声发射法无损检测稻谷籽粒应力裂纹

吴中华，康 宁，董晓林，赵丽娟，张忠杰

（1. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2. 天津市绿色低碳过程装备国际联合研究中心，天津 300222；3. 国家粮食局科学研究院，北京 100037）

0 引 言

稻谷在收获后经历干燥和碾米等加工工序[1-7]。在这些加工工序中，稻谷籽粒将受到各种应力作用，如热应力、湿应力和机械应力，并由此产生应力裂纹[8-11]。应力裂纹可分为微裂纹、中裂纹（裂纹长度小于谷粒径向长度，需无损检测）和宏观裂纹（连通性裂纹，肉眼可见）；微裂纹和中裂纹对稻米品质影响不是很严重，但继续扩展成宏观裂纹时，将导致稻谷发生爆腰，从而降低整精米率和稻谷经济价值。在稻谷烘干国家标准中，爆腰增加率不超过3%[12-14]。

稻谷应力裂纹产生及扩展规律是探索稻谷爆腰机理的基础；然而应力裂纹是当前稻谷研究领域的一个难点。对稻谷应力裂纹试验研究常采用“灯光法”，即在强光背景下观察稻谷籽粒内部裂纹[15-17]。灯光法能观察籽粒内部宏观裂纹，但对微、中裂纹无能为力。另外，灯光法是一个静态观察方法，无法追踪籽粒内部裂纹扩展。近年来，国内外学者通过数学建模，来模拟稻谷干燥、储藏过程中籽粒内部应力分布；当局部应力超过稻谷屈服极限时，判定将产生爆腰[18-22]。由于稻谷应力导致应力裂纹规律认知不足，使得学者只能根据应力模拟结果，定性判定爆腰产生与否；从而限制数值模拟在应力裂纹研究的应用。因此，寻求一种有效稻谷应力裂纹研究手段显得十分必要。

材料在应力作用将产生变形，当应力足够大时将产生局部断裂即裂纹。伴随着断裂，变形能量将以弹性波形式向外释放，这种现象称为声发射（acoustic emission,AE），又称应力波发射[23-26]。因此借助应力裂纹和声发射之间对应关系，通过声发射可以研究应力裂纹，这种技术成为声发射技术。声发射技术是借助电子技术、计算机技术以及信号处理手段将声发射现象转化为人们可以利用和认识的信号，据此来解释结构内部的缺陷变化并判断声发射源的位置以及所处的状态的专门技术；是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术[27-29]。声发射技术已成功应用于桥梁、压力容器、医疗器械等材料或构件内部裂纹等缺陷的监测，并且近年来，其应力领域正不断拓展[30]。

本文提出将声发射技术应用于稻谷裂纹研究的设想。不同于桥梁，压力容器等大型构件，将声发射技术应用于粮食等小型生物颗粒研究，目前仍未发现。为了验证上述设想可行性，本文建立了稻谷干燥和受载声发射试验平台，分别进行稻谷热风干燥和机械压缩试验，模拟稻谷籽粒受到热湿应力和机械应力作用的情况；测量并分析稻谷干燥和受载情况下声发射信号，以验证声发射技术作为一种有效稻谷应力裂纹研究手段的可行性。

1 试验设备及方法

1.1 试验材料

稻谷品种：天优3301籼型感温三系杂交水稻，产自海南省三亚地区，2016年7月收获。收获后的稻谷密闭包装后在2～4 ℃的条件下进行空运和储藏。稻谷初始湿基含水率为24%左右。

1.2 试验仪器及设备

1.2.1 干燥设备

智能控温马弗炉，型号：FO310C，重庆雅马拓科技有限公司。

1.2.2 声发射试验设备

Micro-II型数字声发射系统（包括声发射仪，声发射传感器，前置放大器，信号采集系统等）。

1.2.3 机械压缩设备

MTS E-45型电子万能试验机，深圳市银飞电子科技有限公司。

1.2.4 其它设备

LHS-800HC-II恒温恒湿箱，上海一恒科学仪器有限公司；FA2204B型电子分析天平（检出限0.000 1 g）上海精科天美科学仪器有限公司；acA2500-14gm型号相机，德国BASLER公司生产；ISH500型高清显微镜，上海普赫光电科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 声发射检测去噪处理

为了确保传感器采集的声发射信号来自稻谷应力裂纹，降低背景噪声影响，试验采取以下措施：1）声发射试验在一个安静，单独房间进行，试验期间停止其他活动。2）合理设置SAEU2S系统参数过滤背景噪声。通过多次前期试验，声发射仪的固定门槛值设为40 dB，前放大增益设置为40 dB，滤波设置为直通,发现这些设置和措施可有效排除外部机械噪声，只接收稻谷内部活动产生的声发射信号。3）设置对照组。对照组收集背景噪声信号，和试验组声发射信号对比分析。

1.3.2 不同含水率稻谷的调配

取若干组稻谷，每组稻谷500 g，平铺于托盘上，将全部样品置于恒温高湿培养箱内（温度 18 ℃，湿度≥90%）放置24 h。先选取一组在恒温22 ℃烘箱内晾干，测量含水率随晾干时间变化，并绘制曲线。根据曲线，设置其他组在烘箱内不同晾干时间，即得不同含水率稻谷样品。

1.3.3 稻谷籽粒干燥过程声发射试验

稻谷籽粒干燥过程声发射试验装置如图 1所示。试验装置主要包括Micro-II声发射系统和智能控温马弗炉。马弗炉内加热腔作为干燥室，2个声发射传感器探头吊装在马弗炉内腔中心位置。探头和声发射仪、计算机相连，用于采集和处理声发射信号。

试验前，稻谷籽粒经手工剥壳后，挑选出颗粒饱满，且在LED灯照下，利用放大镜观看无裂纹出现。将精选的谷粒通过专用胶（耦合剂）直接耦合在一个传感器探头上；另外一个探头涂胶但无谷粒，作为对照组。开启声发射仪数据采集软件系统SAEU2S，设置背景噪声过滤阈值为40 dB（多次试验得到的合理值）。开启马弗炉程序升温系统，当马弗炉内腔温度达到干燥试验设定值（如60 ℃）时，将2个探头吊装入马弗炉内腔。同时，系统SAEU2S开始采集和记录探头采集的稻谷声发射信号。

图1 声发射干燥试验装置实物图Fig.1 Air drying setup with acoustic emission instrument

1.3.4 稻谷籽粒受载过程声发射试验

稻谷籽粒受载过程声发射试验装置如图 2所示。试验装置主要包含电子万能试验机，声发射仪。为了防止万能机压坏声发射传感器，将稻谷籽粒放置在20 mm×20 mm×20 mm正方体的铁载体上面，铁载体表面光滑平整，2个声发射传感器耦合在铁载体侧面。试验时，将稻谷和铁载体放置万能机受载台上，然后利用电子万能试验机进行加载试验。试验过程中采用轴向应变控制加载方式，保持加载位移速度为0.1 mm/min，声发射数据采集系统同步进行。当电子万能机达到所设定压力值（如15、30 N）时，万能机自动停止运行，同时停止声发射采集系统。

图2 声发射压载装置图Fig.2 Rice mechanical compression setup with acoustic emission instrument figure

声发射仪系统处理信号有2种模式：1）全波形模式。无论信号强弱，系统记录每一个时刻声发射传感器采集的脉冲信号，并按照时序状态进行显示。2）能量参数模式。只有当传感器采集的信号大于阈值时，系统才记录信号产生时刻和大小。相对全波形模式，能量参数模式所需计算机内存较小，因而成本较低。

2 结果与讨论

2.1 稻谷干燥应力及声发射

2.1.1 温度对稻谷声发射信号变化的研究

课题组于2016年对稻谷籽粒热风干燥过程进行了试验和数值模拟研究，相关工作结果见文献[13]。本文在上述工作基础上，再进行稻谷籽粒热风干燥过程声发射研究，并对稻谷籽粒干燥试验、模拟和声发射试验结果进行综合分析，以便了解干燥应力与声发射之间关联。图3显示了热风干燥温度为60 ℃，湿基含水率为22%的稻谷试验和模拟干燥曲线。可以看出，稻谷籽粒从初始含水率22%干燥到11%所需时间为80 min。

图3 模拟与试验稻谷干燥曲线Fig.3 Drying curves of rice kernel obtained from experiment and simulation

图4上部分为干燥温度60 ℃，湿基含水率22%的稻谷籽粒在干燥5 368 s（90 min）得到声发射信号全波形图，下部分是未粘有稻谷作为对照组，证明传感器采集到的声发射信号全部来自稻谷干燥过程中应力裂纹发生及扩展所释放的能量。

图4 60℃湿基含水率为22%，稻谷声发射全波形图(5 368.17 s)Fig.4 Waveform acoustic emission signal of rice kernel during hot air drying process (22%, 60℃, 5 368.17 s)

从图中可以看出，在干燥初期0～450 s(0～7 min)内声发射信号比较丰富。结合下图稻谷干燥模拟结果，判断该时间段处于稻谷干燥过程的初始升温阶段，推测其声发射信号可能是由稻谷籽粒内部温度梯度形成的热应力引起的。

图 5为数值模拟得到的稻谷籽粒内部不同位置点的温度变化曲线，稻谷籽粒坐标通过图像处理构建稻谷籽粒三维适体网格[13]。其中点（0,0,0）为稻谷中心，点（0.003,0）为谷粒长轴端点。图 5可以看出，稻谷内部温度随干燥时间增加而逐渐升高，在干燥4～6 min内温度上升较快，干燥 6～10 min内温度缓慢上升，在t为11 min后接近干燥介质-热风温度 60 ℃，之后保持在该值的附近。稻谷籽粒边界点较中心点位置升温快，因而会造成稻谷籽粒内部存在温度梯度。边界点与中心点温度梯度（DT）随干燥时间先快速增加，在t为3～4 min达到最大值约 15 ℃,然后逐渐减小。结合 2图，可以看出稻谷在干燥初期释放少量声发射信号的时间段与稻谷内部温度梯度变化的时间段基本吻合，因此可推断在稻谷初始升温阶段，应力裂纹主要是由热应力导致。

图5 稻谷籽粒各内部点温度变化曲线Fig.5 Variations of local temperature inside rice kernel

2.1.2 湿度对稻谷声发射信号变化的研究

在干燥时间450s～2 400 s（7～40 min），声发射信号只是少量出现并且很弱， 2 400 s以后信号开始变得丰富，并且在2 400 s处出现一个明显的信号密集区。干燥时间2 400 s对应的稻谷湿基含水率为14%（干基含水率为17%）,湿基含水率大于14%时声发射信号较少，该试验观察与文献资料报道的结论-稻谷在湿基含水率大于14%时较少发生爆腰相吻合[13]。

图6为稻谷籽粒内部水分随干燥时间变化图。

图6 稻谷籽粒各内部点含水率变化曲线Fig.6 Variations of local moisture contents inside rice kernel during air drying process

由图 6可知，与热量传递过程相反，稻谷水分由内部向表面传递。籽粒表面附近水分扩散明显，越接近中心部位，水分迁移扩散相对迟缓；因而在籽粒内部形成水分梯度。稻谷内部水分梯度随干燥时间先增大后减小，在t=35～40 min时达到峰值。稻谷干燥过程中声发射信号开始大量密集出现与内部水分梯度在干燥40 min左右达到最大基本吻合，说明该阶段应力裂纹产生和扩展主要是水分梯度形成的湿应力导致的，并且湿度梯度在湿基含水率14%时达到最大值。

2.1.3 降温冷却对稻谷声发射信号变化的研究

图 7上部分为稻谷籽粒在（常温冷却）30～80℃（3 700 s）条件下的声发射全波形图，下部分是未粘有稻谷籽粒的对照组。与图4相比较，80 ℃干燥温度下，湿应力导致的声发射密集区提前，出现在1 200 s左右。另外，80 ℃下密集区后的声发射信号分布较稀疏，可能的原因是高温 80 ℃下，稻谷籽粒干燥过程中始终呈橡胶态，抵抗破裂能力较强，此干燥阶段不易产生应力裂纹。有趣的是，3 700 s后的自然冷却阶段，声发射信号密集而强烈，说明在冷却阶段，应力裂纹发生强烈扩展。原因可能是稻谷在冷却阶段，随着谷粒温度降低，稻谷籽粒由橡胶态向玻璃态转变，籽粒变得刚脆，在干燥过程累积的应力容易发生破裂（应力裂纹）。观察到的冷却阶段声发射信号急剧增加现象，对应于文献资料报道的现象：高温干燥下稻谷在冷却阶段爆腰率急剧增加[15]。图8为30～80 ℃条件下稻谷籽粒采用acA2500-14gm型号工业相机拍摄的照片，可以看出，籽粒内部有大量宏观裂纹（爆腰）。

图7 30～80 ℃湿基含水率为22%，稻谷全波形图（4 291.52 s）Fig.7 Waveform acoustic emission signal of rice kernel duringhot air drying process（22%, 30～80 ℃, 4 291.52 s）

图8 湿基含水率为22%, 30～80 ℃时稻谷图Fig.8 Photo of rice at 22% moisture content and 30～80 ℃ drying temperature

2.2 稻谷机械应力及声发射

2.2.1 压力对稻谷应力与声发射信号的影响

图9a为万能机15 N压力下得到的湿基含水率为20%的稻谷籽粒应力-声发射计数关系图。可以看出，随着时间的推移，应力基本呈线性增大，最终增大至3 MPa左右。初始加载阶段0～7 s时，稻谷无声发射信号。7～11 s时，稻谷所受应力较小，该阶段有少许信号出现，主要变形可能为微观裂纹。随着应力的增大，稻谷微裂纹开始逐渐扩展，声发射信号显著变强；在22 s左右，信号达到最大值，稻谷籽粒没有屈服应力出现，可以推测稻谷籽粒没有发生爆腰。但采集的声发射信号表明稻谷内部产生了一些微裂纹，并发生扩展。

图9 15、30 N压力下稻谷应力及声发射计数Fig.9 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 15 and 30 N compression load

在图9b中，从加载初始阶段就出现大量的声发射信号，较15 N压力整个受载过程信号更加丰富；表明籽粒受到载荷变大，内部活动性增强，裂纹生成速度加快。在100 s之前稻谷应力呈线性增加，相应地，声发射信号密集区间歇出现，表明裂纹在扩展。当加载到100 s时，所受应力超过籽粒载荷强度，出现应力屈服，此时应力值大约在8 MPa左右，推测此时稻谷发生了爆腰；同时，信号在100 s达到最大值，与应力屈服出现的时间一致。稻谷发生爆腰以后，仍然采集到脉冲信号的出现，期间脉冲数量明显减少，说明稻谷裂纹仍在扩展或新裂纹出现。

图10为15 N、30 N压力受载后籽粒照片，15 N压力下未发现宏观裂纹（爆腰），但可以观察到微小裂纹，与声发射信号结果相吻合；30 N压力下的谷粒可以明显观察到宏观裂纹（爆腰）。

图10 15、30 N压力下稻谷高清图Fig.10 Photo of rice kernel compressed by 15 and 30 N

2.2.2 含水率对稻谷应力与声发射信号的影响

图11为湿基含水率为14%的稻谷籽粒在30 N的压力下，应力-声发射计数的关系图。

图11 30 N压力下稻谷应力及声发射计数Fig.11 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 30 N compression load

与图9b相比，含水率较低的稻谷籽粒在整个受载期间声发射信号比较稀少，且在受载初期22 s前几乎没有出现声发射信号，同时在该作用力下未出现应力屈服，通过高清相机拍摄籽粒也未发生爆腰，说明含水率较低的籽粒强度和硬度较大，抵抗破裂的能力也较强，因此所能承受的载荷就较大。

3 结 论

本文以天优 3301，籼型感温三系杂交稻谷为试验物料，建立了稻谷籽粒干燥和受载过程声发射试验台，分别进行籽粒热风干燥和机械压缩试验，绘制了稻谷籽粒在干燥、受载过程中的干燥曲线与应力-应变曲线，监测并绘制稻谷籽粒声发射全波形图，分析了应力裂纹与声发射信号之间关联，得到了以下结论：

1）在现有技术条件下，声发射仪可监测到籽粒干燥和受载过程的声发射信号，温度、水分、降温冷却、压力对籽粒应力裂纹的产生都有一定的影响。

2）热风干燥过程稻谷籽粒声发射时序特征和干燥特性关联密切，湿基含水率为22%的稻谷在60 ℃干燥条件中，7 min内产生的声发射信号可能是由于温度梯度造成，40 min左右产生的密集信号主要由于籽粒湿度梯度的影响，与模拟结果40 min左右湿度梯度达到最大相吻合，声发射印证了稻谷一些典型干燥现象，并微观解析了典型现象的成因。

3）含水率越低，籽粒强度和硬度越大，抵抗破裂的能力越强，能承受的载荷就越大，受载过程释放的信号也越少；湿基含水率为20%的籽粒在30 N压力下得到声发射信号的最大值与发生应力屈服均出现在100 s，该含水率籽粒最大应力强度8 MPa左右，而含水率为14%的籽粒在该强度下并未发生爆腰。

本文的试验结果表明声发射技术用于稻谷应力裂纹研究是可行的，但其进一步应用仍需对温度变化对籽粒声发射信号产生的影响等方面进行研究。

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