一种疲劳裂纹在线检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种疲劳裂纹在线检测系统，包括声发射采集装置、显微图像采集装置和疲劳裂纹状态实时监控装置，所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间传输信号，所述声发射采集装置实时采集疲劳裂纹萌生和扩展释放的声发射信号，所述显微图像采集装置实时采集疲劳裂纹状态的图像信号，所述疲劳裂纹状态实时监控装置接收来自所述声发射采集装置的信号和来自所述显微图像采集装置的信号，处理后生成疲劳裂纹变化过程的声发射特征参数、图形和裂纹尺寸数据。本实用新型能够实现了在线、动态、实时检测疲劳裂纹萌生和扩展。
【专利说明】一种疲劳裂纹在线检测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种疲劳裂纹检测系统及检测方法，特别涉及一种疲劳裂纹在线检测系统。
【背景技术】
[0002]目前，疲劳是造成工程机械各部件失效的主要原因之一，循环载荷的长期作用导致裂纹萌生和扩展直至断裂是疲劳失效产生的主要机理和过程。疲劳失效具有突发性，往往在安全系数下服役时就突然发生失效，造成不可估量的损失。因此，如何准确、可靠的在线实时检测疲劳裂纹萌生和扩展过程对建立准确可靠的疲劳寿命预测模型，防止机械设备产生突发性破坏是至关重要的。
[0003]现有的疲劳裂纹检测手段主要有直观检测法和间接无损检测法两类。直观检测法有目测法、渗透检测技术、磁粉检测技术等，其中目测法是最为传统的方法，在承受疲劳载荷振幅较大、加载频率较高时，存在试验过程中难以读数的问题，需停机测量，测量精度较低，易受人为因素影响，而且如果想实现实时在线观察，则需动用较多的人力；渗透检测技术仅能检测致密性金属的表面开口型宏观缺陷，而且渗入裂纹内部的渗透剂和染色剂难以清洗，监测过程繁琐，无法实现在线监测；磁粉检测技术只能用于检测铁磁性材料的表面或近表面的缺陷，需停机检测，无法实现实时检测，检测过程同样繁琐。间接无损检测法主要有超声检测技术、涡流检测技术、金属磁记忆检测技术、声发射检测技术等，超声检测技术是目前定量检测精度和可靠度较高的检测手段，但同样难以实现动态实时检测，而且检测自动化程度较低；涡流检测容易受外界磁场的影响，只能检测铁磁性材料，检测深度仅为2-3mm ;金属磁记忆检测技术是近几年兴起的无损检测技术，主要用来检测铁磁性构件的早期应力集中分布情况，对于裂纹尺寸的定量检测的研究还处于起步阶段，甚至其机理研究还不够成熟。上述方法中都需要停机甚至切样后再检测，较难实现全过程在线、实时、动态的裂纹萌生和扩展过程的检测和疲劳损伤程度评估，检测形式也比较单一。
[0004]声发射技术是一种高灵敏度的在线无损检测技术，声发射信号(计数、有效值、信号强度等)对裂纹的萌生和扩展过程比较敏感，现已广泛应用于疲劳失效过程检测，声发射技术最主要的优点是实现了动态实时检测，缺点是定量检测裂纹萌生和扩展尺寸仍然存在一定的困难，而且只是间接的通过裂纹萌生和扩展释放的损伤信号来进行检测，无法通过图像的形式直观的实时检测裂纹从萌生到扩展直至断裂的整个过程。

【发明内容】

[0005]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够通过图像的形式直观地实时检测裂纹从萌生到扩展直至断裂的整个过程的疲劳裂纹在线检测系统。
[0006]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种疲劳裂纹在线检测系统，包括声发射采集装置、显微图像采集装置和疲劳裂纹状态实时监控装置，所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间传输信号，所述声发射采集装置实时采集疲劳裂纹萌生和扩展释放的声发射信号，所述显微图像采集装置实时采集疲劳裂纹状态的图像信号，所述疲劳裂纹状态实时监控装置接收来自所述声发射采集装置的信号和来自所述显微图像采集装置的信号，处理后生成疲劳裂纹变化过程的声发射特征参数、图形和裂纹尺寸数据。
[0007]本实用新型还可以采用如下技术方案:
[0008]所述显微图像采集装置包括图像采集用显微镜，所述显微镜的镜头对准被测试件的裂纹部位，所述显微镜内部设有图像采集间隔计时器。
[0009]所述显微镜设置在高度和角度可调的台架上。
[0010]所述显微镜设有手动调节偏光和明暗对比度的调节装置。
[0011]所述显微镜的放大倍数范围为10-200倍。
[0012]所述声发射采集装置包括声发射传感器、信号放大器、声发射数据采集卡和磁性夹具，所述声发射传感器检测被测试件发出的声发射弹性波，并输出信号至所述信号放大器，所述信号放大器输出信号至所述声发射数据采集卡，所述声发射数据采集卡输出数字信号至所述疲劳裂纹状态实时监控装置，所述磁性夹具将所述声发射传感器固定于被测试件上，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。
[0013]所述声发射采集装置包括两个所述声发射传感器，所述两个声发射传感器分别设置于距离被测试件裂纹的两侧。
[0014]所述信号放大器放大倍数可调，放大倍数调节范围为10/100/1000倍三个等级，所述声发射数据采集卡的采样频率为50KSPS?IMSPS。
[0015]所述声发射传感器为压电传感器，其工作温度为-30°C?200°C，频率响应范围为50kHz?1MHz，谐振频率为135kHz，峰值频率为270kHz。
[0016]所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间通过USB接口或串口或无线传输信号。
[0017]本实用新型具有的优点和积极效果是:本实用新型是一种检测疲劳裂纹萌生和扩展的系统及检测方法，该系统将声发射动态无损检测技术与直观的裂纹图像在线采集和测量技术集成起来，实现了在线实时声发射信号和直观图像同时对应检测疲劳裂纹萌生和扩展的目的，并且该系统对于研究声发射信号定量检测裂纹萌生和扩展尺寸是极为重要的，其效果具体包括如下几个方面
[0018]1.实现了在线、动态、实时检测疲劳裂纹萌生和扩展的目的，整个疲劳检测过程中无需终止试验过程。
[0019]2.将间接的声发射信号检测与直观的裂纹图像检测结合起来，可以起到互相验证的作用，提高了检测的准确可靠性。
[0020]3.通过建立声发射信号与裂纹萌生和扩展尺寸的映射关系，有助于解决声发射信号定量评估疲劳裂纹扩展程度的问题，为声发射技术在线评估疲劳寿命建立了很好的基础。
[0021]4.不受被检对象材料的限制，可以检测金属材料、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等。
[0022]5.受被检对象结构的限制较低，只要被测试样上可以有一定的空间能够按照声发射探头和布置显微镜镜头即可。[0023]6.可以在恶劣复杂的工况条件使用，操作人只要在安全、适宜的环境下远程操控即可。
[0024]7、检测自动程度高，操作简单，检测效率较高，可大幅降低劳动强度。
[0025]8、本检测设备耗能低，携带方便，便于作业现场的检测。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是本实用新型的结构示意图；
[0027]图2是本实用新型的声发射检测装置结构示意图；
[0028]图3是本实用新型的显微图像采集装置及图像处理示意图
[0029]图4是本实用新型的实施例中疲劳试验用试样零件图；
[0030]图5是本实用新型的实施例中疲劳加载位置和声发射传感器布置的示意图；
[0031]图6是本实用新型的实施例中疲劳裂纹在线检测系统检测到的裂纹萌生和扩展过程示意图；
[0032]图7是本实用新型的实施例中疲劳裂纹在线检测系统检测到的疲劳裂纹声发射计数信号；
[0033]图8是本实用新型的实施例中疲劳裂纹在线检测系统检测到的疲劳裂纹声发射有效值信号；
[0034]图9是本实用新型的实施例中疲劳裂纹在线检测系统检测到的疲劳裂纹萌生和扩展过程释放的声发射信号强度。
【具体实施方式】
[0035]为能进一步了解本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0036]请参见图1?图9，一种疲劳裂纹在线检测系统，包括声发射采集装置、显微图像采集装置和疲劳裂纹状态实时监控装置，所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间传输信号，所述声发射采集装置实时采集疲劳裂纹萌生和扩展释放的声发射信号，所述显微图像采集装置实时采集疲劳裂纹状态的图像信号，所述疲劳裂纹状态实时监控装置接收来自所述声发射采集装置的信号和来自所述显微图像采集装置的信号，处理后生成疲劳裂纹变化过程的声发射特征参数、图形和裂纹尺寸数据。采用声发射采集装置采集疲劳裂纹萌生、扩展直至断裂过程中的声发射信号；采用显微图像采集装置采集裂纹萌生、扩展直至断裂过程中的裂纹状态图像；声发射信号数据和图像数据可通过USB接口或串口或无线传输方式发送给疲劳裂纹状态实时监控装置，图像数据和声发射数据分别经裂纹测量和声发射特征参数计算后实时显示在疲劳裂纹状态实时监控装置上，图像数据和声发射数据包括声发射信号强度、声发射有效值、声发射计数、裂纹实时图像和测量裂纹尺寸等，图1所示的为疲劳裂纹在线检测系统的结构示意图。
[0037]上述实施例中，请参见图3，其中所述显微图像采集装置可包括图像采集用显微镜，所述显微镜的镜头对准被测试件的裂纹部位，所述显微镜内部可设有图像采集间隔计时器。
[0038]进一步地，所述显微镜可设置在高度和角度可调的台架上。[0039]进一步地，所述显微镜可设有手动调节偏光和明暗对比度的调节装置。
[0040]进一步地，所述显微镜的放大倍数范围可为10-200倍。
[0041]所述显微图像采集装置可对所采集的物像进行10-200倍的放大；可手动调节显微镜的偏光性和调节视野特征区域的明暗对比度；可设置图像采集间隔。
[0042]在上述基础上，请参见图2，其中所述声发射采集装置可包括声发射传感器、信号放大器、声发射数据采集卡和磁性夹具，所述声发射传感器检测被测试件发出的声发射弹性波，并输出信号至所述信号放大器，所述信号放大器输出信号至所述声发射数据采集卡，所述声发射数据采集卡输出数字信号至所述疲劳裂纹状态实时监控装置，所述磁性夹具将所述声发射传感器固定于被测试件上，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。
[0043]进一步地，所述声发射采集装置可包括两个所述声发射传感器，所述两个声发射传感器分别设置于距离被测试件裂纹的两侧。
[0044]进一步地，所述信号放大器放大倍数可调，放大倍数调节范围为10/100/1000倍三个等级，所述声发射数据采集卡的采样频率为50KSPS?IMSPS。所述信号放大器放大倍数可为10、100、1000倍，所述声发射数据采集卡的采样频率可为50kHz?IMHz，门槛值可为60dB。
[0045]进一步地，所述声发射传感器可为压电传感器，其工作温度可为-30°C?200°C，传感器频率响应范围可为50kHz?1MHz，谐振频率可为135kHz，峰值频率可为270kHz。
[0046]上述经传感器采集的疲劳损伤声发射电信号通过信号放大器进行放大，信号放大器的放大倍数可调，为10/100/1000倍三个等级，主要根据被测信号的能量大小来选择。信号放大器输出的信号经声发射数据采集卡将电信号转换为数字信号，并输入疲劳裂纹状态实时监控装置进行疲劳裂纹实时状态监控记录和分析，由于声发射计数、有效值、信号强度可以反应疲劳裂纹扩展程度的量值，同时为了节约数据处理时间和疲劳裂纹状态实时监控装置内存，疲劳裂纹状态实时监控装置可最终只处理并显示声发射计数、有效值、信号强度。磁性夹具可以将声发射传感器稳定的固定于被测试样上。声发射传感器和疲劳试件之间涂有耦合剂，目的是减少声发射信号在传感器和疲劳试样界面处的过度散射和衰减。
[0047]下面结合具体被测试件对本实用新型的实施方式给予说明:
[0048]以三点弯曲疲劳试验机为平台，选用42CrMo钢缺口试件作为疲劳试验对象，使用本实用新型完成对疲劳裂纹实时在线检测。试样如图4所示。
[0049]设定加载频率为120Hz，疲劳载荷类型为等幅交变载荷，波形为正弦波。为了使疲劳裂纹在线检测系统更能清晰的监测裂纹的萌生和扩展过程，分别采用400#和800#的砂纸打磨疲劳试样的各个端面，然后用酒精清洗，并用吹风机脱水。然后将试样安装在三点弯曲工作台上，通过试验机载荷控制系统施加平均载荷为7KN，使平均载荷达到设定的额定值并趋于稳定。将两个声发射传感器分别布置于距离试样端面20mm处，请参见图5，传感器和试件之间涂有耦合剂，并使用磁性夹具固定声发射传感器。信号放大器放大倍数选择100倍放大。在疲劳裂纹实时状态监控软件中设置声发射采集参数:采样频率为1MHz，门槛值为60dB。
[0050]疲劳试样缺口尖端为应力集中区域，是疲劳裂纹的萌生区域，通过台架将疲劳裂纹在线检测系统的显微镜置于距被测试样合适的位置，同时使整个裂纹尖端处于显微镜的观察视野之下。首先进行裂纹萌生过程，裂纹萌生尺寸较小，所以要求显微镜放大倍数较高才能观察清楚，通常设定200X放大倍数，如选择200X放大，显微镜通常已经距试样表面为Imm左右，然后微调放大倍数，使显微成像采集系统采集到的图片清晰状态达到最佳，设置图片米集时间间隔为2s。之后，启动疲劳裂纹在线检测系统，施加正弦动载荷6KN,开始疲劳试验，采集裂纹萌生和扩展图像以及疲劳损伤释放的声发射信号。当首次观察到有裂纹萌生时，规定将最后一张没有出现疲劳裂纹时的时间作为裂纹的萌生时刻，同时采集到的声发射信号出现明显的越阶。
[0051]裂纹扩展试验是裂纹萌生试验的延续，裂纹萌生后继续裂纹扩展试验。由于显微镜观察视野的限制，设定20X放大倍数来观察和采集扩展裂纹图像，20X放大倍数下显微镜通常已经距试样表面为IOmm左右，然后微调放大倍数，使采集到的图片清晰状态达到最佳，设置图片采集时间间隔为5s。启动疲劳裂纹在线检测系统，施加正弦动载荷6KN，开始疲劳裂纹扩展试验，采集裂纹扩展图像以及裂纹扩展释放的声发射信号。当集到的裂纹扩展至12_左右时，通常裂纹已经扩展到极限，并明显张开时，试样处于临界断裂的状态。同时，声发射信号产生急剧的突变，动载荷加载频率将急剧下降到85.5Hz，疲劳试验终止。此时，疲劳裂纹实时状态监控软件记录和保存了整个疲劳损伤过程中的裂纹萌生和扩展图像和疲劳损伤声发射信号，声发射计数、有效值、信号强度以时间历程的实时显示。
[0052]对200X放大倍数和20X放大倍数下裂纹图像进行初次测量时，需将初次测量的裂纹尺寸与标准尺寸需进行校准，以保证测量的准确度。由于采集到的疲劳裂纹为直线形状，因此选择疲劳裂纹实时状态监控软件中的线性测量工具对裂纹尺寸进行测量，裂纹萌生和扩展的不同阶段采集和测量的裂纹如图6所示。
[0053]疲劳损伤过程中的声发射信号(计数、有效值、信号强度)的变化规律如图8-图10所示，可以看出声发射信号对疲劳损伤过程具有实时的信号反馈的特点，包括裂纹萌生和扩展过程。760s时出现声发射信号的第一次明显越阶，为微观裂纹萌生造成的，这与裂纹图像检查的裂纹萌生时刻相对应。760s之前为弹性和塑性变形阶段，采集的裂纹图像中无明显裂纹出现，只有塑形屈服累积变形发生，由于弹性能和塑形能的积累，使得声发射信号逐渐增加，但额度值较小。760之后，声发射信号逐渐增加，这主要是由疲劳裂纹的稳定扩展造成的，在1150s时声发射信号出现急剧的越阶，这主要是裂纹扩展到临界状态，释放出强度较大的声发射信号造成的，这与采集到的裂纹扩展图像尺寸(扩展程度)具有很好的一一映身寸关系。
[0054]综上所述，本实用新型的疲劳裂纹在线检测系统可以实现在线实时声发射信号检测和直观的图像检测疲劳裂纹萌生和扩展的目的，实时直观的裂纹图像显示和测量弥补了声发射定量检测的局限性，为声发射信号在线疲劳寿命评估提供了可能。
[0055]所述的疲劳裂纹在线检测方法，其特征主要包括以下步骤:
[0056]步骤1:将疲劳试样安装于疲劳试验台上，设定加载频率和疲劳载荷。将声发射传感器布置于疲劳试样的合适位置，在保证试验过程中声发射传感器不被碰撞的前提下，为了获得低衰减的声发射信号，声发射传感器布置位置应距被检测部位尽可能的近。声发射传感器和疲劳试件经耦合剂粘合后，采用磁性夹具固定。设置信号放大器放大倍数。设置声发射系统采集参数，包括采样频率、门槛值等。
[0057]步骤2:通过台架将显微图像采集装置的显微镜置于距被测试样合适的位置(根据检查视野大小确定)，根据观察视野的需要，调节显微镜放大倍数，一般观察视野越大，显微镜倍数设置越小，采用先粗调后微调的原则，使采集到的图像最为清晰，设置图片采集时间间隔。
[0058]步骤3:启动疲劳裂纹在线检测系统，开始疲劳试验，采集整个疲劳损伤过程中的裂纹图像和疲劳损伤释放的声发射信号，此时裂纹图像和声发射计数、有效值和信号强度经疲劳裂纹实时状态监控软件处理并显示在疲劳裂纹状态实时监控装置上。由于受显微镜观察视野的限制，裂纹萌生后继续裂纹扩展试验时，需减小显微镜的放大倍数，以增大显微镜视野，保证疲劳裂纹在线检测系统能采集到裂纹的整个扩展轨迹。
[0059]步骤4:疲劳试验结束后，根据裂纹的萌生和扩展轨迹(直线、圆弧、自由曲线等)，选择合适的测量功能，完成对裂纹尺寸的精确测量。
【权利要求】
1.一种疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，包括声发射采集装置、显微图像采集装置和疲劳裂纹状态实时监控装置，所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间传输信号，所述声发射采集装置实时采集疲劳裂纹萌生和扩展释放的声发射信号，所述显微图像采集装置实时采集疲劳裂纹状态的图像信号，所述疲劳裂纹状态实时监控装置接收来自所述声发射采集装置的信号和来自所述显微图像采集装置的信号，处理后生成疲劳裂纹变化过程的声发射特征参数、图形和裂纹尺寸数据。
2.根据权利要求I所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述显微图像采集装置包括图像采集用显微镜，所述显微镜的镜头对准被测试件的裂纹部位，所述显微镜内部设有图像采集间隔计时器。
3.根据权利要求2所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述显微镜设置在高度和角度可调的台架上。
4.根据权利要求2所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述显微镜设有手动调节偏光和明暗对比度的调节装置。
5.根据权利要求2所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述显微镜的放大倍数范围为10-200倍。
6.根据权利要求I至5任一所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述声发射采集装置包括声发射传感器、信号放大器、声发射数据采集卡和磁性夹具，所述声发射传感器检测被测试件发出的声发射弹性波，并输出信号至所述信号放大器，所述信号放大器输出信号至所述声发射数据采集卡，所述声发射数据采集卡输出数字信号至所述疲劳裂纹状态实时监控装置，所述磁性夹具将所述声发射传感器固定于被测试件上，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。
7.根据权利要求6所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述声发射采集装置包括两个所述声发射传感器，所述两个声发射传感器分别设置于距离被测试件裂纹的两侧。
8.根据权利要求6所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述信号放大器放大倍数可调，放大倍数调节范围为10/100/1000倍三个等级，所述声发射数据采集卡的采样频率为50KSPS?IMSPS。
9.根据权利要求6所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述声发射传感器为压电传感器，其工作温度为-30°C?200°C，频率响应范围为50kHz?1MHz，谐振频率为135kHz，峰值频率为270kHz。
10.根据权利要求I所述的疲劳裂纹在线检测系统，其特征在于，所述声发射采集装置和所述显微图像采集装置分别与所述疲劳裂纹状态实时监控装置之间通过USB接口或串口或无线传输信号。
【文档编号】G01N29/14GK203572806SQ201320619153
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】张志强, 张国胜, 刘艳芳, 王军威, 吴鸿雁, 李长茂 申请人:天津工程机械研究院