CN112557515A - 声发射传感器试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声发射传感器测试技术领域，公开了一种声发射传感器试验系统，包括导电介质、电涡流传感器和信号处理装置。声发射传感器固定放置于导电介质上，电涡流传感器设置于导电介质的远离声发射传感器的一面，且电涡流传感器和导电介质之间设置有绝缘介质。电涡流传感器用于通过导电介质采集声发射传感器发出的振动信息，信号处理装置与电涡流传感器相连接，用于根据振动信息对声发射传感器的工作参数进行分析。由于电涡流传感器在对振动进行采集时，具有线性度高、分辨率高、测量范围宽等特性，因此使用电涡流传感器实现对声发射传感器的测试，可以提高声发射传感器试验系统对声发射传感器进行测试与标定时所能覆盖的频域范围。
Description
技术领域
本发明涉及声发射传感器测试技术领域，特别是涉及一种声发射传感器试验系统。
背景技术
声发射是一种常见的物理现象，材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission,简称AE)，有时也称为应力波发射。由于材料内部结构发生变化而引起材料内应力突然重新分布，使机械能转变为产生弹性波，经传递至材料表面转变为声波。各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20Hz～20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波。现有的测试装置中使用电音叉对声发射传感器进行耦合测试，然而电音叉所能耦合的声发射信号频率和幅值有限，因此该测试装置的测试量程不能覆盖声发射现象的全频段。声发射传感器个体差异较大，同批次均为合格产品的传感器的幅频曲线差别大，采用同一标准信号去标定会造成误判。
发明内容
基于此，有必要针对现有测试装置无法覆对发射传感器的声发射现象全频段进行测试的问题，提供一种声发射传感器试验系统。
一种声发射传感器试验系统，包括包括导电介质、电涡流传感器和信号处理装置；声发射传感器固定放置于所述导电介质上；所述电涡流传感器设置于所述导电介质的远离所述声发射传感器的一面，且所述电涡流传感器和所述导电介质之间设置有绝缘介质；所述电涡流传感器用于通过所述导电介质采集所述声发射传感器发出的振动信息；所述信号处理装置与所述电涡流传感器相连接，用于根据所述振动信息对所述声发射传感器的工作参数进行分析。
上述声发射传感器试验系统，需要对声发射传感器进行测试时，将待测的声发射传感器固定于声发射传感器试验系统的导电介质上，电涡流传感器设置于导电介质远离的声发射传感器的一面。声发射传感器在导电介质上施加振动，导电介质会将声发射传感器发出的振动传导至电涡流传感器。电涡流传感器在通电后产生的电涡流与振动合在一起会导致电涡流线圈阻抗发生周期性变化，从而采集到了声发射传感器发出的振动信息，并回传至信号处理装置。信号处理装置对电涡流传感器采集到的振动信息进行分析处理，并根据振动信息对声发射传感器的工作参数进行测试。由于电涡流传感器在对振动进行采集时，具有线性度高、分辨率高、测量范围宽等特性，因此，使用电涡流传感器实现对声发射传感器的测试，可以提高试验装置对声发射传感器进行测试与标定时所能覆盖的频域范围。
在其中一个实施例中，所述信号处理装置还与所述声发射传感器相连接，用于分别向所述声发射传感器发送第一测试信号、向所述电涡流传感器发送第二测试信号，所述信号处理装置包括第一放大器，与所述声发射传感器相连接，用于将所述第一测试信号放大后传输至所述声发射传感器；第二放大器，与所述电涡流传感器相连接，用于将所述第二测试信号放大后传输至所述电涡流传感器；分析处理模块，分别与所述第一放大器和所述第二放大器相连接，用于输出所述第一测试信号和第二测试信号，根据所述振动信息对所述声发射传感器的工作参数进行分析。
在其中一个实施例中，所述信号处理装置还包括显示模块，与所述分析处理模块相连接，用于对所述振动信息和所述声发射传感器的工作参数进行显示。
在其中一个实施例中，所述声发射传感器试验系统还包括恒温箱，所述声发射传感器、所述导电介质和所述电涡流传感器均设置于所述恒温箱内。
在其中一个实施例中，所述恒温箱内设置有温控装置，用于对所述声发射传感器所处的环境温度进行调节。
在其中一个实施例中，在所述声发射传感器和所述导电介质之间涂覆有耦合剂。
在其中一个实施例中，采用磁吸附或挤压式将所述声发射传感器固定于所述导电介质上。
在其中一个实施例中，所述第一测试信号包括频率信息和振幅信息。
在其中一个实施例中，所述绝缘介质为空气或绝缘材料。
在其中一个实施例中，所述声发射传感器试验系统还包括测试平台、第一固定装置和第二固定装置；所述第一固定装置与所述导电介质相连接，所述导电介质通过所述第一固定装置固定于所述测试平台上；所述第二固定装置与所述电涡流传感器相连接，所述电涡流传感器通过所述第二固定装置固定于所述测试平台上，并固定于所述导电介质的远离所述声发射传感器的一面。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的声发射传感器试验系统的结构示意图；
图2为本发明其中一实施例的信号处理装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例的声发射传感器试验系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
电涡流位移传感器是一种能将机械位移、振动幅度或转速转换成电信号输出的测量装置，它由传感头、前置器、延伸电缆及被测导体组成，是一种非接触式测量位移、振幅和转速的理想传感器。工作原理为当一个很高的频率(一般取1MHz)电流从振荡器流入传感器线圈中时，传感器线圈就会产生一个高频率振荡磁场，此时若一片金属接近这个磁场，那么在此金属的表面就会产生电涡流。电涡流的强度是随着传感器线圈与金属之间的距离的变化而变化的，这是因为这个距离影响了传感器线圈的阻抗，所以可以用测量阻抗的方法来实现距离的测量。电涡流传感器输出一个与距离成单值函数的直流电压信信号。
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离，它是一种非接触的线性化计量工具。在对高速旋转机械和往复式运动机械进行状态分析、振动研究和分析测量时，电涡流传感器非接触地测得的高精度振动、位移信号，从而连续准确地获取转子振动状态的多种参数。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。
本发明采用电涡流传感器设计了一种声发射传感器试验系统，图1为本发明其中一实施例的声发射传感器试验系统的结构示意图，在其中一个实施例中，所述声发射传感器试验系统包括导电介质100、电涡流传感器200和信号处理装置300。在本实施例中，导电介质100为金属介质，金属介质可采用常见的钢材、铝材、铜材等导电性能较好的金属。
使用本发明提供的声发射传感器试验系统对声发射传感器进行测试时，需要将待测的声发射传感器10固定放置于导电介质100上。向声发射传感器10上通入具有不同频率和振幅信息的交流信号后，由于压电效应，在声发射传感器10中会产生振动信息并施加于导电介质100的上表面，即导电介质100与声发射传感器10相接触的一面。振动信息在导电介质100的内部经过传递，在导电介质100远离声发射传感器10的一面，即导电介质100的下表面也会产生相应的振动信息。
电涡流传感器200设置于导电介质100的下表面，且电涡流传感器200和导电介质100之间设置有绝缘介质400，所述电涡流传感器200能够对声发射传感器10发出的振动信息进行采集。在电涡流传感器200和导电介质100的接触面之间设置绝缘介质400可以使电涡流传感器200和导电介质100之间间隔一定的距离，该间隔距离可通过改变绝缘介质400的厚度进行调整。电涡流传感器200和导电介质100之间间隔一定的距离，可以便于电涡流传感器200采集到的导电介质下表面的振动信息。如果间隔距离过大，会导致电涡流传感器200无法采集到振动信息。距离电涡流传感器200较近的地方，电场变化会比较明显，因此，使导电介质100位于距离电涡流传感器200较近的地方，可以用电涡流传感器200感应出的电流强度来代表导电介质100的振动情况。声发射传感器10、导电介质100、电涡流传感器200和绝缘介质400四个器件的摆放方式可以更换，但是要保证声发射传感器10和电涡流传感器200之间夹着导电介质100。
向声发射传感器10上通入交流信号的同时，向电涡流传感器200中也通电，电涡传感器200中的线圈由于通入了交变电流，因此，在导电介质100的下表面也会产生电涡流，而下表面的电涡流与振动合在一起会导致电涡流传感器200的线圈阻抗发生周期性变化。电涡流传感器200将其线圈阻抗的变化信号传输至信号处理装置300中。信号处理装置300对其进行放大分析，可以通过线圈阻抗的周期性变化分析出变化规律从而获得声发射传感器10发出的振动信息，并通过将分析所得的振动信息与最初发送至声发射传感器10内的交流信号进行对比，从而实现对声发射传感器10的测试，获得待测声发射传感器10在某一频率下的特性。
依靠具有高分辨率和宽测量范围的电涡流传感器200对声发射传感器10发出的振动进行采集，使得声发射传感器试验系统可在标称频段内或超标称频段附近实现对声发射传感器10的精确测量和标定。同时，可在不更换内部设备的前提下，对不同的具有参数差异的声发射传感器10实现一次性检测及标定。避免了常规检测标定过程中对标定传感器的内部审的选择和更换，降低了操作复杂性、减小了测试成本开销、提高了测试的通用性。
图2为本发明其中一实施例的信号处理装置的结构示意图，在其中一个实施例中，信号处理装置300还与声发射传感器10相连接，用于分别向所述声发射传感器10发送第一测试信号、向所述电涡流传感器200发送第二测试信号，信号处理装置300包括第一放大器310、第二放大器320和分析处理模块330。第一放大器310与声发射传感器10相连接，用于将第一测试信号放大后传输至声发射传感器。第二放大器320与电涡流传感器200相连接，用于将第二测试信号放大后传输至电涡流传感器200。分析处理模块330，分别与第一放大器310和第二放大器320相连接，用于输出第一测试信号和第二测试信号，以及根据振动信息对声发射传感器的工作参数进行分析。
在对声发射传感器10进行测试时，分别将声发射传感器10和电涡流传感器200与各自的信号放大器进行对接，并通过信号放大器与分析处理模块330相连接。系统通电运行后，分析处理模块330输出第一测试信号，第一放大器310对第一测试信号进行放大并传输至声发射传感器10；同时，分析处理模块330输出第二测试信号，第二放大器320对第二测试信号进行放大并传输至电涡传感器200。声发射传感器10根据第一测试信号产生振动信息，电涡流传感器200通电后其上线圈产生的电涡流和声发射传感器10产生的振动，使得线圈阻抗发生变化，电涡流传感器200将变化信号经由第二放大器320回传至分析处理模块330。分析处理模块330通过分析阻抗周期性变化的规律获得声发射传感器10的振动信息，并通过与最初发送至声发射传感器10的信号进行对比，实现对声发射传感器10的测试。
在其中一个实施例中，信号处理装置300还包括显示模块340。显示模块340与分析处理模块330相连接，用于对振动信息和声发射传感器的工作参数进行显示。在本实施例中，显示模块340为PC机。分析处理模块330将其分析获取的信号传递至PC机中，对分析结果进行展示。PC机还可以用于向分析处理模块330发送指令，使其根据发送指令输出不同的第一测试信号和第二测试信号，以对声发射传感器10进行测试。
图3为本发明另一实施例的声发射传感器试验系统的结构示意图，在其中一个实施例中，所述声发射传感器试验系统还包括恒温箱500，声发射传感器10、导电介质100和电涡流传感器200均设置于恒温箱500内。将声发射传感器10置于恒温箱500内后再进行测试可以保证声发射传感器10进行试验时所处环境的环境温度稳定可调。恒温箱500的侧壁上设有外接口，置于恒温箱500内的声发射传感器10和电涡流传感器200的信号线分别通过恒温箱500的外接口与各自的信号放大器相连接。
在其中一个实施例中，所述恒温箱500内设置有温控装置510，用于对所述声发射传感器所处的环境温度进行调节。恒温箱500内的温控装置510是用于控制箱内温度的设备。在需要对声发射传感器10进行温度实验时，可以通过温控装置510使箱内温度发生变化。在测试声发射传感器10对温度变化的敏感性时，可以将恒温箱500内的温度恒定于某一固定温度，观察声发射传感器10的工作状态变化；也可以在温度变化过程中，比如使箱内温度从0度变到150度，观察声发射传感器10的工作状态变化。
在其中一个实施例中，在声发射传感器10和导电介质100之间涂覆有耦合剂，可以更好地将声发射传感器10在导电介质100上表面产生的振动信号传导至导电介质100的下表面。耦合剂是用来排除探测仪器和被测物体之间的空气，使波动能有效地穿入工件达到检测目的，需要根据实际使用情况选择合适的耦合剂种类。当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。另外，耦合剂应适量使用涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测物体的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在测量仪器上。
在其中一个实施例中，采用磁吸附或挤压式将声发射传感器10固定于导电介质100上。在对待测声发射传感器10进行测试前，将恒温箱打开放入所要测试的声发射传感器10，并采用磁吸附或挤压式的固定方法将声发射传感器10固定于导电介质100的上表面，防止测试开始后声发射传感器10产生的振动使其与导电介质100脱离开来，导电介质100无法有效地传导声发射传感器10产生的振动信息。
在其中一个实施例中，第一测试信号包括频率信息和振幅信息。当一未知参数的声发射传感器10置于本发明提供的声发射传感器试验系统中，并通电运行后，PC机可借助电涡流传感器200获得声发射传感器10发出的振动信息。由于声发射传感器10在不同频率和幅度的输入信号下发出的振动信息不同，因此，PC机还可以通过调节输入至声发射传感器10的第一测试信号中的信号频率和信号振幅来实现对声发射传感器10频率特性的测试及标定。通过统计在输入不同频率的第一测试信号后声发射传感器10发出的振动信息来实现频率特性的标定。
在其中一个实施例中，绝缘介质400为空气或绝缘材料。在电涡流传感器200和导电介质100之间需要留有一定的距离，且这个距离需要保持在一个较小的距离范围内，以保证电涡流传感器200对振动信息有较好的采集效果。通过在电涡流传感器200和导电介质100之间设置一绝缘介质400可以保证电涡流传感器200和导电介质100之间的距离。该绝缘介质400可以为空气，即电涡流传感器200和导电介质100之间存在一条微小的缝隙，可以通过调节固定导电介质100的结构和固定电涡流传感器200的结构来对缝隙的大小进行调节。该绝缘介质400也可以为由绝缘材料制成的实体器件，通过绝缘介质400本身的厚度使电涡流传感器200和导电介质100之间间隔一定距离，通过改变绝缘介质400的厚度来对电涡流传感器200和导电介质100之间的距离进行调节。
在其中一个实施例中，声发射传感器试验系统还包括测试平台610、第一固定装置620和第二固定装置630。第一固定装置620与导电介质100相连接，导电介质100通过第一固定装置100固定于测试平台610上。第二固定装置630与电涡流传感器200相连接，电涡流传感器200通过第二固定装置630固定于测试平台610上，并固定于导电介质100的远离声发射传感器10的一面。在本实施例中，第一固定装置620和第二固定装置630均为支架，且支架高度可调节。导电介质100与第一固定装置100可拆卸式连接，电涡流传感器200也与第二固定装置630可拆卸式连接，可以对声发射传感器试验系统中的导电介质100和电涡流传感器200进行更换。
在本实施例中，以使用本发明提供的声发射传感器试验系统对某一声发射传感器10的试验操作为例，对测试过程进行说明。首先将恒温箱500打开，放入所要测试的声发射传感器10，并采用磁吸附或挤压式的固定方法将其固定于金属介质的表面，在声发射传感器10和金属介质的接触面上涂抹耦合剂。关好恒温箱500后，将声发射传感器10和电涡流传感器200的信号线通过恒温箱500上的外接口与各自的信号放大器与相连接，并通过分析处理模块330连接至PC机中。PC机指示分析处理模块330输出10kHz、1V的电压信号至声发射传感器10。基于压电效应的可逆性(即压力→电信号与电信号→压力可相互转换)，声发射传感器10会对金属介质100施加压力，由于输入信号是交流信号，导致其所施加的力的大小是变化的，因此表现在金属介质上表面的压力为振动。通过耦合剂、金属介质对振动信息进行传递，金属介质的下表面也会产生振动。此时，PC机指示分析处理模块330对电涡流传感器200输入1MHz、1V的电压信号。根据右手螺旋定则，电涡流传感器200内部的线圈会生成交变磁场。此交变磁场作用于金属介质的下表面，从而产生电涡流。此电涡流也会产生一个磁场，该磁场作用于电涡流传感器200的线圈，阻碍线圈内电流的流动，其阻碍程度体现于线圈的阻抗中。因此，通过电涡流传感器200的测量交变阻抗可实现对振动信息的获取。通过对比通过电涡流传感器200所获取的振动信息和PC指示分析处理模块300输出的交流信号，可获得某一频率下的声发射传感器10的特性。通过将某段频域信号输入声发射传感器10，可获得该频段上声发射传感器10的工作参数。在测试声发射传感器10对温度变化的敏感性时，可以将恒温箱500内的温度恒定于某一固定温度，观察声发射传感器10的工作状态变化；也可以在温度变化过程中，比如使箱内温度从0度变到150度，观察声发射传感器10的工作状态变化。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种声发射传感器试验系统，其特征在于，包括导电介质、电涡流传感器和信号处理装置；
声发射传感器固定放置于所述导电介质上；
所述电涡流传感器设置于所述导电介质的远离所述声发射传感器的一面，且所述电涡流传感器和所述导电介质之间设置有绝缘介质；所述电涡流传感器用于通过所述导电介质采集所述声发射传感器发出的振动信息；
所述信号处理装置与所述电涡流传感器相连接，用于根据所述振动信息对所述声发射传感器的工作参数进行分析。
2.根据权利要求1所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述信号处理装置还与所述声发射传感器相连接，用于分别向所述声发射传感器发送第一测试信号、向所述电涡流传感器发送第二测试信号，所述信号处理装置包括：
第一放大器，与所述声发射传感器相连接，用于将所述第一测试信号放大后传输至所述声发射传感器；
第二放大器，与所述电涡流传感器相连接，用于将所述第二测试信号放大后传输至所述电涡流传感器；
分析处理模块，分别与所述第一放大器和所述第二放大器相连接，用于输出所述第一测试信号和第二测试信号，根据所述振动信息对所述声发射传感器的工作参数进行分析。
3.根据权利要求2所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述信号处理装置还包括：
显示模块，与所述分析处理模块相连接，用于对所述振动信息和所述声发射传感器的工作参数进行显示。
4.根据权利要求1或2所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述声发射传感器试验系统还包括恒温箱，所述声发射传感器、所述导电介质和所述电涡流传感器均设置于所述恒温箱内。
5.根据权利要求4所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述恒温箱内设置有温控装置，用于对所述声发射传感器所处的环境温度进行调节。
6.根据权利要求1所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，在所述声发射传感器和所述导电介质之间涂覆有耦合剂。
7.根据权利要求1所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，采用磁吸附或挤压式将所述声发射传感器固定于所述导电介质上。
8.根据权利要求2所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述第一测试信号包括频率信息和振幅信息。
9.根据权利要求1所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述绝缘介质为空气或绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的声发射传感器试验系统，其特征在于，所述声发射传感器试验系统还包括测试平台、第一固定装置和第二固定装置；
所述第一固定装置与所述导电介质相连接，所述导电介质通过所述第一固定装置固定于所述测试平台上；
所述第二固定装置与所述电涡流传感器相连接，所述电涡流传感器通过所述第二固定装置固定于所述测试平台上，并固定于所述导电介质的远离所述声发射传感器的一面。
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