一种玻璃钢声发射源三角定位方法与流程

本发明涉及声发射检测技术领域，特别涉及一种玻璃钢声发射源三角定位方法。

背景技术：

玻璃钢复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、绝缘性好、绝热性好、可设计性好、工艺性优良等诸多优点，被广泛使用在建筑行业、石油化工业、交通运输业、电子通讯以及军工业等领域，玻璃钢储罐具有质量可靠、安全稳定、经久耐用的优点，在油田得到广泛使用。但是，玻璃钢复合材料容易老化，耐冲击性能差，使用中经常出现裂纹、分层损伤，致使复合材料结构性能下降，严重时造成重大经济损失。因此，在应用过程中对其进行安全检验是十分必要的。

声发射无损探伤技术在压力容器储罐的检测有着独特的优势，且在金属储罐检测方面研究应用成果丰富，而玻璃钢储罐声发射检测技术相关研究目前较少。玻璃钢材料具有声波信号衰减率较高且传播具有各向异性，这也加大了玻璃钢无损检测的技术难度。为解决实际应用中遇到的难题，必须掌握不同厚度玻璃钢材料中声发射波的基本声学特征才能进一步的开展声源定位等研究，其基本声学特征具体包括波速、频率、传播方向、传播速度、信号频率。基于此，本课题对玻璃钢材料声学特征和声源定位开展了先关研究。

此外，也有技术人员提出针对复合材料声发射源无损探伤同一个声发射源采用设置4个探头进行检测，并形成定位的方案，但是此方案并没有解决声发射在玻璃钢复合材料中不同方向传播速度不同而导致的定位存在误差的问题，另外声发射波在玻璃钢中衰减大，传感器距离布置很小时才会被4个传感器接收到。

技术实现要素：

为了满足玻璃钢罐体的声发射无损探伤需求，本发明实施例提供了一种一种玻璃钢声发射源三角定位方法。

其技术方案为：

步骤一，对待测玻璃钢传播特性进行测量角度及传播速度的测量，并将获取的试验结果使用曲线拟合得出的角度—速度多项式；该拟合公式含有角度α与 速度v两个变量；

步骤二，将传感器探头按照等腰三角形布置方法设置在待测的玻璃钢罐体上；

步骤三，设定等腰三角形三个顶点的坐标A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)，设定声发射源坐标为D(x，y)；得出声发射源D到三个传感器的时间分别为

A:

B:

C:

继而由时差定位方法的原理可以得到公式：

${\mathrm{\Δt}}_{AB}=t_B-t_A=\sqrt{{(x-x_2)}^2-{(y-y_2)}^2}/v_{BD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}$

${\mathrm{\Δt}}_{AC}=t_C-t_A=\sqrt{{(x-x_3)}^2-{(y-y_3)}^2}/v_{CD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}$

其中v_AD、v_BD、v_CD分别对应声发射源至各个传感器的传播速度；

以水平方向为基准线，v_AD、v_BD、v_CD的传播方向与基准线的夹角为α_AD、α_BD、α_CD，得出公式：

${\mathrm{\α}}_{AD}=arctan\left(\frac{|y-y_1|}{|x-x_1|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{BD}=arctan\left(\frac{|y-y_2|}{|x-x_2|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{CD}=arctan\left(\frac{|y-y_3|}{|x-x_3|}\right)$

步骤四，根据曲线拟合得出的角度—速度多项式，结合公式：

$\sqrt{{(x-x_2)}^2-{(y-y_2)}^2}/v_{BD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}-{\mathrm{\Δt}}_{AB}=0$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2-{(y-y_3)}^2}/v_{CD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}-{\mathrm{\Δt}}_{AC}=0$

${\mathrm{\α}}_{AD}=arctan\left(\frac{|y-y_1|}{|x-x_1|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{BD}=arctan\left(\frac{|y-y_2|}{|x-x_2|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{CD}=arctan\left(\frac{|y-y_3|}{|x-x_3|}\right)$

组成关于x、y的非线性方程组，其中A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)均为已知，Δt_AB、Δt_AC可以由声发射信号采集过程中通过到达时间来得到，经过求解可以得出声发射源的坐标。

优选为，所述传感器探头按照等腰三角形布置方法，首先分别测定声发射波在待测玻璃钢罐体的环向和轴向的传播速度，然后按照公式：L/H≈n的标准将三个传感器探头按照等腰三角形布置；

其中，H为等腰三角形的高；L为等腰三角形底边两个传感器探头的沿待测玻璃钢罐体表面的环向间距，n为声发射波在待测罐体的环向传播速度与轴向传播速度之比。

优选为，所述步骤一中，对待测玻璃钢传播特性进行测量角度及传播速度的测量，分别选取的角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

优选为，所述步骤一中，进行曲线拟合为使用Excel电子表格中的曲线拟合功能。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：解决了玻璃钢这种复合材料声发射检测方式因材料各向异性导致不同方向传播速度不同引起的定位误差较大的问题。整体方法实现简单易行，使用Excel表格中的曲线拟合就可以代替复杂的人工运算。且最后测量结果准确。本技术方案使用3只探头，这样声发射信号被3个探头接收到就能形成定位，传感器间距相对增大了很多。

附图说明

图1为传感器探头布置示意图。

图2为步骤一拟合公式的角度与速度数据表

图3为图2数据表的拟合结果曲线图。

具体实施方式

针对玻璃钢这种复合材料，传统的声发射无损探伤无法准确定位的问题，本发明提供一种玻璃钢声发射源三角定位方法。

步骤一，对待测玻璃钢传播特性进行测量角度及传播速度的测量，分别选取的角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。将获取的试验结果使用Excel电子表格中的曲线拟合功能。得出的角度—速度多项式；该拟合公式含有角度α与速度v两个变量，如图2

步骤二，将传感器探头按照等腰三角形布置方法设置在待测的玻璃钢罐体上；

步骤三，如图1设定等腰三角形三个顶点的坐标A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)，设定声发射源坐标为D(x，y)；得出声发射源D到三个传感器的时间分别为

A:

B:

C:

继而由时差定位方法的原理可以得到公式

${\mathrm{\Δt}}_{AB}=t_B-t_A=\sqrt{{(x-x_2)}^2-{(y-y_2)}^2}/v_{BD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}$

${\mathrm{\Δt}}_{AC}=t_C-t_A=\sqrt{{(x-x_3)}^2-{(y-y_3)}^2}/v_{CD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}$

其中v_AD、v_BD、v_CD分别对应声发射源至各个传感器的传播速度；

以水平方向为基准线，v_AD、v_BD、v_CD的传播方向与基准线的夹角为α_AD、α_BD、α_CD，得出公式：

${\mathrm{\α}}_{AD}=arctan\left(\frac{|y-y_1|}{|x-x_1|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{BD}=arctan\left(\frac{|y-y_2|}{|x-x_2|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{CD}=arctan\left(\frac{|y-y_3|}{|x-x_3|}\right)$

步骤四，根据曲线拟合得出的角度—速度多项式，结合公式：

$\sqrt{{(x-x_2)}^2-{(y-y_2)}^2}/v_{BD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}-{\mathrm{\Δt}}_{AB}=0$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2-{(y-y_3)}^2}/v_{CD}-\sqrt{{(x-x_1)}^2-{(y-y_1)}^2}/v_{AD}-{\mathrm{\Δt}}_{AC}=0$

${\mathrm{\α}}_{AD}=arctan\left(\frac{|y-y_1|}{|x-x_1|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{BD}=arctan\left(\frac{|y-y_2|}{|x-x_2|}\right)$

${\mathrm{\α}}_{CD}=arctan\left(\frac{|y-y_3|}{|x-x_3|}\right)$

组成关于x、y的非线性方程组，其中A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)均为已知，Δt_AB、Δt_AC可以由声发射信号采集过程中通过到达时间来得到，经过求解可以得出声发射源的坐标。

传感器探头按照等腰三角形布置方法，首先分别测定声发射波在待测玻璃钢罐体的环向和轴向的传播速度，然后按照公式：L/H≈n的标准将三个传感器探头按照等腰三角形布置；

其中，H为等腰三角形的高；L为等腰三角形底边两个传感器探头的沿待测玻璃钢罐体表面的环向间距，n为声发射波在待测罐体的环向传播速度与轴向传播速度之比。

对比实验：

以玻璃纤维增强复合塑料(GFRP)的玻璃钢罐体做断铅点实验，玻璃钢厚度是10mm，传感器间距环向是1960，轴向是1000mm，实验对比结果如下：

1、本技术方案拟合定位结果

2、传统方式定位结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。