一种声发射传感器的幅频特性的测试系统及方法与流程

本发明涉及传感器性能的测试技术领域，特别涉及一种声发射传感器的幅频特性的测试系统及方法。

背景技术：

声发射传感器是测试固体结构损伤的关键器件，目前用于研制声发射传感器的材料有多种，如：压电陶瓷材料、压电薄膜和光纤等。如何选择与被测固体结构相匹配的声发射传感器是损伤监测工程应用的重要前提。声发射传感器对被测固体结构的幅频响应特性是衡量声发射传感器最重要的指标，但目前对声发射传感器的幅频特性这一指标还没有明确的测试装置和方法。主要是因为声发射传感器对被测固体结构的幅频响应特性不仅取决于声发射传感器本体的材料与结构，还受限于被测固体的材料与结构等，其是一个相互共同作用的综合效应。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种声发射传感器的幅频特性的测试系统及方法，针对声发射传感器幅频响应特性取决于声发射传感器和被测固体的材料与结构的相互作用、以及两者相互匹配的重要特性，实现将待测的声发射传感器的幅频特性以二维散点图的方式进行示意，从而更加直观的表示出待测的声发射传感器的幅频特性，以便后续针对当前待测损伤固体材料选择幅频特性最好的声发射传感器。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种声发射传感器的幅频特性的测试系统，包括：扫频激励源、弹性波激励器、楔形体结构、声发射传感器及声发射信号采集系统，其中，楔形体结构采用与待测损伤固体相同的材料制成，弹性波激励器与声发射传感器均安装于楔形体结构上且位于楔形体结构表面的同一高度，扫频激励源与弹性波激励器通过信号线连接，声发射传感器与声发射信号采集系统通过信号线连接；具体的，扫频激励源是产生宽频等周期电压信号的设备，且其频率范围在0～1mhz内连续可调，信号波形是连续等周期正弦波，采用现有的扫频激励源即可满足使用需求，弹性波激励器是能够作用在被测固体产生宽频弹性波的器件，声发射传感器作为本技术方案的待测对象，其幅频响应特性是本发明的技术方案的物理特性，且受弹性波激励器的频率范围限制，最终测试出的幅频特性频率范围会小于弹性波激励器的频率范围，声发射信号采集系统用于记录声发射传感器探测的峰值电压v，并绘制成横坐标为频率、纵坐标为电压幅值的二维散点图，采用现有的声发射信号采集系统即可满足使用需求。

进一步地，所述扫频激励源产生的电压信号的有效电压不超过弹性波激励器的额定电压。

进一步地，所述弹性波激励器在0～1mhz频率范围内具有相同强度的连续弹性波激励功能或所述弹性波激励器为在100～500khz范围内、平坦度波动范围＜3db的弹性波激励器，在其它范围内，平坦度波动范围可以增大。

进一步地，所述楔形体结构的最小厚度不高于10mm，最大厚度不低于20mm，长度不小于100mm，且宽度与厚度差之比不小于8。

进一步地，声发射信号采集系统采样率越高、获得的幅频响应信号越真实，ad转换位数越高、测试得到的信号幅值越精确，故优选所述声发射信号采集系统为采样率10mhz以上、ad转换不低于16位的电压信号采集装置。

进一步地，所述信号线为具有电磁屏蔽功能的同轴电缆。

进一步地，为了确保弹性波激励器与声发射传感器之间的楔形体结构中能够传播至少一个完整周期的弹性波，所述弹性波激励器与声发射传感器在楔形体结构上的中心间隔距离不小于2λ，且不大于10λ，其中，λ表示弹性波激励器发出的弹性波波长，单位：mm；λ＝v/f，其中，v为弹性波在楔形体结构中传播的速度，单位：km/s；f为声发射信号采集系统经声发射传感器获得的信号主频频率，单位：khz；其中，v为已知数值时则可直接使用，也可自行测量获得，具体的测量方法在实施例中举例说明，f则可对声发射传感器采集到的波形信号进行快速傅里叶变换(fft)，则最大幅值对应的频率即为信号主频。

进一步地，所述弹性波激励器在楔形体结构上其中心位置距离楔形体结构的边缘不小于2λ，从而确保楔形体结构边缘反射的弹性波能量不会与直接到达声发射传感器的弹性波能量混叠。

同时，本发明还公开了一种声发射传感器的幅频特性的测试方法，由上述的一种声发射传感器的幅频特性的测试系统实现，且包括以下步骤：

a.在楔形体结构上选择某一高度位置，将弹性波激励器与声发射传感器安装于楔形体结构上并完成扫频激励源与弹性波激励器的连接，及声发射传感器与声发射信号采集系统的连接；

b.启动扫频激励源和声发射信号采集系统，调制扫频激励源的波形，使其信号波形是连续等周期正弦波，且产生的电压信号的有效电压不超过弹性波激励器的额定电压；

c.将扫频激励源的频率由1khz开始每间隔ahz逐渐升高至1mhz；

d.由声发射信号采集系统记录每个间隔频率的声发射传感器探测的峰值电压v，然后绘制成横坐标为频率、纵坐标为电压幅值的二维散点图，则所述二维散点图即为该声发射传感器的幅频特性示意图，则通过声发射信号采集系统绘制的二维散点图即可看出当前声发射传感器对楔形体结构中哪个频率范围内的弹性波最敏感，从而为选择与楔形体结构相同材料的待测损伤固体提供可靠的测试装置。

同时，可将不同材料或不同形状的声发射传感器按照上述方法步骤进行测试，从而根据二维散点图判断各声发射传感器对于该被测固体结构的幅频响应特性，并选择满足需求的声发射传感器，同时，还可根据被测固体结构的具体厚度，将弹性波激励器及声发射传感器固定于楔形体结构上相应高度位置，从而模拟出更加符合实际情形的测试环境。

进一步地，所述步骤c中，a的取值为一千，实际中，也可根据具体情况选择其他合适的间隔频率值。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的声发射传感器的幅频特性的测试系统及方法，可实现对声发射传感器的幅频特性进行测试，针对声发射传感器幅频响应特性取决于声发射传感器和被测固体的材料与结构的相互作用、以及两者相互匹配的重要特性，实现将待测的声发射传感器的幅频特性以二维散点图的方式进行示意，从而更加直观的表示出待测的声发射传感器的幅频特性，以便后续针对当前待测损伤固体材料选择幅频特性最好的声发射传感器。同时也弥补了现有技术中没有专门针对声发射传感器的幅频特性进行测量的装置及方法的缺陷。

附图说明

图1是本发明的声发射传感器的幅频特性的测试系统的示意图。

图2是本发明一个实施例中测量弹性波在楔形体结构中传播的速度的装置的示意图。

附图标记：1-扫频激励源；2-弹性波激励器；3-楔形体结构；4-声发射传感器；5-声发射信号采集系统，11-声发射信号采集装置，12-前置放大器，13-楔形固体结构，14-压电陶瓷声发射换能器。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

如图1所示，一种声发射传感器的幅频特性的测试系统，包括：扫频激励源1、弹性波激励器2、楔形体结构3、声发射传感器4及声发射信号采集系统5。

其中，楔形体结构3采用与待测损伤固体相同的材料制成，弹性波激励器2与声发射传感器4均安装于楔形体结构3上且位于楔形体结构3表面的同一高度，扫频激励源1与弹性波激励器2通过信号线连接，声发射传感器4与声发射信号采集系统5通过信号线连接。作为优选，所述信号线为具有电磁屏蔽功能的同轴电缆。

具体的，扫频激励源1是产生宽频等周期电压信号的设备，且其频率范围在0～1mhz内连续可调，信号波形是连续等周期正弦波，且所述扫频激励源1产生的电压信号的有效电压不超过弹性波激励器2的额定电压。采用现有的扫频激励源1即可满足使用需求，本实施例中，采用的扫频激励源1的型号为：33210a@keysight。

弹性波激励器2是能够作用在被测固体产生宽频弹性波的器件，本实施例中，所述弹性波激励器2优选在0～1mhz频率范围内具有相同强度的连续弹性波激励功能，但是目前现有技术中没有这样的理想器件，因此本实施例中，所述弹性波激励器2为在100～500khz范围内、平坦度波动范围＜3db的弹性波激励器2，在其它范围内，平坦度波动范围可以增大，且本实施例中采用的弹性波激励器2的型号为：nano30@physicalacousticscorporation。

声发射传感器4作为本技术方案的待测对象，其幅频响应特性是本发明的技术方案的物理特性，且受弹性波激励器2的频率范围限制，最终测试出的幅频特性频率范围会小于弹性波激励器2的频率范围，本实施例中，在具体测试中，可选用不同型号不同材料制成的声发射传感器4进行测试，从而判断并选择对待测损伤固体的幅频响应特性最佳的声发射传感器4。

声发射信号采集系统5用于记录声发射传感器4探测的峰值电压v，并绘制成横坐标为频率、纵坐标为电压幅值的二维散点图，采用现有的声发射信号采集系统5即可满足使用需求。具体的，本实施例中，声发射信号采集系统5采样率越高、获得的幅频响应信号越真实，ad转换位数越高、测试得到的信号幅值越精确，本实施例中，优选所述声发射信号采集系统5为采样率10mhz以上、ad转换不低于16位的电压信号采集装置，且本实施例中采用的声发射信号采集系统5的型号为：express8@physicalacousticscorporation。

具体的，本实施例中，所述楔形体结构3的最小厚度不高于10mm，最大厚度不低于20mm，长度不小于100mm，且宽度与厚度差之比不小于8。

本实施例中，为了确保弹性波激励器2与声发射传感器4之间的楔形体结构3中能够传播至少一个完整周期的弹性波，所述弹性波激励器2与声发射传感器4在楔形体结构3上的中心间隔距离不小于2λ，且不大于10λ，同时，所述弹性波激励器2在楔形体结构3上其中心位置距离楔形体结构3的边缘不小于2λ，从而确保楔形体结构3边缘反射的弹性波能量不会与直接到达声发射传感器4的弹性波能量混叠。

其中，λ表示弹性波激励器2发出的弹性波波长，单位：mm；λ＝v/f，v为弹性波在楔形体结构3中传播的速度，单位：km/s，v为已知常用数值时则可直接使用，也可自行测量获得；f为声发射信号采集系统5经声发射传感器4获得的信号主频频率，可对声发射传感器采集到的波形信号进行快速傅里叶变换(fft)，则最大幅值对应的频率即为信号主频，单位：khz。

当需要自行测量弹性波在楔形体结构中传播的速度v时，则可采用以下技术方案：

首先，如图2所示，测量弹性波在楔形体结构中传播的速度v需要以下装置，具体包括：声发射信号采集装置11(型号为express8@physicalacousticscorporation)、两个前置放大器12(型号为2/4/6@physicalacousticscorporation)、楔形固体结构13(与上述楔形体结构的结构及材料相同)及两个压电陶瓷声发射换能器14(型号为nano30@physicalacousticscorporation)，其中，压电陶瓷声发射换能器14安装于楔形固体结构13上，且两个压电陶瓷声发射换能器14的中心位于楔形固体结构13的同一高度，前置放大器12与压电陶瓷声发射换能器14一一对应并通过信号线连接，前置放大器12与声发射信号采集装置11通过信号线连接。

其中，在声发射信号采集装置11中设置脉冲个数为5个、脉冲宽度为5μs、脉冲间隔时间为1000ms、采样频率为10mhz。

测量时，先将各零部件进行连接及安装并启动压电陶瓷声发射换能器14、前置放大器12、声发射信号采集装置11；安装时，两个压电陶瓷声发射换能器14之间的间隔距离为si(si不小于60mm)，然后由声发射信号采集装置11记录压电陶瓷声发射换能器14的脉冲激发信号和接收信号的时间和波形，其中，从声发射信号采集装置11采集的波形中可得出，当前试验条件下，声发射信号采集装置11记录的信号接收时间为tj；接收波形前端微弱电压信号持续时间tjx；声发射信号采集装置11记录的信号发射时间为tf；发射波形前端微弱电压信号持续时间为tfx，可知，当两个压电陶瓷声发射换能器14之间的间隔距离为si时，波的传播时间为ti：ti＝(tj+tjx)-(tf+tfx)，则弹性波在楔形体结构3中传播的速度可通过公式si＝v(ti-ts)求取，以si为纵坐标，ti为横坐标描绘散点图，并利用最小二乘法拟合出某温度下以固体应力波传播速率v为斜率的一元线性方程；其中ts为声发射信号采集装置11的激励与接收电路存在的固有的时间误差。

需要说明的是上述只是提供了一种用以测量弹性波在楔形体结构中传播的速度v的一种测量方法，实际中，也可选用其他测定v的测量方法。

实施例二

一种声发射传感器的幅频特性的测试方法，由上述的一种声发射传感器4的幅频特性的测试系统实现，且包括以下步骤：

步骤一.在楔形体结构3上选择某一高度位置，将弹性波激励器2与声发射传感器4安装于楔形体结构3上并完成扫频激励源1与弹性波激励器2的连接，及声发射传感器4与声发射信号采集系统5的连接；

步骤二.启动扫频激励源1和声发射信号采集系统5，调制扫频激励源1的波形，使其信号波形是连续等周期正弦波，且产生的电压信号的有效电压不超过弹性波激励器2的额定电压；

步骤三.将扫频激励源1的频率由1khz开始每间隔1khz逐渐升高至1mhz；

步骤四.由声发射信号采集系统5记录每个间隔频率的声发射传感器4探测的峰值电压v，然后绘制成横坐标为频率、纵坐标为电压幅值的二维散点图，则所述二维散点图即为该声发射传感器4的幅频特性示意图，则通过声发射信号采集系统5绘制的二维散点图即可看出当前声发射传感器4对楔形体结构3中哪个频率范围内的弹性波最敏感，从而为选择与楔形体结构3相同材料的待测损伤固体提供可靠的测试装置。

同时，可将不同材料或不同形状的声发射传感器4按照上述方法步骤进行测试，从而根据二维散点图判断各声发射传感器4对于该被测固体结构的幅频响应特性，并选择满足需求的声发射传感器4，同时，还可根据被测固体结构的具体厚度，将弹性波激励器2及声发射传感器4固定于楔形体结构3上相应高度位置，从而模拟出更加符合实际情形的测试环境。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。