非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)及方法與流程

本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在不損害材料的前提下對(duì)研究對(duì)象的缺陷分布以及損傷發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。例如，非接觸應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量可以研究材料受力過(guò)程中的全場(chǎng)變形特征并且測(cè)試裝置可以與測(cè)試試樣保持一定的距離，聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)材料的損傷發(fā)展情況獲取材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展信息，并實(shí)現(xiàn)損傷定位。將非接觸應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試技術(shù)與聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)相結(jié)合可以有效的研究材料在受力全過(guò)程中損傷演化情況與材料全場(chǎng)變形行為之間的關(guān)系，對(duì)深入研究材料的損傷機(jī)理以及解決工程實(shí)際問題都有重大意義。

在現(xiàn)有技術(shù)中，非接觸應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量（例如，數(shù)字圖像相關(guān)法）需要捕捉測(cè)試過(guò)程中材料或結(jié)構(gòu)表面的變形圖像，這就要求所測(cè)材料或結(jié)構(gòu)表面無(wú)覆蓋，這對(duì)聲發(fā)射傳感器的固定方法提出了苛刻的要求。在現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)固定原理可將聲發(fā)射傳感器的固定方案分成以下幾類：1、磁性固定法，例如專利CN105136912A“一種聲發(fā)射檢測(cè)傳感器固定裝置”、專利CN102253124A“一種聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備探頭的通用固定裝置”以及專利CN205484214U“一種聲發(fā)射傳感器的夾持裝置”等；2、框架固定法，例如專利CN101571517A“聲發(fā)射測(cè)試傳感器固定裝置”、專利CN101571516“萬(wàn)向式聲發(fā)射測(cè)試傳感器固定裝置”和專利CN105842343A“一種將聲發(fā)射傳感器內(nèi)置于真三軸腔室的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置”等；3、捆綁粘貼法（膠帶或皮筋）；4、間接固定方法，例如專利CN204154687U“用于非金屬試件的聲發(fā)射傳感器固定裝置”，專利CN204436964U“一種聲發(fā)射檢測(cè)儀器探頭的簡(jiǎn)易固定裝置”以及專利CN102661999A“用于混凝土表面的聲發(fā)射傳感器固定裝置”等。

雖然現(xiàn)有技術(shù)中已公開諸多用于固定聲發(fā)射傳感器的解決方案，但是現(xiàn)有技術(shù)仍然無(wú)法解決無(wú)磁性材料非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試過(guò)程中聲發(fā)射傳感器的固定問題，主要原因如下：1、無(wú)磁性材料無(wú)法使用磁性固定法；2、對(duì)于框架固定法，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中測(cè)試試樣的尺寸一般較小，因此實(shí)驗(yàn)操作難度大，而且用于非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試時(shí)固定裝置會(huì)對(duì)測(cè)試試樣表面產(chǎn)生一定的遮擋，致使應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量無(wú)法進(jìn)行；3、膠帶固定法是一種簡(jiǎn)單易施的聲發(fā)射傳感器固定方法，但是同理，膠帶同樣會(huì)遮擋測(cè)試表面，因此該方案也無(wú)法用于非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試；4、間接固定方法通過(guò)在測(cè)試試樣表面粘貼轉(zhuǎn)換層（塑料套或金屬板），進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)換層對(duì)傳感器進(jìn)行固定，但是在材料力學(xué)測(cè)試過(guò)程中（例如，拉伸實(shí)驗(yàn)或壓縮實(shí)驗(yàn)），由于轉(zhuǎn)換層與測(cè)試試樣之間的粘結(jié)劑會(huì)逐步脫粘，脫粘過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)將影響聲發(fā)射的測(cè)量結(jié)果。此外，轉(zhuǎn)換層與測(cè)試試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將共同受力變形，一定程度上影響了載荷示數(shù)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與真實(shí)結(jié)果出現(xiàn)較為明顯的偏差。

因此，有必要提供一種能夠用于無(wú)磁性材料并可以同時(shí)兼容非接觸應(yīng)變場(chǎng)以及聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)量的聲發(fā)射傳感器固定方法和固定裝置，實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)單、可靠的聯(lián)合測(cè)試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：測(cè)試試樣、試驗(yàn)機(jī)夾具、聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射采集系統(tǒng)、攝像頭、圖像采集控制設(shè)備和固定裝置；所述測(cè)試試樣為矩形條狀的無(wú)磁性材料，所述試驗(yàn)機(jī)夾具數(shù)量為兩個(gè)，試驗(yàn)機(jī)夾具分別夾持在測(cè)試試樣的上下兩端，對(duì)測(cè)試試樣進(jìn)行拉伸；所述聲發(fā)射傳感器和攝像頭分別固定在測(cè)試試樣的左右相對(duì)兩側(cè)，聲發(fā)射傳感器將采集的聲信號(hào)發(fā)送至聲發(fā)射采集系統(tǒng)，攝像頭將采集的圖像信號(hào)發(fā)送至圖像采集控制設(shè)備；所述聲發(fā)射傳感器為圓柱體，圓柱體的頂面為傳感面，聲發(fā)射傳感器通過(guò)固定裝置固定，使得聲發(fā)射傳感器的傳感面緊貼測(cè)試試樣的表面。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

所述測(cè)試試樣為陶瓷基復(fù)合材料。

所述固定裝置包括固定塊、支撐墊片和固定膠帶，所述固定塊為彈性的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，固定塊中部設(shè)有與聲發(fā)射傳感器形狀相配合的固定槽，所述固定槽在固定塊的表面形成圓形開口，聲發(fā)射傳感器安裝在固定槽中，聲發(fā)射傳感器的底面與固定槽的槽底貼合，聲發(fā)射傳感器的頂面與圓形開口平齊；所述支撐墊片為一對(duì)相同的平板墊片，支撐墊片的一端開設(shè)有矩形缺口，所述矩形缺口的寬度與測(cè)試試樣的寬度相同，兩個(gè)支撐墊片均通過(guò)矩形缺口卡住測(cè)試試樣，并通過(guò)矩形缺口表面涂覆的粘結(jié)劑與測(cè)試試樣的表面保持垂直固定，固定塊夾設(shè)在兩個(gè)支撐墊片之間；所述固定膠帶將固定塊和支撐墊片連接固定。

所述固定塊由聚乙烯發(fā)泡棉制成。

所述固定膠帶分為兩段，分別固定兩片支撐墊片，兩段固定膠帶之間無(wú)直接接觸。

此外，本發(fā)明還提出了一種基于上述非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）在一對(duì)支撐墊片的矩形缺口處均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠，將支撐墊片粘貼到測(cè)試試樣的實(shí)驗(yàn)段；

2）待環(huán)氧樹脂膠完全凝固后，使用丙烯酸啞光白噴漆將測(cè)試試樣的變形測(cè)量面均勻覆蓋成白色，風(fēng)干后使用啞光黑丙烯酸噴漆在白色漆面上噴制散斑圖案；

3）采用攝像頭拍攝測(cè)試試樣的散斑照片，對(duì)散斑照片進(jìn)行分析，建立散斑灰度直方圖；

4）啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將測(cè)試試樣裝夾到試驗(yàn)機(jī)夾具上并消除預(yù)緊力；

5）將聲發(fā)射傳感器安裝到固定塊的固定槽中，聲發(fā)射傳感器的底面與固定槽的槽底貼合，聲發(fā)射傳感器的頂面與圓形開口平齊；

6）將固定塊安裝到兩個(gè)支撐墊片之間，使得聲發(fā)射傳感器的傳感面緊貼與測(cè)試試樣的變形測(cè)量面相反的一面，并通過(guò)固定膠帶固定；

7）調(diào)整攝像頭的拍攝距離和焦距，調(diào)節(jié)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的測(cè)試門檻值，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的加載速率；

8）同時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、圖像采集控制設(shè)備和聲發(fā)射采集系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)對(duì)測(cè)試試樣進(jìn)行拉伸，實(shí)現(xiàn)非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射的聯(lián)合測(cè)試。

步驟3）中，若散斑灰度直方圖為高斯分布或鐘型分布，則散斑滿足測(cè)試要求；若散斑灰度直方圖為雙峰分布，則重新制作散斑。

步驟6）中，在將固定塊安裝到兩個(gè)支撐墊片之間之前，沿測(cè)試試樣的拉伸方向?qū)潭▔K進(jìn)行預(yù)壓縮處理。

所述拍攝距離為1.5m，所述焦距為50mm，所述測(cè)試門檻值為40dB，所述循環(huán)加載速率為0.1mm/min。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明解決了無(wú)磁性材料在進(jìn)行非接觸應(yīng)變場(chǎng)以及聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試時(shí)聲發(fā)射傳感器的固定問題；

2、本發(fā)明中支撐墊片跟隨測(cè)試試樣發(fā)生同向變形，同時(shí)預(yù)壓縮的彈性固定塊能主動(dòng)填補(bǔ)支撐墊片反向移動(dòng)產(chǎn)生的變形間隙，亦能承受支撐墊片相向移動(dòng)造成的壓縮變形，彈性固定塊的變形跟隨性保證了聲發(fā)射傳感器的有效固定，聲發(fā)射傳感器在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，彈性固定塊的自行膨脹與收縮不會(huì)對(duì)載荷示數(shù)造成影響，并且不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，因此本發(fā)明方案測(cè)試精度高；

3、本發(fā)明所涉及測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，無(wú)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及零件，對(duì)非接觸應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試表面無(wú)遮擋，聲發(fā)射傳感器和固定裝置還能夠拆分，實(shí)驗(yàn)操作難度小，實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本低；

4、本發(fā)明所提出的方案簡(jiǎn)單易施，固定效果好并且具有通用性，針對(duì)不同尺寸的測(cè)試試樣進(jìn)行微調(diào)即可實(shí)施，同時(shí)，本方案不僅可以用于無(wú)磁性材料，對(duì)磁性材料同樣適用。

附圖說(shuō)明

圖1是測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是固定塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是聲發(fā)射傳感器安裝在固定塊中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是支撐墊片的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記如下：測(cè)試試樣1、試驗(yàn)機(jī)夾具2、聲發(fā)射傳感器3、聲發(fā)射采集系統(tǒng)4、攝像頭5、圖像采集控制設(shè)備6、固定裝置7、固定塊8、支撐墊片9、固定膠帶10、固定槽11、圓形開口12、矩形缺口13。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)試試樣1、試驗(yàn)機(jī)夾具2、聲發(fā)射傳感器3、聲發(fā)射采集系統(tǒng)4、攝像頭5、圖像采集控制設(shè)備6和固定裝置7。測(cè)試試樣1為矩形條狀的無(wú)磁性材料，如陶瓷基復(fù)合材料，試驗(yàn)機(jī)夾具2數(shù)量為一對(duì)，分別夾持在測(cè)試試樣1的上下兩端，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)測(cè)試試樣1進(jìn)行拉伸。聲發(fā)射傳感器3和攝像頭5分別固定在測(cè)試試樣1的左右相對(duì)兩側(cè)，聲發(fā)射傳感器3將采集的聲信號(hào)發(fā)送至聲發(fā)射采集系統(tǒng)4，攝像頭5將采集的圖像信號(hào)發(fā)送至圖像采集控制設(shè)備6，由于測(cè)試試樣1受力損傷會(huì)發(fā)出聲音信號(hào)，聲發(fā)射傳感器3可以采集到這種聲信號(hào)，聲發(fā)射采集系統(tǒng)4通過(guò)分析采集到的聲信號(hào)就可以對(duì)測(cè)試試樣1的損傷過(guò)程以及損傷機(jī)理進(jìn)行分析，而攝像頭5（也就是工業(yè)相機(jī)）采集的是測(cè)試試樣1的形變照片，圖像采集控制設(shè)備6通過(guò)非接觸測(cè)量算法對(duì)不同時(shí)刻的形變照片進(jìn)行比對(duì)就能計(jì)算出測(cè)試試樣1的變形情況。

進(jìn)一步參照?qǐng)D2-4，聲發(fā)射傳感器3為圓柱體，圓柱體的頂面為傳感面，聲發(fā)射傳感器3通過(guò)固定裝置7固定，使得聲發(fā)射傳感器3的傳感面緊貼測(cè)試試樣1的表面。固定裝置7包括固定塊8、支撐墊片9和固定膠帶10，固定塊8為彈性的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，可由聚乙烯發(fā)泡棉制成，固定塊8中部設(shè)有與聲發(fā)射傳感器3形狀相配合的固定槽11，固定槽11在固定塊8的表面形成圓形開口12，聲發(fā)射傳感器3安裝在固定槽11中，聲發(fā)射傳感器3的底面與固定槽11的槽底貼合，聲發(fā)射傳感器3的頂面與圓形開口12平齊。

支撐墊片9為一對(duì)相同的平板墊片，支撐墊片9的一端開設(shè)有矩形缺口13，矩形缺口13的寬度與測(cè)試試樣1的寬度相同，兩個(gè)支撐墊片9均通過(guò)矩形缺口13卡住測(cè)試試樣1，并通過(guò)矩形缺口13表面涂覆的粘結(jié)劑與測(cè)試試樣1的表面保持垂直固定，粘結(jié)劑可采用環(huán)氧樹脂膠，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中支撐墊片9根據(jù)測(cè)試試樣1發(fā)生同向變形。

繼續(xù)參照?qǐng)D1，兩個(gè)支撐墊片9呈平行間隔狀，固定塊8的厚度略大于支撐墊片9的非缺口部分的長(zhǎng)度，固定塊8的長(zhǎng)度略大于兩片支撐墊片9之間的距離，固定塊8與聲發(fā)射傳感器3安裝好后便固定于支撐墊片9之間，安裝時(shí)應(yīng)沿著測(cè)試試樣1的拉伸方向（即固定塊8的長(zhǎng)度方向）將固定塊8壓縮，以便固定塊3與聲發(fā)射傳感器3的組合體可以完全置于支撐墊片9之間，實(shí)驗(yàn)時(shí)預(yù)壓縮的固定塊3會(huì)發(fā)生膨脹填補(bǔ)支撐墊片9由于跟隨測(cè)試試樣1拉伸變形帶來(lái)的空隙，亦可承受壓縮變形，避免聲發(fā)射傳感器3直接受壓，保證聲發(fā)射傳感器3的牢固固定。固定膠帶10將支撐墊片9與彈性固定塊8進(jìn)行固定，固定膠帶10具有兩段，兩段固定膠帶10無(wú)直接接觸，防止固定膠帶10對(duì)固定塊8變形產(chǎn)生約束。

采用以上非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合分體式測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下實(shí)驗(yàn)步驟：

一、取一對(duì)支撐墊片9并在支撐墊片9的矩形缺口13處均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠，然后將支撐墊片9粘貼到陶瓷基復(fù)合材料測(cè)試試樣1的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為25 mm，支撐墊片9的無(wú)缺口區(qū)域長(zhǎng)度為15 mm；

二、待環(huán)氧樹脂膠完全凝固后，使用丙烯酸啞光白噴漆將測(cè)試試樣1的變形測(cè)量面覆蓋成白色，漆面覆蓋必須目視均勻，將噴過(guò)漆的試樣放在通風(fēng)處風(fēng)干，啞光噴漆用于降低試樣漆面的反光，減小變形測(cè)量噪聲；待白色漆面完全風(fēng)干后使用啞光黑丙烯酸噴漆在白色漆面上噴制散斑圖案；

三、拍攝測(cè)試試樣1的散斑照片，對(duì)散斑質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估規(guī)則為，若散斑灰度直方圖分布為高斯分布或鐘型分布則表示散斑滿足測(cè)試要求，若灰度直方圖表現(xiàn)為雙峰分布則表示需要重新制作散斑，實(shí)驗(yàn)中使用Photoshop軟件對(duì)散斑照片的灰度分布進(jìn)行分析；

四、啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將測(cè)試試樣1裝夾到試驗(yàn)機(jī)夾具2上并消除預(yù)緊力，實(shí)驗(yàn)中所用試驗(yàn)機(jī)為MTS Landmark電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)；

五、將聲發(fā)射傳感器3安裝到彈性固定塊8的開口中，聲發(fā)射傳感器3的底面與彈性固定塊8開口的盲端相對(duì)，彈性固定塊8的長(zhǎng)度為27 mm，厚度為17 mm，由聚乙烯發(fā)泡棉制成，聲發(fā)射傳感器3的厚度為10mm，型號(hào)為PXR50；

六、將步驟五中得到的組合體安裝到支撐墊片9之間，聲發(fā)射傳感器3的正面與測(cè)試試樣1表面相對(duì)，在聲發(fā)射傳感器3與測(cè)試試樣1表面之間涂抹凡士林耦合劑，安裝時(shí)先將固定塊8預(yù)壓縮，以保證固定塊8在測(cè)試試樣1承受拉伸載荷時(shí)能夠發(fā)生膨脹，填補(bǔ)變形間隙；

七、將一段固定膠帶10的一端粘貼于上方支撐墊片9的上表面，另一端固定于固定塊8上，將另一段固定膠帶10的一端粘貼于下方支撐墊片9的下表面，另一端固定于固定塊8上，固定膠帶10應(yīng)壓緊固定塊8，使得固定塊8壓縮至與支撐墊片9末端平齊，以保證聲發(fā)射傳感器3與測(cè)試試樣1緊密結(jié)合，固定膠帶10采用PVC膠布；

八、打開攝像頭5與圖像采集控制設(shè)備6，調(diào)整拍攝距離至1.5m，焦距調(diào)至50mm，得到良好的觀測(cè)視野，攝像頭5采用AVT Stingray F-201B黑白工業(yè)相機(jī)，鏡頭采用Computar 50mm定焦工業(yè)相機(jī)鏡頭，圖像采集控制設(shè)備6包括計(jì)算機(jī)以及圖像采集軟件；

九、打開聲發(fā)射采集系統(tǒng)4，設(shè)置聲發(fā)射測(cè)試門檻值為40 dB，聲發(fā)射采集系統(tǒng)4包括PAC PCI-2聲發(fā)射采集卡、PXPAIV聲發(fā)射放大器、同軸電纜、計(jì)算機(jī)以及PXAES軟件；

十、設(shè)置試驗(yàn)機(jī)加載速率為0.1 mm/min，同時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、圖像采集控制設(shè)備6以及聲發(fā)射采集系統(tǒng)4進(jìn)行非接觸應(yīng)變場(chǎng)以及聲發(fā)射的聯(lián)合測(cè)試。

需要注意的是，發(fā)明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語(yǔ)，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。