基于声‑超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法

摘要

本发明公开了基于声‑超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法。监测系统与疲劳试验机建立通讯，切换电路根据疲劳试验机工作状态实现声‑超声检测与声发射监测模式自动切换；利用安装在被测试件上的四个压电换能器实现声‑超声检测及声发射监测，自动完成疲劳试验机加载、卸载过程中构件裂纹数据监测及静载过程中构件性能状态数据检测。本发明提供了一种更为全面的疲劳试验过程中构件裂纹及力学性能数据的自动监测方案，为构件疲劳试验及研究材料疲劳损伤特性提供了更丰富的试验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种构件疲劳试验数据采集及监测方法，具体为基于声-超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法。

背景技术

疲劳断裂是机械构件失效的主要形式之一。机械构件承受交变载荷或应变时，会引起局部应力变化及内部缺陷发展，使得力学性能下降，甚至造成构件疲劳断裂，进而引发安全事故。为此，对重要设备的关键构件进行疲劳试验，并深入研究其疲劳特性有着迫切需求目前的疲劳试验中有关疲劳裂纹、构件性能方面的数据获取主要以目视检查和简单计量为主，即通过肉眼观测被测试件是否出现裂纹，或者通过停机使用千分尺等检测裂纹大小等。这些方法存在效率低、难以实现自动化等局限性，难以获取疲劳裂纹萌生、扩展和断裂的全过程数据，且获取的数据类型单一。为实现对疲劳裂纹实时监控，授权公开号CN203572806U，授权公开日2014年4月30日的专利文献公开了一种疲劳裂纹在线检测系统，通过该系统可以实时监测疲劳裂纹的萌生和扩展，并能通过显微图像采集装置实时获取疲劳裂纹的图像信号，上述声发射检测系统仅能观察到加载过程中疲劳裂纹的变化，无法获知构件在静载和卸载下的裂纹状态信息，且难以获知试件材料的力学性能变化情况。申请公布号CN102253087A，公布日为2011年11月23日的专利文献公开了一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法，通过测量断裂线随着试样中疲劳裂纹扩展而依次断裂的情况，获得试样疲劳裂纹扩展参数，经过工控机处理，得出疲劳裂纹扩展速率，但该方法只能提供疲劳裂纹扩展速率单方面信息，无法为构件疲劳损伤特性研究提供更丰富更全面的疲劳试验数据，因此需要一种能够提供更全面疲劳试验数据的检测方法。

发明内容

本发明是提供基于声-超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法，该方法不仅能够通过声发射技术监测疲劳试验中被测试件在加载和卸载过程中疲劳裂纹的萌生和扩展，还能通过声-超声技术检测疲劳试验静载时试件裂纹的状态信息及其力学性能信息。

本发明采用的技术方案：基于声-超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法，其所采用的监测装置包括疲劳试验机、被测试件、工控机、四个压电换能器、超声信号发生器、声发射采集卡及切换电路。四个压电换能器分别安装在所述被测试件两端及两侧，且压电换能器与被测试件间填充有耦合剂，超声信号发生器通过切换电路与试件一端的两个压电换能器连接，被测试件另一端的两个压电换能器通过带通滤波器、前置放大器与声发射采集卡连接，声发射采集卡与工控机连接，工控机与疲劳试验机建立通讯，工控机可以通过获取疲劳试验机工作状态来控制切换电路的工作。

所述切换电路如图3所示，包括控制器、电阻R、NPN晶体管、二极管、继电器。其中控制器与工控机相连，开关K1、K2的固定触点端分别与试件一端的两个压电换能器相连，触点a、c端与超声信号发生器相连，触点b、d端与滤波器相连，开关K1、K2分别与触点b、d闭合是其初始状态，其中开关K1、K2可手动进行切换。当被测试件加载时，工控机通过与疲劳试验机通讯，获知疲劳试验机处于加载状态，向控制器发送等待指令，继电器线圈不通电，开关K1、K2不动作，监测系统处于声发射监测模式，当被测试件静载时，工控机可以获知疲劳试验机处于静载状态，向控制器发送动作指令，继电器线圈通电，开关K1、K2动作，监测系统处于声-超声检测模式。

在对被测试件加载时，监测系统处于声发射监测模式，通过压电换能器实时采集被测试件中由于疲劳裂纹萌生、扩展产生的声发射信号，经带通滤波器滤波与前置放大器放大，由声发射采集卡接收，再传送到工控机进行储存，当被测试件静载时，监测系统切换到声-超声检测模式，由超声信号发生器产生激励信号，经与其相连的压电换能器转换成超声波传入被测试件中，再传入被测试件另一端的压电换能器，经带通滤波器滤波与前置放大器放大，由声发射采集卡接收，再传送到工控机进行储存。

随着在被测试件上进行加载循环，直至试件断裂结束试验。将工控机中记录的声发射信号与声-超声信号提取出来，分别进行分析处理。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

自动完成疲劳试验机加载、卸载过程中构件裂纹数据监测及静载过程中构件性能状态数据的检测，经过分析处理采集到的声发射与声-超声信号，可以获知疲劳裂纹分布情况、裂纹数量增长率以及试验过程中被测试件力学性能变化情况等信息。由此可对被测试件进行动态评价，为构件疲劳试验和材料疲劳损伤研究提供更全面的试验数据。

附图说明

图1为疲劳试验监测系统示意图；

图2为压电换能器布置图；

图3为切换电路原理图；

图4为声发射监测模式原理图；

图5为声-超声检测模式原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1与如图2所示，本发明中的基于声-超声及声发射技术的构件疲劳试验数据监测方法，其所采用的监测装置包括疲劳试验机(1)、被测试件(2)、工控机(5)、压电换能器(9)、压电换能器(10)、压电换能器(11)、压电换能器(12)、超声信号发生器(4)、声发射采集卡(6)及切换电路(3)。四个压电换能器如图2所示分别安装在所述被测试件(2)两端及两侧，压电换能器与被测试件间填充有耦合剂，超声信号发生器(4)通过切换电路(3)与试件(2)一端的压电换能器(9)、压电换能器(11)连接，被测试件另一端的压电换能器(10)、压电换能器(12)通过带通滤波器(8)、前置放大器(7)与声发射采集卡(6)连接，声发射采集卡(6)与工控机(5)连接，工控机(5)与疲劳试验机(1)建立通讯。

如图3所示，所述切换电路包括控制器(31)、电阻(32)、NPN晶体管(33)、二极管(34)、继电器(35)，被测试件加载时，由工控机(5)向控制器(31)发送等待命令，控制器(31)向电路输入低电平，继电器线圈不通电，开关K1，K2分别与触点b，d接触，装置处于如图4所示声发射监测模式，被测试件静载时，由工控机(5)向控制器(31)发送动作命令，控制器(31)向电路输入高电平，继电器线圈通电，开关K1，K2分别与触点a，c接触，装置处于如图5所示声-超声检测模式。

下面以铝合金被测试件为例，对本发明的具体实施过程进行说明。本实例采用的超声信号发生器(4)激励频率范围为100kHz-1MHz、激励电压为300V，所述压电换能器中心频率为500KHZ，所述带通滤波器中心频率为1050KHz，通带宽度为1.9MHz，所述声发射信号采集卡(6)选用PCI-2信号采集卡，所述前置放大器(7)选用2/4/6型，放大倍数选择40倍，耦合剂选用凡士林。

首先，对声-超声检测模式和声发射监测模式进行调试和校准，具体过程如下：手动闭合继电器开关，使得监测系统处于声-超声检测模式，通过超声信号发生器(4)产生500kHz的正弦周期信号激励压电换能器(9)、压电换能器(11)，观察压电换能器(10)、压电换能器(12)的接收信号，调整压电换能器(9)、压电换能器(10)、压电换能器(11)、压电换能器(12)的耦合状态，使得接收信号幅值最大；然后手动复位继电器开关，使得监测系统处于声发射监测模式，利用断铅实验对声发射软件中各参数进行调整，使得接收信号能量最大。

根据《GB/T 3075-2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，采用如图2所示矩形截面的标准试样，在疲劳试验机的操作界面中将最大应力σ_max设置为100KN，应力比选用正弦波波形，频率设为2.5Hz，其中应力比R表示在疲劳试验中任一个单循环的最小应力σ_min与最大应力σ_max比值。

其次，开始疲劳试验及疲劳试验数据监测。

当被测试件(2)加载时，工控机(5)通过与疲劳试验机(1)通讯，获知疲劳试验机(1)处于加载状态，工控机(5)向控制器(31)发送等待命令，切换电路(3)不动作，监测系统处于声发射监测模式，通过压电换能器(9)、压电换能器(11)、压电换能器(10)和压电换能器(12)实时采集被测试件中由于疲劳裂纹萌生、扩展产生的声发射信号，经带通滤波器(8)滤波与前置放大器(7)放大处理，由声发射采集卡(6)接收，再传送到工控机(5)进行储存。

当被测试件静载时，工控机(5)通过与疲劳试验机(1)通讯，获知疲劳试验机(1)处于静载状态，由工控机(5)向控制器(31)发送动作命令，切换电路(3)动作，监测系统进入声-超声检测模式，超声信号发生器(4)先后对压电换能器(9)、压电换能器(11)产生激励信号传入被测试件(2)中，然后分别由接收声-超声信号用的压电换能器(10)、压电换能器(12)接收声-超声信号，经带通滤波器(8)滤波与前置放大器(7)放大处理，由声发射采集卡(6)接收，再传送到工控机(5)进行储存。

最后，进行疲劳试验的加载循环，直至试件断裂或达到设置的循环次数后，结束试验。将工控机中记录的声发射信号与声超声信号提取出来，用于后续的构件疲劳试验过程中裂纹状态变化及构件性能变化的分析。