本發(fā)明屬于無損檢測(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)合一體式測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

材料的無損檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)今的熱點(diǎn)領(lǐng)域，無損檢測(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)試過程中材料表面的變形圖像，這就要求所測(cè)材料表面無覆蓋，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)射試驗(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)射傳感器的方案，但是現(xiàn)有技術(shù)仍然無法解決無磁性材料非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試過程中聲發(fā)射傳感器的固定問題，主要原因如下：1、無磁性材料無法使用磁性固定法；2、對(duì)于框架固定法，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在材料力學(xué)試驗(yàn)中測(cè)試試樣的尺寸一般較小，因此試驗(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)試過程中（例如，拉伸試驗(yàn)或壓縮試驗(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)換層剛度較大，并且與測(cè)試試樣在試驗(yàn)過程中將共同受力變形，在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)量的測(cè)試方法和固定裝置，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)合一體式測(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)合一體式測(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)射傳感器通過固定裝置固定，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。

所述聲發(fā)射傳感器為圓柱體，圓柱體的頂面為傳感面；所述固定裝置包括固定塊和雙面粘貼墊片，所述固定塊為長(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)射傳感器的頂面與開口平齊，所述雙面粘貼墊片粘貼在固定塊具有開口的表面上。

所述固定塊由聚乙烯發(fā)泡棉制成。

所述雙面粘貼墊片為長(zhǎng)方體片狀結(jié)構(gòu)，雙面粘貼墊片由硅膠板制成。

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)合一體式測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）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)射傳感器的頂面與開口平齊；

2）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，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）將固定塊通過雙面粘貼墊片粘貼在測(cè)試試樣上，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；

5）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)的循環(huán)加載頻率和應(yīng)力比；

6）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4）中，在將固定塊粘貼在測(cè)試試樣上之前，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)加載頻率為5Hz，所述應(yīng)力比為0.05。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明解決了無磁性材料在進(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)明中傳感器固定塊通過雙面粘貼墊片跟隨測(cè)試試樣發(fā)生同向變形，預(yù)壓縮固定塊能主動(dòng)填補(bǔ)拉伸載荷作用下產(chǎn)生的變形間隙，亦能承受壓縮載荷所用下造成的壓縮變形，固定塊的跟隨性保證了聲發(fā)射傳感器的有效固定，使得聲發(fā)射傳感器在測(cè)試過程中不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，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)，傳感器和固定裝置為一體，同時(shí)試驗(yàn)操作難度小，試驗(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磁性材料，對(duì)磁性材料同樣適用。

附圖說明

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是雙面粘貼墊片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是雙面粘貼墊片粘貼到固定塊上的結(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、雙面粘貼墊片9、固定槽10、開口11。

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)的說明。

如圖1所示，非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測(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)D2-5，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和雙面粘貼墊片9，固定塊8為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有與聲發(fā)射傳感器3形狀相配合的固定槽10，固定槽10在固定塊8的表面形成開口11，聲發(fā)射傳感器3安裝在固定槽10中，聲發(fā)射傳感器3的底面與固定槽10的槽底貼合，聲發(fā)射傳感器3的頂面與開口11平齊，雙面粘貼墊片9粘貼在固定塊8具有開口11的表面上。固定塊8由如聚乙烯發(fā)泡棉等彈性較好的材料制成，雙面粘貼墊片9為長(zhǎng)方體薄片結(jié)構(gòu)，由硅膠板制成，雙面粘貼墊片9的兩面均粘有雙面膠，安裝時(shí)雙面粘貼墊片9位于測(cè)試試樣1與固定塊8中間，通過雙面膠與測(cè)試試樣1以及固定塊8進(jìn)行粘貼固定，固定塊8進(jìn)行粘貼時(shí)應(yīng)先進(jìn)行預(yù)壓縮，保證進(jìn)行拉伸載荷作用時(shí)固定塊8能夠發(fā)生膨脹變形，持續(xù)抵緊聲發(fā)射傳感器3。

采用以上非接觸應(yīng)變場(chǎng)與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測(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)雙面粘貼墊片9，并在雙面粘貼墊片9的上下兩面粘貼雙面膠，將一對(duì)雙面粘貼墊片9貼到固定塊8具有開口11的一面；

二、將聲發(fā)射傳感器3安裝到固定塊8的開口11中，聲發(fā)射傳感器3的底面與開口11的盲端相對(duì)，實(shí)驗(yàn)中聲發(fā)射傳感器3型號(hào)為PXR50；

三、使用丙烯酸啞光白噴漆將陶瓷基復(fù)合材料的測(cè)試試樣1的變形測(cè)量面覆蓋成白色，漆面覆蓋必須均勻，將噴過漆的測(cè)試試樣1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；

四、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；

五、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；

六、將步驟二中得到的組件粘貼到測(cè)試試樣1未噴制散斑的表面，即與變形測(cè)量面相反的一面，粘貼時(shí)壓緊固定塊8，聲發(fā)射傳感器3的傳感面與測(cè)試試樣1表面相對(duì)，粘貼時(shí)沿拉伸方向?qū)潭▔K8進(jìn)行預(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)生膨脹變形，填補(bǔ)變形間隙，保證聲發(fā)射傳感器3的穩(wěn)固固定；

七、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，實(shí)驗(yàn)中攝像頭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VIC Snap軟件；

八、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；

九、設(shè)置試驗(yàn)機(jī)循環(huán)加載頻率為5 Hz，應(yīng)力比為0.05，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)。

十、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，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)人員來說，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。