基于声发射的动能测试系统及方法与流程

本发明属于动能测试，具体涉及一种基于声发射的动能测试系统及方法。

背景技术：

1、目前，动能测试方法主要是将动能视为导出量，分别测量出被测体的速度和质量，通过质能公式e＝1/2*m*v2计算得到被测体动能。速度测量的一般原理是在被测体飞行路径上设置多对测速装置，利用数据采集系统记录被测体通过每对测速装置之间的间断时间，进而通过位移-时间-速度公式计算出测速装置间的平均速度。

2、测量速度的经典方法分为接触式测量法和非接触式测量法两类，但是接触法式测速方法包含一定缺点，不能重复使用，不能二次测量及测速精度比较低的缺点。非接触式测量法高速测量等方法同样存在一个比较普遍的缺点，即会因为强振动、高温高压、光照及电磁辐射等因素导致系统的稳定性变低，昂贵的设备不具备普适性。使用以上方法测量的速度本身精度有限，测量的是被测体某段飞行轨迹中的平均速度，无法准确回推至某点瞬时速度值；同样被测体只能采用平均质量作为统一记录，质量量值精度存在较大的偏差；

3、因此，针对现有动能测试理论、声发射测试方法的深入研究很有必要，可以为动能测试提供新的测试手段与数据支撑。

技术实现思路

1、本发明目的是：针对现有技术的不足，提供一种基于声发射的动能测试系统及方法，能够直接测量被测体的动能，为动能直接测量提供了一种全新的解决方案。

2、具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的。

3、一方面，本发明提供一种基于声发射的动能测试系统，包括声发射传感器、声发射信号接收装置、信号调理模块、数据采集模块和数据处理模块；

4、所述声发射信号接收装置，通过固定装置支撑并固定；

5、所述声发射传感器，为一种压电传感器，置于声发射信号接收装置上，在被测体侵彻声发射信号接收装置过程中，声发射传感器感知声发射信号接收装置因撞击产生的应力波信号，输出电荷信号；

6、所述信号调理模块，包括电荷放大器和电压转化电路，信号调理模块接收所述声发射传感器输出的电荷信号，将其放大并转化为灵敏度归一化的声发射电压信号；

7、所述数据采集模块，对被测体侵彻声发射信号接收装置全过程的灵敏度归一化的声发射电压信号进行同步采集并输出给数据处理模块；

8、所述数据处理模块，通过被测体动能测试系统数学模型和接收的声发射电压信号计算被测体动能，具体包括：对接收的声发射信号进行分析，提取指定的声发射信号参数；通过该声发射信号参数和被测体动能之间的数学关系，计算被测体的动能大小；

9、所述声发射信号参数和被测体动能之间的数学关系参见公式1：

10、y＝axp+k                               (1)

11、其中，y为被测体动能，x为声发射信号参数，a、p、k为参数，通过对被测体动能测试系统数学模型进行数值仿真和统计分析得到。

12、进一步的，所述对接收的声发射信号进行分析，提取指定的声发射信号参数包括：

13、利用db系列小波基对接收的声发射信号进行频带分析，根据小波分解频带划分规律，对信号进行分解和重构；通过分析各频段的小波能量占比，提取集中度高的中高频率段内的小波能量。

14、进一步的，所述被测体动能测试系统数学模型通过以下方式得到：

15、给定被测体撞击声发射信号接收装置产生的电荷信号，通过信号调理模块转换为声发射电压信号；参见公式2对输入到信号调理模块的声发射信号与信号调理模块输出的声发射电压信号的灵敏度进行标定：

16、v(x,t)＝-cfkus                         (2)

17、其中，υ(x,t)为输入的声发射信号，cf为电荷放大器的反馈电容，k为电荷放大器的电荷放大系数，us为信号调理模块的输出电压值；

18、将所述信号调理模块输出声发射电压信号的灵敏度设置到利用数值仿真软件建立的被测体动能测试系统数学模型参数中。

19、进一步的，所述声发射信号接收装置采用铝合金材料制作的靶板。

20、进一步的，利用高温真空绝缘硅脂作为所述声发射传感器与声发射信号接收装置之间的耦合剂。

21、进一步的，所述声发射传感器为压电薄膜。

22、进一步的，所述声发射传感器为pvdf压电薄膜

23、另一方面，本发明还提供一种基于声发射的动能测试方法，采用上述基于声发射的动能测试系统实现，包括：

24、将若干个所述声发射传感器固定在所述声发射信号接收装置上，获得不同被测体动能下撞击所述声发射信号接收装置产生的相应电荷信号；

25、通过所述信号调理模块接收所述电荷信号，进行处理并输出灵敏度归一化的声发射电压信号；

26、通过所述数据采集模块对所述灵敏度归一化的声发射电压信号进行实时采集；

27、通过所述数据处理模块对数据采集模块采集的灵敏度归一化的声发射电压信号提取指定的声发射信号参数，基于提取的声发射信号参数和被测体动能之间的数学关系，计算被测体的动能。

28、本发明的有益效果如下：

29、本发明的基于声发射的动能测试系统及方法，对动能测试方法展开深入研究并进行系统搭建和测试。选用pvdf压电薄膜作为声发射传感器，具有抗干扰能力强、灵敏度高、频响范围宽、价格便宜的优点，克服了传统动能测试测量局限性。

30、本发明的基于声发射的动能测试系统及方法，通过对声发射信号进行频带分析，分析各频段的多种声发射信号参数的占比，提取集中度高的中高频率段内的声发射信号参数，通过该声发射信号参数和被测体动能之间的数学关系，计算被测体的动能大小。例如分析各频段的小波能量占比，提取能量集中度高的中高频率段内的小波能量，通过小波能量和被测体动能之间的数学关系，计算被测体的动能大小。从声发射信号的角度计算被测体的动能大小是一种比较新的方向。在允许误差范围内，被测体动能可以由声发射信号的特征参数计算的动能表示。

31、本发明的基于声发射的动能测试系统及方法，为直接测量球形被测体的动能提供了一种全新的解决方案，不仅是对传统动能测试方法的一种补充，更具有广阔的发展前景。

技术特征：

1.一种基于声发射的动能测试系统，其特征在于，包括声发射传感器、声发射信号接收装置、信号调理模块、数据采集模块和数据处理模块；

2.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，所述对接收的声发射信号进行分析，提取指定的声发射信号参数包括：

3.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，所述被测体动能测试系统数学模型通过以下方式得到：

4.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，所述声发射信号接收装置采用铝合金材料制作的靶板。

5.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，利用高温真空绝缘硅脂作为所述声发射传感器与声发射信号接收装置之间的耦合剂。

6.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，所述声发射传感器为压电薄膜。

7.根据权利要求1所述的基于声发射的动能测试系统，其特征在于，所述声发射传感器为pvdf压电薄膜。

8.一种基于声发射的动能测试方法，其特征在于，采用根据所述权利要求1-7任一所述的基于声发射的动能测试系统实现，包括：

技术总结
本发明属于功能测试技术领域，公开了一种基于声发射的动能测试系统及方法。本发明包括声发射传感器、声发射信号接收装置、信号调理模块、数据采集模块和数据处理模块；声发射传感器，为一种压电传感器，置于声发射信号接收装置上，在被测体侵彻声发射信号接收装置过程中，声发射传感器感知因撞击产生的应力波信号，输出电荷信号；信号调理模块将接收的电荷信号放大并转化为声发射电压信号；数据采集模块进行同步采集并输出给数据处理模块；数据处理模块通过被测体动能测试系统数学模型和接收的声发射电压信号计算被测体动能。本发明能够直接测量被测体的动能，为动能直接测量提供了一种全新的解决方案。

技术研发人员：张恒庆
受保护的技术使用者：南京国睿防务系统有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13