CN110161126B - 适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置及方法 - 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幅值衰减系数测试装置，包括声发射信号采集系统、温度控制箱、平板型结构体、至少两个声发射换能器及至少两个前置放大器；声发射换能器安装于平板型结构体上且位于平板型结构体的同一宽度位置，平板型结构体与待测损伤固体结构的材料相同，平板型结构体安装于温度控制箱内，前置放大器与声发射换能器及声发射信号采集系统通信连接。本发明的利用声发射技术监测宽温域固体应力波幅值衰减规律，实现求取声发射换能器在不同温度下的应力波幅值衰减系数，从而反映出该声发射换能器的应力波在宽温域条件下的衰减规律，为选择合适的声发射换能器进行损伤定位提供了可靠的依据。
Description
技术领域
本发明涉及固体材料应力波传播规律测试技术领域，特别涉及一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置及方法。
背景技术
应力波在固体材料中的幅值衰减规律关系着损伤定位中确定传感器可监测信号的距离范围，应力波的幅值衰减程度较大可能导致监测不到损伤信号，难以进行损伤定位。对于宽温域服役的固体材料，其粘度、密度等物理性质会随着温度的升高而发生变化，会加大应力波的幅值衰减，对高温下的损伤定位造成一定困难。但目前应力波的衰减机制很复杂，尤其对于宽温域环境，只能通过实验测得，而大部分的实验测试装置受到温度限制不能应用于宽温域环境。
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幅值衰减系数测试装置及方法，利用声发射技术监测宽温域固体应力波幅值衰减规律，实现求取声发射换能器在不同温度下的应力波幅值衰减系数，从而反映出该声发射换能器的应力波在宽温域条件下的衰减规律，为选择合适的声发射换能器进行损伤定位提供了可靠的依据。
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幅值衰减系数测试装置，包括声发射信号采集系统、温度控制箱、平板型结构体、至少两个声发射换能器及至少两个前置放大器；所述声发射换能器安装于平板型结构体上且位于平板型结构体的同一宽度位置，平板型结构体与待测损伤固体结构的材料相同，平板型结构体安装于温度控制箱内，前置放大器与声发射换能器一一对应并通信连接，前置放大器与声发射信号采集系统通信连接。
进一步地，所述声发射换能器及前置放大器的数量均为两个。
进一步地，两个声发射换能器之间的距离x需要同时满足以下条件：x≥2λ、x＞tsv；其中，λ为声发射换能器发射的应力波的波长，单位：mm，ts为声发射信号采集系统的激励与接收电路固有时间误差，单位：μs；v为声发射换能器发射的应力波在平板型结构体中传播的波速，单位：km/s。
进一步地，所述声发射换能器的带宽在100kHz～800kHz区间内。
进一步地，所述平板型结构体的厚度大于10mm，长度大于100mm。
进一步地，所述声发射换能器距离平板型结构体的边缘的距离不小于20mm，且所述声发射换能器的中心位于平板型结构体宽度方向的1/2处。
进一步地，所述声发射信号采集系统的脉冲宽度为5μs，发射电压为10V的脉冲信号并采用10MHz的采样频率。
同时，本发明还公开了一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，由上述的适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置实现，且包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装，并启动温度控制箱，通过温度控制箱控制温度控制箱内的温度为T1摄氏度；其中，两个声发射换能器之间间隔x1mm；
B.启动声发射信号采集系统、声发射换能器及前置放大器，由声发射信号采集系统采集当前试验条件下两个声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的波形，并绘制激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图，记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离x1mm时的激发应力波信号的最大幅值A01和接收应力波的最大幅值A1；
C.设置两个声发射换能器之间间距为x2＝(x1+b)mm,重复步骤B，并记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离x2mm时的激发应力波信号的最大幅值A02和接收应力波的最大幅值A2；
D.重复步骤C，采集温度控制箱内的温度恒定在T1摄氏度且两个声发射换能器之间的间隔距离为xi毫米时，i＝3，…n,记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离ximm时的激发应力波信号的最大幅值A0i和接收应力波的最大幅值Ai；
E.根据公式ln(A/A0)＝-αx，以ln(Ai/A0i)为纵坐标，xi为横坐标，利用最小二乘法拟合出温度为T1摄氏度时以α为斜率的一元线性方程，所得方程的斜率即为固体应力波幅值衰减系数α。
进一步地，还包括步骤F：通过温度控制箱控制温度控制箱内的温度为Ti摄氏度，i＝2，…m；重复步骤A至E，即可确定在温度为Ti摄氏度时，固体应力波的幅值衰减系数αi。
进一步地，n不小于5、和/或T1为-50摄氏度，Tm为80摄氏度。
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幅值衰减系数测试装置及方法，利用声发射技术监测宽温域固体应力波幅值衰减规律，实现求取声发射换能器在不同温度下的应力波幅值衰减系数，从而反映出该声发射换能器的应力波在宽温域条件下的衰减规律，为选择合适的声发射换能器进行损伤定位提供了可靠的依据。
附图说明
图1是本发明的适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置的示意图。
图2是本发明的一个实施例中由声发射信号采集系统绘制的激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图示意图。
图3为本发明的一个实施例中测量应力波在平板型结构体中传播的波速的装置的示意图。
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-声发射换能器，5-平板型结构体，11-声发射信号采集装置，12-前置放大装置，13-平板型结构装置，14-压电陶瓷声发射换能装置。
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幅值衰减系数测试装置，包括声发射信号采集系统1、温度控制箱3、平板型结构体5、至少两个声发射换能器4及至少两个前置放大器2；其中，至少一个声发射换能器4作为发射端，至少一个声发射换能器4作为接收端。
本实施例中具体采用两个相同型号的声发射换能器4及两个前置放大器2，两个所述声发射换能器4安装于平板型结构体5上且位于平板型结构体5的同一宽度位置，平板型结构体5与待测损伤固体结构的材料相同，平板型结构体5安装于温度控制箱3内，前置放大器2与声发射换能器4一一对应并通信连接，前置放大器2与声发射信号采集系统1通信连接，本实施例中，前置放大器2与声发射换能器4通过信号线连接，前置放大器2与声发射信号采集系统1也通过信号线连接。
其中，在本实施例中，声发射换能器4同时具有发射和接收声发射应力波信号的功能，且本实施例中是通过单端发射、单端接收方法进行测试，声发射换能器4带宽要求在100kHz～800kHz之间，现有的声发射换能器4即满足使用需求，且本实施例中，采用的声发射换能器4型号为：Nano30@Physical Acoustics Corporation。
同时，本实施例中，温度控制箱3是用于实现宽温域环境的装置，能实时声发射换能器4及平板型结构体5所处的环境温度，具有升降温和保温功能，且温度精度达0.1℃；前置放大器2则用于接收到来自声发射换能器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，本实施例中，采用的前置放大器2型号为：2/4/6@Physical Acoustics Corporation。
声发射信号采集系统1中内置AST测试功能，不仅能作为超声信号发生器，还发射特定的脉冲信号,而且能以微秒级高速响应声发射信号，同时，声发射信号采集系统1还可采集两个声发射换能器4在不同间隔距离，不同温度下的脉冲激发信号和接收信号的波形，并绘制激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图，如图2a所示即为典型的激发的应力波信号波形图，图2b为典型的接收的应力波信号波形图。其中，通过激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图可分别读取激发信号和接收信号的最大振幅A、A0用于之后应力波幅值衰减系数的计算，具体的，本实施例中设置声发射信号采集系统1的脉冲宽度为5μs，发射电压为10V的脉冲信号并采用10MHz的采样频率，从而使得监测到的声发射信号更真实，现有的声发射信号采集系统1即满足使用需求，且本实施例中，采用的声发射信号采集系统1型号为：Express8@Physical Acoustics Corporation。
本实施例中，所述平板型结构体5的厚度大于10mm，长度大于100mm。且所述声发射换能器4距离平板型结构体5的边缘的距离不小于20mm，且所述声发射换能器4的中心位于平板型结构体5宽度方向的1/2处。
具体的，本实施例中，两个声发射换能器4具体是通过粘接剂粘接固定于平板型结构体5上，且两个声发射换能器4在平板型结构体5上的间隔距离x需要同时满足以下条件：x≥2λ、x＞tsv；其中，λ为声发射换能器4发射的应力波的波长，单位：mm，ts为声发射信号采集系统1的激励与接收电路固有时间误差，单位：μs；v为声发射换能器4发射的应力波在平板型结构体5中传播的波速，单位：km/s。
其中，应力波的波长λ的计算公式为λ＝v/f，v为声发射换能器4发射的应力波在平板型结构体5中传播的波速，f为声发射信号采集系统1经声发射换能器4获得的信号主频频率，可通过对声发射换能器4采集到的波形信号进行快速傅里叶变换(FFT)，最大幅值对应的频率即为信号主频，单位：kHz。应力波在平板型结构体5中传播的波速v具有多种求取方式一些较为常规的也可通过查资料获取，本发明在实施例中将具体提供一种可用的求取方式，同时，声发射信号采集系统1的激励与接收电路固有时间误差ts则可通过下述的波速测试方法，且具体的，本实施例中声发射信号采集系统1的激励与接收电路固有时间误差。
当需要自行测量应力波在平板型结构体5中传播的波速v时，则可采用以下技术方案：
首先，如图3所示，测量应力波在平板型结构体5中传播的波速v需要以下装置，具体包括：声发射信号采集装置11(型号为Express8@Physical Acoustics Corporation，与上述声发射信号采集系统1相同)、两个前置放大装置12(型号为2/4/6@PhysicalAcoustics Corporation，与上述前置放大器2相同)、平板型结构装置13(与上述平板型结构体5的材料及结构相同)及两个压电陶瓷声发射换能装置14(型号为Nano30@PhysicalAcoustics Corporation，与上述声发射换能器4相同)，其中，压电陶瓷声发射换能装置14安装于平板型结构装置13上，且两个压电陶瓷声发射换能装置14的中心位于平板型结构装置13的同一高度，前置放大装置12与压电陶瓷声发射换能装置14一一对应并通过信号线连接，前置放大装置12与声发射信号采集装置11通过信号线连接。
其中，在声发射信号采集装置11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。
测量时，先将各零部件进行连接及安装并启动压电陶瓷声发射换能装置14、前置放大装置12、声发射信号采集装置11；安装时，两个压电陶瓷声发射换能装置14之间的间隔距离为Si(Si不小于60mm)，然后由声发射信号采集装置11记录压电陶瓷声发射换能装置14的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集装置11采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集装置11记录的信号接收时间为tj；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx；声发射信号采集装置11记录的信号发射时间为tf；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx，可知，当两个压电陶瓷声发射换能装置14之间的间隔距离为Si时，波的传播时间为ti：ti＝(tj+tjx)-(tf+tfx)，则应力波在平板型结构体5中传播的波速可通过公式Si＝v(ti-ts)求取，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某温度下以固体应力波传播速率v为斜率的一元线性方程；其中ts为声发射信号采集装置11的激励与接收电路存在的固有的时间误差，本实施例中，ts＝-12.8μs。
需要说明的是上述只是提供了一种用以测量应力波在平板型结构体5中传播的波速v的一种测量方法，实际中，也可选用其他可以测定v的测量方法。
实施例二
一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，由上述的适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置实现，且包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装，并启动温度控制箱3，通过温度控制箱3控制温度控制箱3内的温度为-50摄氏度并保温5分钟；其中，两个声发射换能器4之间间隔60mm(x1≥2λ，x1＞tsv)；
B.启动声发射信号采集系统1、声发射换能器4及前置放大器2，由声发射信号采集系统1采集当前试验条件下两个声发射换能器4的脉冲激发信号和接收信号的波形，并绘制激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图，记录在-50摄氏度下两个声发射换能器4距离x1mm时的激发应力波信号的最大幅值A01和接收应力波的最大幅值A1；
C.设置两个声发射换能器4之间间距为x2＝(x1+20)＝80mm,重复步骤B，并记录在-50摄氏度下两个声发射换能器4距离80mm时的激发应力波信号的最大幅值A02和接收应力波的最大幅值A2；
D.重复步骤B、C，采集温度控制箱3内的温度恒定在T1摄氏度且两个声发射换能器4之间的间隔距离为xi毫米时，(xi≥2λ，xi＞tsv)，i＝3，…n，其中，n不小于5，即在同一温度条件下，至少测取两个声发射换能器4间隔至少5种不同距离时的固体应力波的幅值衰减系数α；记录在-50摄氏度下距离ximm的激发应力波信号的最大幅值A0i和接收应力波的最大幅值Ai；
E.根据公式ln(A/A0)＝-αx，以ln(Ai/A0i)为纵坐标，xi为横坐标，利用最小二乘法拟合出温度为-50摄氏度时以衰减系数α为斜率的一元线性方程；则其斜率即该温度条件下固体应力波幅值衰减系数；
F.重新通过温度控制箱3控制温度控制箱3内的温度为Ti摄氏度，i＝2，…m；重复步骤A至E，即可确定在温度为Ti摄氏度时，固体应力波的幅值衰减系数α；其中，T2为-45摄氏度，T3为-40摄氏度，…，Tm为80摄氏度。即以5摄氏度为一个梯度，分别测量从-50摄氏度到80摄氏度时，采用的声发射换能器4在平板型结构体5上的应力波幅值衰减系数，从而反映出其应力波在宽温域条件下的衰减规律。
其中，若声发射信号采集系统1设置的门槛电压值确定，根据上述公式可变形为xmax＝-[ln(A/Amin)/α]，其中Amin为声发射信号采集系统1设置的门槛电压值，xmax则为该声发射换能器4能监测到信号传播的最远距离，则通过求取的不同温度下的固体应力波的幅值衰减系数α，即可知利用上述声发射换能器4进行损伤定位时，不同温度下其可监测的信号的最大距离，从而该声发射换能器4确定是否可满足当前使用需求。
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 (5)
1.一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，其特征在于，由适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置实现，所述适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试装置，包括声发射信号采集系统、温度控制箱、平板型结构体、至少两个声发射换能器及至少两个前置放大器；
所述声发射换能器安装于平板型结构体上且位于平板型结构体的同一宽度位置，平板型结构体与待测损伤固体结构的材料相同，平板型结构体安装于温度控制箱内，前置放大器与声发射换能器一一对应并通信连接，前置放大器与声发射信号采集系统通信连接；
所述声发射换能器及前置放大器的数量均为两个；
两个声发射换能器之间的距离x需要同时满足以下条件：x≥2λ、x＞tsv；其中，λ为声发射换能器发射的应力波的波长，单位：mm，ts为声发射信号采集系统的激励与接收电路固有时间误差，单位：μs；v为声发射换能器发射的应力波在平板型结构体中传播的波速，单位：km/s；
适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，包括以下步骤：
A.完成各零部件的连接及安装，并启动温度控制箱，通过温度控制箱控制温度控制箱内的温度为T1摄氏度；其中，两个声发射换能器之间间隔x1mm；
B.启动声发射信号采集系统、声发射换能器及前置放大器，由声发射信号采集系统采集当前试验条件下两个声发射换能器的脉冲激发信号和接收信号的波形，并绘制激发的应力波信号波形图和接收的应力波信号波形图，记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离x1mm时的激发应力波信号的最大幅值A01和接收应力波的最大幅值A1；
C.设置两个声发射换能器之间间距为x2＝(x1+b)mm,重复步骤B，并记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离x2mm时的激发应力波信号的最大幅值A02和接收应力波的最大幅值A2；
D.重复步骤C，采集温度控制箱内的温度恒定在T1摄氏度且两个声发射换能器之间的间隔距离为xi毫米时，i＝3，…n,记录在T1摄氏度下两个声发射换能器距离ximm的激发应力波信号的最大幅值A0i和接收应力波的最大幅值Ai；
E.根据公式ln(A/A0)＝-αx，以ln(Ai/A0i)为纵坐标，xi为横坐标，利用最小二乘法拟合出温度为T1摄氏度时以α为斜率的一元线性方程；
还包括步骤F：通过温度控制箱控制温度控制箱内的温度为Ti摄氏度，i＝2，…m；重复步骤A至E，即可确实在温度为Ti摄氏度时，固体应力波的幅值衰减系数αi；
n不小于5、和/或T1为-50摄氏度，Tm为80摄氏度。
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幅值衰减系数测试方法，其特征在于，所述声发射换能器的带宽在100kHz～800kHz区间内。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，其特征在于，所述平板型结构体的厚度大于10mm，长度大于100mm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于宽温域的固体应力波幅值衰减系数测试方法，其特征在于，所述声发射换能器距离平板型结构体的边缘的距离不小于20mm，且所述声发射换能器的中心位于平板型结构体宽度方向的1/2处。
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幅值衰减系数测试方法，其特征在于，所述声发射信号采集系统的脉冲宽度为5μs，发射电压为10V的脉冲信号并采用10MHz的采样频率。
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