高温振动环境下声发射-电阻信号同步采集装置及方法

本发明属于复合材料无损检测，具体涉及一种高温振动环境下陶瓷基复合材料（cmcs）声发射-电阻信号同步采集装置及方法，适用于航空发动机热端部件在极端服役工况下的结构健康监测与损伤演化分析。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，cmcs）凭借其优异的高温稳定性和良好的力学性能，已成为高性能航空燃气涡轮发动机热端部件（如燃烧室、涡轮叶片等）的关键候选材料。然而，在实际服役过程中，这些热端部件不可避免地承受着极端高温与剧烈机械振动的耦合作用，导致材料内部微裂纹萌生、扩展乃至突发性结构失效的风险显著增加。

2、声发射（acoustic emission，ae）技术能够敏锐捕捉材料内部微裂纹萌生与扩展时释放的瞬态弹性波，是一种动态无损检测方法，特别适用于在线监测材料损伤的实时发展过程。电阻信号则能够表征材料内部损伤累积所导致的整体导电网络退化。若能在高温振动环境下实现声发射与电阻信号的稳定、同步采集，即可完整还原cmcs的损伤发展历程，为后续结构健康诊断与寿命评估提供可靠的数据基础。

3、然而，现有监测方法在面对高温与振动耦合的极端工况时，存在以下尚未解决的技术难题：

4、第一，声发射传感器的耐温极限问题。 航空发动机热端部件表面温度往往高达1000℃甚至更高，而常规声发射传感器的工作温度范围通常限于-20℃至200℃。传感器超温会导致内部压电元件性能急剧退化，灵敏度显著下降，甚至发生不可逆损坏。现有技术中虽然存在波导杆作为热隔离手段的尝试，但波导杆长度的确定多依赖经验估算，缺乏理论依据：长度过短无法有效隔热，传感器仍面临过热风险；长度过长则导致声发射信号过度衰减，并给安装带来不便。

5、第二，高温振动环境下电阻测量的接触噪声问题。 在高温振动环境中，振动会引发电极与待测对象之间的接触电阻剧烈波动，从而引入大量测量噪声，导致微小损伤的电阻响应被噪声掩盖。此外，高温下电极固定的可靠性、引线绝缘的耐久性等问题均未得到有效解决。

6、第三，振动工况下波导杆的机械噪声干扰问题。 在强振动环境下，波导杆若与夹具发生相对滑动、摩擦或撞击，会产生大量机械噪声，其幅值往往远大于真实的声发射损伤信号，导致信噪比急剧下降，微小损伤信号无法识别。

7、综上所述，现有技术难以满足高温及振动耦合工况下对声发射和电阻信号进行稳定、高信噪比、高保真及高同步性采集的需求。因此，有必要发明一种高温振动环境下声发射-电阻采集装置及方法，以获取cmcs在极端环境下的高精度同步声电信号，为cmcs在高温振动环境中的结构健康监测、损伤演化分析及寿命预测提供高可靠性的数据支撑。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高温振动环境下声发射-电阻信号同步采集装置及方法，解决高温振动环境中声发射传感器与电阻测量电极长期可靠、抗干扰协同采集的难题。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、高温振动环境下声发射-电阻信号同步采集装置，用于对置于高温炉内的待测试样进行检测，包括：

4、高温上夹具与高温下夹具，高温下夹具用于固定在振动台上，高温上夹具与高温下夹具相对设置，用于共同夹持固定待测试样的一端；

5、高温电极，设于待测试样的表面，用于连接至电阻测量设备，以采集待测试样的电阻信号；

6、波导杆，活动穿设于高温上夹具上沿竖直方向开设的导向通孔中，其底端用于穿过高温炉并抵接于待测试样的表面，其顶端位于高温炉外部，用于安装声发射传感器，波导杆用于将待测试样产生的声发射信号传导至声发射传感器；

7、防松锁紧组件，包括固定压板和管夹，固定压板固定连接于高温上夹具的上表面，管夹与固定压板通过紧固件可拆卸连接，固定压板与管夹上分别开设有相向设置的第一v型槽和第二v型槽，波导杆被夹持固定于第一v型槽与第二v型槽之间，以实现对波导杆的径向锁紧。

8、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

9、上述的高温上夹具的上表面开设有固定压板凹槽，固定压板嵌设于固定压板凹槽内，并通过紧固螺栓与高温上夹具固定连接。

10、上述的导向通孔的孔径大于波导杆的外径，以使波导杆的侧壁与导向通孔的内壁之间形成间隙。

11、上述的第一v型槽和第二v型槽的内表面均经过防滑粗糙处理；紧固件包括紧固螺栓和套设于紧固螺栓上的耐高温止动垫圈。

12、高温上夹具和高温下夹具用于夹持待测试样的夹持面上均设置有防滑滚花结构；高温上夹具上还开设有供高温电极穿出的高温电极通孔。

13、高温振动环境下声发射-电阻信号同步采集装置还包括：温度监测与保护单元，包括贴片式热电偶、数据采集单元、报警器、轴流风扇及控制器；贴片式热电偶固定于波导杆的顶端侧壁上，用于实时采集波导杆顶端的温度；数据采集单元与贴片式热电偶信号连接，用于接收温度；控制器与数据采集单元、报警器、轴流风扇及高温炉的控制端控制连接，用于在温度超过第一安全阈值时，驱动报警器报警并启动轴流风扇，以及，在温度超过第二安全阈值时，切断高温炉的加热电源，其中，第二安全阈值大于第一安全阈值。

14、一种高温振动环境下声发射-电阻信号同步采集方法，采用上述的采集装置，包括以下步骤：

15、步骤一、在待测试样的夹持端表面粘贴高温绝缘加强片，高温绝缘加强片的中部预留有电压引线槽；

16、步骤二、截取四段高温电极，按四线法布置，将其中两段作为电流驱动引线连接于待测试样待测区域的最外侧两端，另外两段作为电压测量引线连接于待测电阻区域的内侧两端；

17、步骤三、采用高温导电胶将四段高温电极的一端分别粘接至待测试样表面相应位置，其中，位于待测试样夹持端的内侧电压电极粘接至电压引线槽内，然后进行高温固化处理；

18、步骤四、将高温下夹具固定在振动台底座，用高温上夹具夹紧待测试样的一端，并将连接于待测试样夹持端一侧的高温电极经由高温上夹具预留的孔洞引出至高温炉外；

19、步骤五、将引出的四根高温电极按四线法接入数字万用表，根据欧姆定律计算待测试样的待测电阻；

20、步骤六、将波导杆穿过高温上夹具的导向通孔，使其底端抵接于高温绝缘加强片上的监测点；

21、步骤七、基于波导杆伸出高温炉外部的延伸段长度与温度分布的关系，计算并确定波导杆的延伸段长度，以使安装于波导杆顶端的声发射传感器的工作温度不超过其最高安全工作温度阈值；

22、步骤八、将固定压板置于高温上夹具的凹槽中，并用紧固螺栓和止动垫圈锁紧于高温上夹具上，使波导杆的一侧贴合于固定压板的v型槽内；

23、步骤九、用紧固螺栓将管夹与固定压板固定，并在两者之间加装止动垫圈，利用管夹与固定压板的v型槽的自定心夹紧作用将波导杆锁死；

24、步骤十、在波导杆的冷端侧壁安装贴片式热电偶，并将贴片式热电偶的信号接入数据采集单元，设置第一安全阈值和第二安全阈值，实时采集的温度分别与第一安全阈值和第二安全阈值进行比较，以触发相应的超温保护动作；

25、步骤十一、在波导杆伸出高温炉外的冷端表面涂抹声学耦合剂，将声发射传感器放置于该端面上并固定；

26、步骤十二、将声发射传感器的信号输出端依次连接至前置增益放大器与声发射采集仪；

27、步骤十三、开启声发射采集通道，进行断铅试验以确认信号传输正常；

28、步骤十四、启动高温炉加热至指定温度并保温，同步开启声发射采集以及数字万用表测量装置进行记录，然后启动振动台按设定工况开展试验。

29、步骤七中，确定波导杆延伸段长度的过程具体包括：将波导杆位于大气中的延伸段等效为等截面直肋一维稳态传热模型，并设定其端面绝热，建立导热微分方程：

30、

31、式中，为波导杆温度，为波导杆伸出段长度，为空气对流换热系数，为波导杆截面长度，为材料导热系数，为波导杆截面积，为大气环境温度，结合根部温度边界条件，处，，及端面绝热边界条件，求解上述微分方程，得到波导杆沿程轴向温度分布的解析公式：

32、

33、式中，为波导杆在距离穿出点处的局部温度，为波导杆刚穿出高温炉壁即处的初始受热温度，为波导杆散热特征常数，定义为，其中对于实心圆柱体波导杆，该常数简化为，为波导杆的横截面直径，

34、为保护顶端的声发射传感器，波导杆顶端，即处的实际到达温度必须小于或等于声发射传感器的最高安全工作温度阈值，将代入上述解析解公式，波导杆延伸段长度必须满足的限定关系式：

35、。

36、步骤五中根据欧姆定律计算待测试样的待测电阻具体包括：记录系统供电电流与电压测量引起待测区域的压降，根据欧姆定律计算出待测电阻的实时电阻值。

37、步骤十中超温保护动作具体包括：当贴片式热电偶采集的温度超过第一安全阈值时，系统驱动蜂鸣器报警，同时启动轴流风扇主动降温；当采集的温度超过第二安全阈值时，系统切断高温炉加热电源并暂停试验，第二安全阈值大于第一安全阈值。

38、与传统方法相比，本发明具有以下有益效果：

39、1、本发明针对高频剧烈机械振动工况，专门设计了带有防滑v型槽的固定压板与管夹组件，并辅以止动垫圈，利用v型槽双侧贴合的自定心与机械锁死作用，将波导杆牢固且刚性地夹持于高温上夹具表面。同时，导向通孔的孔径大于波导杆外径，避免了刚性接触传导机械噪声。上述设计有效杜绝了强振动工况下波导杆发生微观相对滑动、摩擦或撞击而产生的噪声，极大地提升了真实损伤信号的信噪比。

40、2、本发明将波导杆伸出段等效为一维稳态等截面直肋模型，建立导热微分方程并给出轴向温度分布的解析解。据此可根据高温炉温度、环境换热条件及传感器许用温度，精确计算出满足安全要求的最小伸出长度。该方法将波导杆长度的确定由经验估算提升为理论定量计算，既避免了传感器因过热而失效，又防止了杆长冗余带来的信号衰减和安装不便，实现了热防护与声发射信号保真度的最优平衡。

41、3、本发明通过在波导杆冷端使用贴片式热电偶，对传感器安装区进行实时温度监测。当温度超过预设阈值时，系统可自动报警并启动强制风冷；当温度达到危险阈值时，系统自动切断加热电源。这套闭环温控机制使试验具备了主动安全防护能力，有效防止了声发射传感器的意外损坏。

42、4、本发明采用四线法布置高温电极，可有效消除引线电阻和接触电阻对测量结果的影响，在高温振动环境下获得高精度的电阻数据，准确表征cmcs内部损伤累积导致的导电网络退化。