵坐标的一元线性方程，则斜率即为待求的固体应力波传播速率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，其特征在于，包括声发射信号采集系统、至少两个前置放大器、温度控制箱、楔形固体结构及至少两个压电陶瓷声发射换能器；
所述压电陶瓷声发射换能器安装于楔形固体结构上，楔形固体结构采用与待测材料相同的材料制成，且所有压电陶瓷声发射换能器的中心位于楔形固体结构的同一高度，楔形固体结构安装于温度控制箱内，前置放大器与压电陶瓷声发射换能器一一对应并通过信号线连接，前置放大器与声发射信号采集系统通过信号线连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，其特征在于，所述压电陶瓷声发射换能器及前置放大器的数量均为两个。
3.根据权利要求2所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，其特征在于，所述两个压电陶瓷声发射换能器安装于楔形固体结构上的间隔距离至少为60mm。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，其特征在于，所述两个压电陶瓷声发射换能器距离楔形固体结构的边缘的距离不小于20mm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置，其特征在于，所述声发射信号采集系统中设置脉冲个数为5个、脉冲宽度为5μs、脉冲间隔时间为1000ms、采样频率为10MHz。
6.一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，其特征在于，由权利要求2至5中任一所述的适用于宽温域的固体应力波传播速率测试装置实现，且具体包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装并启动压电陶瓷声发射换能器、前置放大器、温度控制箱、声发射信号采集系统，并通过温度控制箱设定当前温度控制箱内的温度为A1摄氏度；
B.设定两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S1毫米，并当温度控制箱内的温度恒定在A1摄氏度m分钟后，由声发射信号采集系统记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统记录的信号接收时间为tj1；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx1；声发射信号采集系统记录的信号发射时间为tf1；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx1；则在两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S1毫米时，固体应力波的传播时间为t1：t1＝(tj1+tjx1)-(tf1+tfx1)；其中，S1不小于60mm；
C.设定两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S2毫米，由声发射信号采集系统记录当前温度及当前间隔距离下压电陶瓷声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集系统采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集系统记录的信号接收时间为tj2；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx2；声发射信号采集系统记录的信号发射时间为tf2；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx2；则在两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为S2毫米时，固体应力波的传播时间为t2：t2＝(tj2+tjx2)-(tf2+tfx2)；
D.重复步骤C，采集温度控制箱内的温度恒定在A1摄氏度且两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离为Si毫米时，固体应力波的传播时间ti：ti＝(tji+tjxi)-(tfi+tfxi)；其中，tji为声发射信号采集系统记录的信号接收时间；tjxi为接收波形前端微弱电压信号持续时间；tfi为声发射信号采集系统记录的信号发射时间；tfxi为发射波形前端微弱电压信号持续时间；
E.以Si为纵坐标，ti为横坐标描绘散点图，并利用最小二乘法拟合出温度为A1摄氏度时以固体应力波传播速率v为斜率的一元线性方程：Si＝v(ti-ts)，其中ts为声发射信号采集系统的激励与接收电路存在的固有的时间误差。
7.根据权利要求6所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，其特征在于，两个压电陶瓷声发射换能器之间的间隔距离Si＝S1+20(i-1)，i＝1，…n；且Si单位为毫米。
8.根据权利要求6所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，其特征在于，还包括步骤F：分别重复步骤A至E计算温度控制箱内的温度每升高n摄氏度时固体应力波传播速率v。
9.根据权利要求8所述的一种适用于宽温域的固体应力波传播速率测试方法，其特征在于，n等于5。
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