CN202256264U - 检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪；所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连；本实用新型的装置具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等特点，可动态提取和反馈复合材料在加载过程中出现的破坏失效信息，整体探测和评价整个复合材料结构的缺陷状态；适应于监控复合材料结构的早期或临近破坏特性预测。本实用新型方法通过声发射测试获取幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图，可准确、快速地确定复合材料在各个加载阶段的主导失效模式和失效机理，为深入研究复合材料的性能劣化机制提出技术支撑。
Description
技术领域
本实用新型涉及复合材料无损检测与健康监测研究领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料破坏失效声发射检测装置。
背景技术
碳纤维复合材料是目前国内外广泛研究和使用的先进复合材料，它是由若干纤维和基体经过物理和化学的方法宏观上复合制成，各组分之间能“取长补短”、“协同作用”，具有刚度和强度高、比重小、疲劳和断裂韧性好等优点，这些是一般的金属材料所不具备的，已在航空航天、压力容器和管道、新能源与节能、风力发电、汽车、海洋与船舶、土木、体育器材等领域显示出优越性，应用前景良好。
然而，由于复合材料的损伤失效机理十分复杂，主要失效模式分为层内和层间损伤。从微观力学来讲，复合材料层内损伤通常还包括纤维断裂、基体开裂和纤维/基体界面分离、纤维屈曲等。由于复合材料在微观上是不均匀的，纤维/基体分散性大，材料内部存在各种随机的缺陷（主要缺陷有：气孔、分层、疏松、越层裂纹、界面分离、夹杂、树脂固化不良和钻孔损伤等），材料内部微裂纹的产生、累积与裂纹的扩展将降低材料的强度与刚度，从而降低结构的使用寿命。因此，复合材料在服役过程中，对其进行无损检测和健康检测十分重要。
目前，针对复合材料的无损检测方法有射线检测技术（包括X射线，红外线，微波，CT照相等方法）、超声检测技术、声发射检测技术、涡流检测技术、敲击检测技术、光纤传感器检测技术等。射线检测虽然有检测速度快、精度高、结果直观等优点，但X射线、CT照相的检测设备复杂昂贵，需要进行安全防护。超声检测穿透能力大，探伤灵敏度高，但对工件表面光洁度要求较高，同时需要专业人员操作。涡流检测根据不同环氧树脂配比和纤维编制排列的材料的电导率不同来检测裂纹，仅适用于导电复合材料，对测试人员也需专门培训。敲击检测方法设备简单，操作方便，但仅适合大型复合材料结构的现场检验，对小缺陷灵敏度低；光纤应变传感器检测具有一系列的优点，如稳定性好、可靠性高、精度高、抗干扰、结构简单等，但设备昂贵，不适用于常规检测。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳纤维复合材料破坏失效声发射检测装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪；其中，所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。
进一步地，所述声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成；所述带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型的装置具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等优点，可动态提取和反馈复合材料在加载过程中出现的破坏失效信息；一次试验中可整体探测和评价整个复合材料结构的缺陷状态；适应于监控复合材料结构的早期或临近破坏特性预测。
2、本实用新型的方法通过声发射测试获取的幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图，可准确、快速地确定复合材料在各个加载阶段的主导失效模式和失效机理，为深入研究复合材料的性能劣化机制提出技术支撑。
附图说明
图1是本实用新型装置的线框原理框图；
图2是铅笔芯模拟声发射信号装置图；
图3是铅笔芯破裂源标定法原理图。
具体实施方式
作为一种检测复合材料结构破坏失效特征的先进技术，声发射技术具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等优点，可以提取和反馈复合材料动态损伤和失效过程中的信息。目前，国内外已开展了基于声发射技术的复合材料破坏失效研究，然而对含有多种铺层角度、不同开孔尺寸的复合材料层合板的破坏失效特性研究较少。因此，本实用新型提出一种能够检测不同铺层、不同开孔尺寸的复合材料层合板破坏失效特性的声发射技术方法，其研究对象主要以[0o]、[90o]或两种铺层相交的[0o/90o]、[45o/-45o]层合板为主，研究方法主要通过搭建复合材料声发射测试系统，提取声发射特征参数（如能量、频率和幅值等）随加载历程的关系曲线，深入剖析复合材料的损伤演化特性、失效机理和主导失效模式，为复合材料结构的安全运行提供一种无损检测方法。
声发射检测技术的工作原理是材料在加载条件下局部因能量快速释放而发出瞬态弹性波并最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将试样材料的机械振动转换成电信号，然后通过前置放大器放大，再通过信号采集系统与显示系统记录数据，最后根据观察到的声发射信号对数据进行分析，从而来评定声发射源的特性。
下面根据附图和实施例详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本实用新型检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪，其中，声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成。两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。具体来说，带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。
两个传感器的间距由铅笔芯模拟声发射信号装置确定，如图2所示，铅笔芯模拟声发射信号装置包括：石墨铅笔芯、测力器、放大器、显示器、电容换能器、待测换能器、前置放大器、瞬态记录仪、计算机和函数记录仪，测力器固定在石墨铅笔芯上，测力器、放大器和显示器依次相连；电容换能器和待测换能器分别与前置放大器相连，前置放大器与瞬态记录仪相连，瞬态记录仪和函数记录仪分别与计算机相连。
测试时，电容换能器和待测换能器置于碳纤维复合材料上，如图3所示，石墨铅笔芯的笔尖在待测碳纤维复合材料表面绕支点移动一段距离，在函数记录仪上即可显示两只传感器之间的间距。例如，在时差定位中，最大传感器间距所对应的传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，如当门槛值为40dB，预定最小检测信号幅度为70dB衰减不宜大于30dB。传感器的标定由铅笔芯破裂源标定法（如图3所示）来确定。断裂铅笔芯可以产生一个阶跃函数形式的点源力，调节铅笔芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向，采用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法，计算40微秒接收波形结果与试验相一致。
工作时，根据铅笔芯模拟声发射信号装置确定的间距，将两个传感器固定在待测碳纤维复合材料表面，传感器能排除噪音信号的干扰，敏锐观察到试样中破坏的信号。传感器将振动信号转换为声信号并传送至前置放大器，可以采用美国物理声学公司（PAC）的R6a型号的产品，但不限于此。前置放大器采用宽频带放大电路，其频率范围为50KHz–2MKHz。前置放大器输出的信号经带通滤波器过滤，消除噪声后传送至信号采集处理系统，记录与显示系统分析由传感器传递过来的弹性波，从而绘制出能量-时间图、计数-时间图、幅值-时间图和幅值-位置等曲线图，并在显示屏上显示出来。
本实用新型的工作过程如下：
1.传感器间距的确定与安装。
由铅笔芯模拟声发射信号装置确定两个传感器的间距，两个传感器固定在碳纤维复合材料表面，在传感器与待测碳纤维复合材料之间填充耦合剂，使得两者之间具有良好的声耦合。耦合剂可以为凡士林，但不限于此。
2. 传感器获取复合材料破坏失效声发射信号，该信号经前置放大器放大后，由带通滤波器消除噪声，然后传送至声发射仪的信号采集处理系统。
3、信号采集处理系统处理后，在记录与显示系统中显示实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图。
4、由步骤3获得的实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图中得到的声发射信号来判断碳纤维复合材料破坏失效模式：具体如表1所示，当声发射信号的幅值为50-60dB时，表明基体开裂；当声发射信号的幅值为60-70dB时，表明界面脱粘、纤维拔出、横向撕裂；当声发射信号的幅值为70-80dB时，表明纤维拔出、纤维撕裂；当声发射信号的幅值≥80时，表明纤维束断裂。
Claims (2)
1.一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，其特征在于，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪；其中，所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。
2.根据权利要求1所述检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，其特征在于，所述声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成；所述带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120530 Termination date: 20141016 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |