一种用于纤维束拉伸断裂单点式声测量装置与方法及用途与流程

本发明涉及一种用于纤维束拉伸断裂单点式声测量装置与方法及用途，属于束纤维强力自动测量领域。

背景技术：

声发射检测技术是用于无损检测中的一种新方法，其优点是:声发射检测的信号来自检测对象本身，因此能够对检测对象实现实时检测；应用面广，几乎所有的材料都可以进行声发射检测，并且声发射检测不收检测对象的尺寸、几何性质、工作环境的影响。

声发射又称为应力波发射，是材料内部受外力作用产生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。声发射弹性波能反映出材料或零部件的性质，因此采用检测声发射信号的方法可以判断材料或零部件的某种状态。

技术实现要素：

本发明的目的是：将声发射检测技术运用到纤维束拉伸断裂过程中，通过信号处理系统实时地检测纤维束在拉伸断裂过程中单纤维的断裂状态，并通过计算机处理系统分析纤维强力。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于纤维束拉伸断裂单点式声测量装置，其特征在于，包括：

动夹头及位置固定不动的定夹头，动夹头及定夹头分别夹持在纤维束两端，动夹头在移动过程中将被夹持的纤维束拉伸，同时，由力传感器通过定夹头检测作用在纤维束上的力；

动夹头及定夹头上下两端分别设有上屏蔽罩及下屏蔽罩，上屏蔽罩及下屏蔽罩分别将动夹头与定夹头之间的上部空间及下部空间完全覆盖，上屏蔽罩及下屏蔽罩用于反射外界噪声并吸收内部声响；

设于上屏蔽罩与下屏蔽罩之间的声传感器，声传感器用于检测纤维断裂时发出的脉冲声波信号强度和频率；

用于采集声传感器检测的脉冲声波信号强度和频率的超高频率声采集卡；

与超高频率声采集卡及力传感器相连的计算机，由计算机对超高频率声采集卡及力传感器采集到的数据进行分析和计算。

优选地，所述声传感器的采集频率不小于100khz。

优选地，所述上屏蔽罩及所述下屏蔽罩外露表面为声反射材料；所述上屏蔽罩及所述下屏蔽罩紧贴所述动夹头及所述定夹头的区段平面状区段，其他区段为拱形区段。

本发明的另一个技术方案是提供了一种纤维束拉伸断裂单点式声测量方法，其特征在于，采用上述的装置，包括以下步骤：

步骤1、将平行纤维束置于定夹头和动夹头间，由定夹头和动夹头将纤维束夹紧；

步骤2、动夹头移动，开始拉伸纤维束，定夹头感受拉力，而获得拉伸力-伸长率曲线，以及纤维束的强度、模量、断裂伸长率和断裂比功；

步骤3、随着纤维束的拉动伸长，纤维束中的纤维开始断裂，声传感器采集纤维断裂的脉冲振荡声波信号和得到纤维拉伸断裂过程中的脉冲振荡声波声谱；

步骤4、根据步骤2和步骤3的结果导出单纤维的断裂强度分布和断裂伸长率分布以及单纤维的平均强度和变异系数及平均伸长率和变异系数。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的纤维束拉伸断裂单点式声测量方法的应用，其特征在于，用于束纤维拉伸断裂过程的单纤维断裂强度分布、断裂伸长分布的准确估计，进而以束纤维拉伸试验替代多根单纤维拉伸试验，实现一测多指标和快速精确测量。

本发明的原理是纤维束在拉伸时受到变形力的作用，拉伸变形到一定程度后，纤维束中单根纤维发生断裂，以瞬态弹性波形式释放应变能，即声波。通过传感器将接收到声波传输到计算机分析系统。利用分峰技术以及波峰出现位置来判断纤维断裂的根数，并通过波峰的幅度来表征纤维的强度。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：(a)超高频率声采集卡能采集纤维断裂的脉冲振荡声波信号以及声波声谱；(b)隔音罩形状与材料保证测试过程有效隔绝外界噪音；(c)隔音罩在隔绝外界噪音的同时会减少罩内声波的反射，使测试结果准确。

附图说明

图1是用于纤维束拉伸断裂时单点式声测量装置；

图2是纤维断裂脉冲振荡声波信号图；

图3是纤维束拉伸断裂过程声谱图，横坐标为时间，纵坐标为信号的振幅；

图中：1-上屏蔽罩；2-下屏蔽罩；31-动夹头；32-定夹头；41-断裂纤维；42-断裂声波；51-声传感器；52-力传感器；61-声采集模块；62-力采集模块；7-计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。实施中的原材料及设备为国家重点研发计划(2016yfc0802802)资助项目。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：麻纤维束

将麻纤维束置于定夹头32和动夹头31间，然后动夹头31向右移动，开始拉伸纤维束41，力传感器52通过定夹头32感受拉力，从而计算机7可获得拉伸力-伸长率曲线，以及束纤维的强度、模量、断裂伸长率和断裂比功。随着纤维束41的拉动伸长，纤维束41中的纤维开始断裂，由声传感器51采集纤维断裂的脉冲振荡声波信号和得到纤维拉伸断裂过程中的脉冲振荡声波声谱；并可点数断裂纤维的根数和测得断裂纤维的声强度和声能量。根据得到的结果，计算机7可导出单纤维的断裂强度分布和断裂伸长率分布以及单纤维的平均强度和变异系数及平均伸长率和变异系数。

实施例2：碳纤维束

将碳纤维束置于定夹头32和动夹头31间，然后动夹头31向右移动，开始拉伸纤维束41，力传感器52通过定夹头32感受拉力，从而计算机7可获得拉伸力-伸长率曲线，以及束纤维的强度、模量、断裂伸长率和断裂比功。随着纤维束41的拉动伸长，纤维束41中的纤维开始断裂，由声传感器51采集纤维断裂的脉冲振荡声波信号和得到纤维拉伸断裂过程中的脉冲振荡声波声谱；并可点数断裂纤维的根数和测得断裂纤维的声强度和声能量；根据得到的结果计算机7可导出单纤维的断裂强度分布和断裂伸长率分布以及单纤维的平均强度和变异系数及平均伸长率和变异系数。

实施例3：羊毛纤维束

将羊毛纤维束置于定夹头32和动夹头31间，然后动夹头31向右移动，开始拉伸纤维束41，力传感器52通过定夹头32感受拉力，从而计算机7可获得拉伸力-伸长率曲线，以及束纤维的强度、模量、断裂伸长率和断裂比功。随着纤维束41的拉动伸长，纤维束41中的纤维开始断裂，由声传感器51采集纤维断裂的脉冲振荡声波信号和得到纤维拉伸断裂过程中的脉冲振荡声波声谱，如图3所示；并可点数断裂纤维的根数和测得断裂纤维的声强度和声能量；根据得到的结果计算机7可导出单纤维的断裂强度分布和断裂伸长率分布以及单纤维的平均强度和变异系数及平均伸长率和变异系数。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种用于纤维束拉伸断裂单点式声测量装置与方法及用途。该装置由声传感器、上下对称放置的屏蔽罩、一对束纤维拉伸的夹头、力传感器、高频声音采集卡、数据采集与处理模块和试验机构成。该装置也可以安装在纤维束强力试验仪上，该装置以声传感器为测量单元，接收纤维束断裂时发出的声信号，根据声发射能量参数和幅度分布，依据对声信号的强度和能量导出特征值来分析断裂纤维根数及纤维强度值，可用于束纤维拉伸断裂过程的单纤维断裂强度分布、断裂伸长分布的准确估计，进而以束纤维拉伸试验替代多根单纤维拉伸试验，实现一测多指标和快速精确测量。

技术研发人员：于伟东;卢笛;刘洪玲;黄芳芳;徐嘉颖
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2018.12.21
技术公布日：2019.04.05