本發(fā)明屬于無損檢測技術領域，具體涉及一種非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)及方法。

背景技術：

材料的無損檢測技術是當今的熱點領域，無損檢測技術可以在不損害材料的前提下對研究對象的缺陷分布以及損傷發(fā)展情況進行監(jiān)測。例如，非接觸應變場的測量可以研究材料受力過程中的全場變形特征并且測試裝置可以與測試試樣保持一定的距離，聲發(fā)射測試技術可以實時在線監(jiān)測材料的損傷發(fā)展情況獲取材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展信息，并實現(xiàn)損傷定位。將非接觸應變場測試技術與聲發(fā)射測試技術相結(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變形行為之間的關系，對深入研究材料的損傷機理以及解決工程實際問題都有重大意義。

在現(xiàn)有技術中，非接觸應變場的測量（例如，數(shù)字圖像相關法）需要捕捉測試過程中材料表面的變形圖像，這就要求所測材料表面無覆蓋，這對聲發(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)射檢測傳感器固定裝置”、專利CN102253124A“一種聲發(fā)射檢測設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)射測試傳感器固定裝置”、專利CN101571516“萬向式聲發(fā)射測試傳感器固定裝置”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)射檢測儀器探頭的簡易固定裝置”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)有技術仍然無法解決無磁性材料非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合測試過程中聲發(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、對于框架固定法，其結(jié)構(gòu)復雜。在材料力學試驗中測試試樣的尺寸一般較小，因此試驗操作難度大，而且用于非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合測試時固定裝置會對測試試樣表面產(chǎn)生一定的遮擋，致使應變場測量無法進行；3、膠帶固定法是一種簡單易施的聲發(fā)射傳感器固定方法，但是同理，膠帶同樣會遮擋測試表面，因此該方案也無法用于非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合測試；4、間接固定方法通過在測試試樣表面粘貼轉(zhuǎn)換層（塑料套或金屬板），進而通過轉(zhuǎn)換層對傳感器進行固定，但是在材料力學測試過程中（例如，拉伸試驗或壓縮試驗），由于轉(zhuǎn)換層與測試試樣之間的粘結(jié)劑會逐步脫粘，脫粘過程中產(chǎn)生的噪聲信號將影響聲發(fā)射的測量結(jié)果。此外，轉(zhuǎn)換層剛度較大，并且與測試試樣在試驗過程中將共同受力變形，在一定程度上影響了載荷示數(shù)，會導致測試結(jié)果與真實結(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兼容非接觸應變場以及聲發(fā)射聯(lián)合測量的測試方法和固定裝置，實現(xiàn)快速、簡單、可靠的聯(lián)合測試。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)，其特征在于，包括：測試試樣、試驗機夾具、聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射采集系統(tǒng)、攝像頭、圖像采集控制設備和固定裝置；所述測試試樣為矩形條狀的無磁性材料，所述試驗機夾具數(shù)量為兩個，試驗機夾具分別夾持在測試試樣的上下兩端，對測試試樣進行拉伸；所述聲發(fā)射傳感器和攝像頭分別固定在測試試樣的左右相對兩側(cè)，聲發(fā)射傳感器將采集的聲信號發(fā)送至聲發(fā)射采集系統(tǒng)，攝像頭將采集的圖像信號發(fā)送至圖像采集控制設備；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試試樣的表面。

為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

所述測試試樣為陶瓷基復合材料。

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，所述固定塊為長方體結(jié)構(gòu)，固定塊中部設有與聲發(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變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)的測量方法，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試試樣的變形測量面均勻覆蓋，風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）采用攝像頭拍攝測試試樣的散斑照片，對散斑照片進行分析，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試試樣上，使得聲發(fā)射傳感器的傳感面緊貼與測試試樣的變形測量面相反的一面；

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)的測試門檻值，設置試驗機的循環(huán)加載頻率和應力比；

6）同時啟動試驗機、圖像采集控制設備和聲發(fā)射采集系統(tǒng)，試驗機對測試試樣進行拉伸，實現(xiàn)非接觸應變場與聲發(fā)射的聯(lián)合測試。

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試試樣上之前，沿測試試樣的拉伸方向?qū)潭▔K進行預壓縮處理。

所述拍攝距離為1.5m，所述焦距為50mm，所述測試門檻值為40dB，所述循環(huán)加載頻率為5Hz，所述應力比為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行非接觸應變場以及聲發(fā)射聯(lián)合測試時聲發(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試試樣發(fā)生同向變形，預壓縮固定塊能主動填補拉伸載荷作用下產(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)射傳感器在測試過程中不會發(fā)生滑動，固定塊的自行膨脹與收縮不會對載荷示數(shù)造成影響，并且不會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，因此本發(fā)明方案測試精度高；

3、本發(fā)明所涉及測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，傳感器和固定裝置為一體，同時試驗操作難度小，試驗測試成本低；

4、本發(fā)明所提出的方案簡單易施，固定效果好并且具有通用性，針對不同尺寸的測試試樣進行微調(diào)即可實施，同時，本方案不僅可以用于無磁性材料，對磁性材料同樣適用。

附圖說明

圖1是測量系統(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。

附圖標記如下：測試試樣1、試驗機夾具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。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)包括測試試樣1、試驗機夾具2、聲發(fā)射傳感器3、聲發(fā)射采集系統(tǒng)4、攝像頭5、圖像采集控制設備6和固定裝置7。測試試樣1為矩形條狀的無磁性材料，如陶瓷基復合材料，試驗機夾具2數(shù)量為一對，分別夾持在測試試樣1的上下兩端，通過試驗機對測試試樣1進行拉伸。聲發(fā)射傳感器3和攝像頭5分別固定在測試試樣1的左右相對兩側(cè)，聲發(fā)射傳感器3將采集的聲信號發(fā)送至聲發(fā)射采集系統(tǒng)4，攝像頭5將采集的圖像信號發(fā)送至圖像采集控制設備6，由于測試試樣1受力損傷會發(fā)出聲音信號，聲發(fā)射傳感器3可以采集到這種聲信號，聲發(fā)射采集系統(tǒng)4通過分析采集到的聲信號就可以對測試試樣1的損傷過程以及損傷機理進行分析，而攝像頭5（也就是工業(yè)相機）采集的是測試試樣1的形變照片，圖像采集控制設備6通過非接觸測量算法對不同時刻的形變照片進行比對就能計算出測試試樣1的變形情況。

進一步參照圖2-5，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為長方體結(jié)構(gòu)，中部設有與聲發(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，安裝時雙面粘貼墊片9位于測試試樣1與固定塊8中間，通過雙面膠與測試試樣1以及固定塊8進行粘貼固定，固定塊8進行粘貼時應先進行預壓縮，保證進行拉伸載荷作用時固定塊8能夠發(fā)生膨脹變形，持續(xù)抵緊聲發(fā)射傳感器3。

采用以上非接觸應變場與聲發(fā)射聯(lián)合一體式測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下實驗步驟：

一、取一對雙面粘貼墊片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，實驗中聲發(fā)射傳感器3型號為PXR50；

三、使用丙烯酸啞光白噴漆將陶瓷基復合材料的測試試樣1的變形測量面覆蓋成白色，漆面覆蓋必須均勻，將噴過漆的測試試樣1放在通風處風干，啞光噴漆用于降低試樣漆面的反光，減小變形測量噪聲；

四、待白色漆面完全風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、拍攝測試試樣1的散斑照片，對散斑質(zhì)量進行評估，評估規(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；實驗中，使用Photoshop軟件對散斑照片的灰度分布進行分析；

六、將步驟二中得到的組件粘貼到測試試樣1未噴制散斑的表面，即與變形測量面相反的一面，粘貼時壓緊固定塊8，聲發(fā)射傳感器3的傳感面與測試試樣1表面相對，粘貼時沿拉伸方向?qū)潭▔K8進行預壓縮，以保證固定塊8在測試試樣1承受拉伸載荷時能夠發(fā)生膨脹變形，填補變形間隙，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，得到良好的觀測視野，實驗中攝像頭5采用AVT Stingray F-201B黑白工業(yè)相機，鏡頭采用Computar 50mm定焦工業(yè)相機鏡頭，圖像采集控制設備6包括計算機以及VIC Snap軟件；

八、打開聲發(fā)射采集系統(tǒng)4，設置聲發(fā)射測試門檻值為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、計算機以及PXAES軟件；

九、設置試驗機循環(huán)加載頻率為5 Hz，應力比為0.05，實驗中所用試驗機為MTS Landmark電液伺服疲勞試驗機。

十、同時啟動試驗機、圖像采集控制設備6以及聲發(fā)射采集系統(tǒng)4進行非接觸應變場以及聲發(fā)射的聯(lián)合測試。

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)明可實施的范圍，其相對關系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術內(nèi)容下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。