CN113984907A - 一种声发射传感器动态和静态特性标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种声发射传感器动态和静态特性标定方法，包括以下步骤：准备声发射采集仪、声发射传感器、铝板、氧化锆小球、前置放大器和计算机；将铝板平放于光滑桌面上，桌面须进行水平校准；将声发射传感器固定在铝板上，在距离声发射传感器9cm的位置垂直固定一把钢尺；将氧化锆小球在距离铝板1cm距离自由释放，每次释放增加；将氧化锆小球在距离铝板大于等于15 cm距离自由释放，每次释放减小；根据声发射传感器输入‑输出关系间接计算其静态特性和动态特性。该标定方法能够对声发射传感器进行较好的标定，在声发射传感器性能评价和标定等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种声发射传感器动态和静态特性标定方法
技术领域
本发明涉及声发射和传感器领域，具体涉及一种声发射传感器动态和静态特性标定方法。
背景技术
传统的标定设备，由数百千克的质量块、光学平台、信号发生器、示波器、信号放大器、计算机和专门的标定程序组成，操作复杂、价格昂贵，并且仅能标定声发射传感器的灵敏度曲线和带宽。传感器一般面临静态和动态两种信号源，因此，传感器的静态特性和动态特性决定了接收信号的准确性。传感器的静态特性主要包括：线性度、灵敏度、回程误差和重复性等；动态特性主要包括：频率保持性和信号叠加性。
声发射传感器被广泛应用于机械部件的疲劳损伤、医疗领域和混凝土评估分析。目前，声发射传感器的标定采用专门的标定设备，该设备体积大、标定费用昂贵，并且只能标定灵敏度曲线和带宽，无法对声发射传感器的其他静态特性和动态特性进行标定。因此，直接利用声发射采集仪搭建一个简易标定系统，不仅能够降低标定成本和简化标定过程，还能够丰富声发射传感器的标定参数。
发明内容
声发射传感器动态和静态简易标定系统是直接利用信号采集仪、氧化锆小球、钢尺、铝板和信号放大器等组成，通过输入量和输出量之间的对应关系直接得到传感器的动态和静态特性。该标定系统和方法不仅丰富了声发射传感器的评价参数，而且能够为声发射传感器研究方向的科研院所和企业提供一种自标定手段。
为解决现有技术中，本发明提供了一种声发射传感器动态和静态特性标定方法，标定的系统由被测物（铝板）、氧化锆小球、声发射传感器、前置放大器、美国PAC声发射采集仪和计算机组成，其中声源采用氧化锆小球撞击铝板模拟、前置放大器放大增益为40dB。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种声发射传感器动态和静态特性标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备声发射采集仪、声发射传感器、铝板、氧化锆小球、前置放大器和计算机，其中氧化锆小球质量和直径分别为3.3g和10.03mm；声发射传感器为聚合物基声发射传感器。
（2）将铝板平放于光滑桌面上，桌面须进行水平校准；
（3）利用凡士林作为耦合剂将声发射传感器固定在铝板上，在距离声发射传感器9cm的位置垂直固定一把钢尺；
（4）双手佩戴绝缘手套，将氧化锆小球在距离铝板1cm距离自由释放，每次释放增加1cm直到增加到距离铝板15cm及以上；
（5）双手佩戴绝缘手套，将氧化锆小球在距离铝板大于等于15cm距离自由释放，每次释放减小1cm直到减小到距离铝板1cm位置；
（6）根据声发射传感器输入-输出关系间接计算其静态特性和动态特性；利用输入输出关系通过截线法得到最大非线性绝对误差值；利用输入-输出曲线上一个微小变化量，通过比较输入量变化与输出量之间的变化关系得到传感器灵敏度；通过比较输入信号量依次增加和依次减小时，声发射传感器接收到的信号变化情况，得到其回程误差值；重复（4）过程6次得到传感器的非重复性误差值。
在该标定方法种还包括：
（1）将一个氧化锆小球在距离铝板5cm位置释放；
（2）将相同规格的氧化锆小球在距离铝板10cm位置释放；
（3）将两个相同规格的氧化锆小球分别在距离铝板5cm和10cm位置同时释放；
（4）通过比较分别释放小球和同时释放小球传感器接收到信号之间的关系，计算得到声发射传感器的叠加性误差。
有益效果：
本发明搭建了一种声发射传感器动态和静态简易标定系统，并对声发射传感器进行了测试。测试结果为：非线性误差值16.5%、灵敏度444.05 Energy/mm、回程误差11.2%、不重复误差19%、声发射传感器叠加性误差值为0.059和具有一定的频率保持性。该标定方法能够对声发射传感器进行较好的标定，它在声发射传感器性能评价和标定等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为声发射传感器标定装置示意图；
图2为氧化锆实物图；
图3为传感器输入-输出关系拟合曲线；
图4为氧化锆小球产生冲击力与距离铝板高度关系图；
图5为冲击力与传感器输出信号关系图；
图6为声发射传感器线性度测试图；
图7为声发射传感器灵敏度测试图；
图8为传统标定设备测试的声发射传感器灵敏度曲线图；
图9为声发射传感器回程误差测试图；
图10为声发射传感器重复性测试图；
图11为声发射传感器信号叠加性测试图；
图12为声发射传感器频率保持性测试图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
（1）准备声发射传感器。
（2）准备声发射传感器、信号采集系统、信号放大器、铝板、氧化锆小球、钢尺和计算机。声发射传感器位于钢尺垂直距离9cm处，氧化锆小球自高处释放，声发射传感器连接前置放大器，将信号通过信号采集器传到计算机，计算机记录数据，并构建传感器信号的输入（氧化锆小球自由落体高度）与输出（声发射能量）关系。
（3）搭建声发射传感器简易标定系统，如图1所示。
实施例2
（1）氧化锆小球在距离声发射传感器9cm位置释放。
（2）氧化锆小球从距离桌面1cm开始释放，每次释放增加1cm，增加至30cm位置，构建了传感器输入输出关系如图3所示。
（3）利用截线法得到最大非线性绝对误差值如图6所示，进一步计算求得非线性误差值为16.5%。
（4）取输入-输出曲线上一个微小变化量，通过比较输入量变化与输出量之间的变化关系得到传感器灵敏度为444.05 Energy/mm，如图7所示。
（5）利用传统标定设备对该传感器进行了标定测试，测试灵敏度曲线如图8所示。
实施例3
（1）氧化锆小球从距离铝板1cm高度开始释放，每次增加1cm增加到16cm，然后依次减小，每次减小1cm一直减小到1cm。
（2）通过比较输入信号量依次增加和依次减小时，声发射传感器接收到的信号变化情况，得到其回程误差值为11.2%，如图9所示。
实施例4
（1）氧化锆小球从距离铝板1cm位置开始释放，释放高度依次增加1cm，直到增加到15cm为止。
（2）重复（1）过程6次，得到传感器的非重复性误差值为19%，如图10所示。
实施例5
（1）将一个氧化锆小球在距离铝板5cm位置释放。
（2）将相同规格的氧化锆小球在距离铝板10cm位置释放。
（3）将两个相同规格的氧化锆小球分别在距离铝板5cm和10cm位置同时释放。
（4）通过比较分别释放小球和同时释放小球传感器接收到信号之间的关系，计算得到声发射传感器的叠加性误差，如图11所示。
实施例6
（1）将氧化锆小球在距离铝板10cm位置释放3次；
（2）将氧化锆小球在距离铝板10cm位置释放9次；
（3）将氧化锆小球在随机高度位置释放7次；
（4）比较三种释放方式下传感器接收到的信号频率变化，发现激励信号相同时，该传感器具有较好的频率保持性，如图12所示。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种声发射传感器动态和静态特性标定方法，其特征在于，标定的系统由被测物（铝板）、氧化锆小球、声发射传感器、前置放大器、美国PAC声发射采集仪和计算机组成；声发射传感器位于钢尺垂直距离9cm处，氧化锆小球自高处释放，声发射传感器连接前置放大器，将信号通过信号采集器传到计算机，计算机记录数据，并构建传感器信号的输入（氧化锆小球自由落体高度）与输出（声发射能量）关系；其中声源采用氧化锆小球撞击铝板模拟、前置放大器放大增益为40dB。
2.一种声发射传感器动态和静态特性标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备声发射采集仪、声发射传感器、铝板、氧化锆小球、前置放大器和计算机，组成标定系统；
（2）将铝板平放于光滑桌面上，桌面须进行水平校准；
（3）利用凡士林作为耦合剂将声发射传感器固定在铝板上，在距离声发射传感器9cm的位置垂直固定一把钢尺；
（4）双手佩戴绝缘手套，将氧化锆小球在距离铝板1cm距离自由释放，每次释放增加1cm直到增加到距离铝板15cm及以上；
（5）双手佩戴绝缘手套，将氧化锆小球在距离铝板大于等于15cm距离自由释放，每次释放减小1cm直到减小到距离铝板1cm位置；
（6）根据声发射传感器输入-输出关系间接计算其静态特性和动态特性。
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述的声发射传感器为聚合物基声发射传感器。
4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，氧化锆小球质量和直径分别为3.3g和10.03mm。
5.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，利用输入输出关系通过截线法得到最大非线性绝对误差值；利用输入-输出曲线上一个微小变化量，通过比较输入量变化与输出量之间的变化关系得到传感器灵敏度；通过比较输入信号量依次增加和依次减小时，声发射传感器接收到的信号变化情况，得到其回程误差值；重复（4）过程6次得到传感器的非重复性误差值。
6.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，标定方法还包括：
（1）将一个氧化锆小球在距离铝板5cm位置释放；
（2）将相同规格的氧化锆小球在距离铝板10cm位置释放；
（3）将两个相同规格的氧化锆小球分别在距离铝板5cm和10cm位置同时释放；
（4）通过比较分别释放小球和同时释放小球传感器接收到信号之间的关系，计算得到声发射传感器的叠加性误差。
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