聲發射法無損檢測稻谷籽粒應力裂紋

吳中華，康 寧，董曉林，趙麗娟，張忠杰

（1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市綠色低碳過程裝備國際聯合研究中心，天津 300222；3. 國家糧食局科學研究院，北京 100037）

0 引 言

稻谷在收獲后經歷干燥和碾米等加工工序[1-7]。在這些加工工序中，稻谷籽粒將受到各種應力作用，如熱應力、濕應力和機械應力，并由此產生應力裂紋[8-11]。應力裂紋可分為微裂紋、中裂紋（裂紋長度小于谷粒徑向長度，需無損檢測）和宏觀裂紋（連通性裂紋，肉眼可見）；微裂紋和中裂紋對稻米品質影響不是很嚴重，但繼續擴展成宏觀裂紋時，將導致稻谷發生爆腰，從而降低整精米率和稻谷經濟價值。在稻谷烘干國家標準中，爆腰增加率不超過3%[12-14]。

稻谷應力裂紋產生及擴展規律是探索稻谷爆腰機理的基礎；然而應力裂紋是當前稻谷研究領域的一個難點。對稻谷應力裂紋試驗研究常采用“燈光法”，即在強光背景下觀察稻谷籽粒內部裂紋[15-17]。燈光法能觀察籽粒內部宏觀裂紋，但對微、中裂紋無能為力。另外，燈光法是一個靜態觀察方法，無法追蹤籽粒內部裂紋擴展。近年來，國內外學者通過數學建模，來模擬稻谷干燥、儲藏過程中籽粒內部應力分布；當局部應力超過稻谷屈服極限時，判定將產生爆腰[18-22]。由于稻谷應力導致應力裂紋規律認知不足，使得學者只能根據應力模擬結果，定性判定爆腰產生與否；從而限制數值模擬在應力裂紋研究的應用。因此，尋求一種有效稻谷應力裂紋研究手段顯得十分必要。

材料在應力作用將產生變形，當應力足夠大時將產生局部斷裂即裂紋。伴隨著斷裂，變形能量將以彈性波形式向外釋放，這種現象稱為聲發射（acoustic emission,AE），又稱應力波發射[23-26]。因此借助應力裂紋和聲發射之間對應關系，通過聲發射可以研究應力裂紋，這種技術成為聲發射技術。聲發射技術是借助電子技術、計算機技術以及信號處理手段將聲發射現象轉化為人們可以利用和認識的信號，據此來解釋結構內部的缺陷變化并判斷聲發射源的位置以及所處的狀態的專門技術；是一種評價材料或構件損傷的動態無損檢測技術[27-29]。聲發射技術已成功應用于橋梁、壓力容器、醫療器械等材料或構件內部裂紋等缺陷的監測，并且近年來，其應力領域正不斷拓展[30]。

本文提出將聲發射技術應用于稻谷裂紋研究的設想。不同于橋梁，壓力容器等大型構件，將聲發射技術應用于糧食等小型生物顆粒研究，目前仍未發現。為了驗證上述設想可行性，本文建立了稻谷干燥和受載聲發射試驗平臺，分別進行稻谷熱風干燥和機械壓縮試驗，模擬稻谷籽粒受到熱濕應力和機械應力作用的情況；測量并分析稻谷干燥和受載情況下聲發射信號，以驗證聲發射技術作為一種有效稻谷應力裂紋研究手段的可行性。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗材料

稻谷品種：天優3301秈型感溫三系雜交水稻，產自海南省三亞地區，2016年7月收獲。收獲后的稻谷密閉包裝后在2～4 ℃的條件下進行空運和儲藏。稻谷初始濕基含水率為24%左右。

1.2 試驗儀器及設備

1.2.1 干燥設備

智能控溫馬弗爐，型號：FO310C，重慶雅馬拓科技有限公司。

1.2.2 聲發射試驗設備

Micro-II型數字聲發射系統（包括聲發射儀，聲發射傳感器，前置放大器，信號采集系統等）。

1.2.3 機械壓縮設備

MTS E-45型電子萬能試驗機，深圳市銀飛電子科技有限公司。

1.2.4 其它設備

LHS-800HC-II恒溫恒濕箱，上海一恒科學儀器有限公司；FA2204B型電子分析天平（檢出限0.000 1 g）上海精科天美科學儀器有限公司；acA2500-14gm型號相機，德國BASLER公司生產；ISH500型高清顯微鏡，上海普赫光電科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 聲發射檢測去噪處理

為了確保傳感器采集的聲發射信號來自稻谷應力裂紋，降低背景噪聲影響，試驗采取以下措施：1）聲發射試驗在一個安靜，單獨房間進行，試驗期間停止其他活動。2）合理設置SAEU2S系統參數過濾背景噪聲。通過多次前期試驗，聲發射儀的固定門檻值設為40 dB，前放大增益設置為40 dB，濾波設置為直通,發現這些設置和措施可有效排除外部機械噪聲，只接收稻谷內部活動產生的聲發射信號。3）設置對照組。對照組收集背景噪聲信號，和試驗組聲發射信號對比分析。

1.3.2 不同含水率稻谷的調配

取若干組稻谷，每組稻谷500 g，平鋪于托盤上，將全部樣品置于恒溫高濕培養箱內（溫度 18 ℃，濕度≥90%）放置24 h。先選取一組在恒溫22 ℃烘箱內晾干，測量含水率隨晾干時間變化，并繪制曲線。根據曲線，設置其他組在烘箱內不同晾干時間，即得不同含水率稻谷樣品。

1.3.3 稻谷籽粒干燥過程聲發射試驗

稻谷籽粒干燥過程聲發射試驗裝置如圖 1所示。試驗裝置主要包括Micro-II聲發射系統和智能控溫馬弗爐。馬弗爐內加熱腔作為干燥室，2個聲發射傳感器探頭吊裝在馬弗爐內腔中心位置。探頭和聲發射儀、計算機相連，用于采集和處理聲發射信號。

試驗前，稻谷籽粒經手工剝殼后，挑選出顆粒飽滿，且在LED燈照下，利用放大鏡觀看無裂紋出現。將精選的谷粒通過專用膠（耦合劑）直接耦合在一個傳感器探頭上；另外一個探頭涂膠但無谷粒，作為對照組。開啟聲發射儀數據采集軟件系統SAEU2S，設置背景噪聲過濾閾值為40 dB（多次試驗得到的合理值）。開啟馬弗爐程序升溫系統，當馬弗爐內腔溫度達到干燥試驗設定值（如60 ℃）時，將2個探頭吊裝入馬弗爐內腔。同時，系統SAEU2S開始采集和記錄探頭采集的稻谷聲發射信號。

圖1 聲發射干燥試驗裝置實物圖Fig.1 Air drying setup with acoustic emission instrument

1.3.4 稻谷籽粒受載過程聲發射試驗

稻谷籽粒受載過程聲發射試驗裝置如圖 2所示。試驗裝置主要包含電子萬能試驗機，聲發射儀。為了防止萬能機壓壞聲發射傳感器，將稻谷籽粒放置在20 mm×20 mm×20 mm正方體的鐵載體上面，鐵載體表面光滑平整，2個聲發射傳感器耦合在鐵載體側面。試驗時，將稻谷和鐵載體放置萬能機受載臺上，然后利用電子萬能試驗機進行加載試驗。試驗過程中采用軸向應變控制加載方式，保持加載位移速度為0.1 mm/min，聲發射數據采集系統同步進行。當電子萬能機達到所設定壓力值（如15、30 N）時，萬能機自動停止運行，同時停止聲發射采集系統。

圖2 聲發射壓載裝置圖Fig.2 Rice mechanical compression setup with acoustic emission instrument figure

聲發射儀系統處理信號有2種模式：1）全波形模式。無論信號強弱，系統記錄每一個時刻聲發射傳感器采集的脈沖信號，并按照時序狀態進行顯示。2）能量參數模式。只有當傳感器采集的信號大于閾值時，系統才記錄信號產生時刻和大小。相對全波形模式，能量參數模式所需計算機內存較小，因而成本較低。

2 結果與討論

2.1 稻谷干燥應力及聲發射

2.1.1 溫度對稻谷聲發射信號變化的研究

課題組于2016年對稻谷籽粒熱風干燥過程進行了試驗和數值模擬研究，相關工作結果見文獻[13]。本文在上述工作基礎上，再進行稻谷籽粒熱風干燥過程聲發射研究，并對稻谷籽粒干燥試驗、模擬和聲發射試驗結果進行綜合分析，以便了解干燥應力與聲發射之間關聯。圖3顯示了熱風干燥溫度為60 ℃，濕基含水率為22%的稻谷試驗和模擬干燥曲線。可以看出，稻谷籽粒從初始含水率22%干燥到11%所需時間為80 min。

圖3 模擬與試驗稻谷干燥曲線Fig.3 Drying curves of rice kernel obtained from experiment and simulation

圖4上部分為干燥溫度60 ℃，濕基含水率22%的稻谷籽粒在干燥5 368 s（90 min）得到聲發射信號全波形圖，下部分是未粘有稻谷作為對照組，證明傳感器采集到的聲發射信號全部來自稻谷干燥過程中應力裂紋發生及擴展所釋放的能量。

圖4 60℃濕基含水率為22%，稻谷聲發射全波形圖(5 368.17 s)Fig.4 Waveform acoustic emission signal of rice kernel during hot air drying process (22%, 60℃, 5 368.17 s)

從圖中可以看出，在干燥初期0～450 s(0～7 min)內聲發射信號比較豐富。結合下圖稻谷干燥模擬結果，判斷該時間段處于稻谷干燥過程的初始升溫階段，推測其聲發射信號可能是由稻谷籽粒內部溫度梯度形成的熱應力引起的。

圖 5為數值模擬得到的稻谷籽粒內部不同位置點的溫度變化曲線，稻谷籽粒坐標通過圖像處理構建稻谷籽粒三維適體網格[13]。其中點（0,0,0）為稻谷中心，點（0.003,0）為谷粒長軸端點。圖 5可以看出，稻谷內部溫度隨干燥時間增加而逐漸升高，在干燥4～6 min內溫度上升較快，干燥 6～10 min內溫度緩慢上升，在t為11 min后接近干燥介質-熱風溫度 60 ℃，之后保持在該值的附近。稻谷籽粒邊界點較中心點位置升溫快，因而會造成稻谷籽粒內部存在溫度梯度。邊界點與中心點溫度梯度（DT）隨干燥時間先快速增加，在t為3～4 min達到最大值約 15 ℃,然后逐漸減小。結合 2圖，可以看出稻谷在干燥初期釋放少量聲發射信號的時間段與稻谷內部溫度梯度變化的時間段基本吻合，因此可推斷在稻谷初始升溫階段，應力裂紋主要是由熱應力導致。

圖5 稻谷籽粒各內部點溫度變化曲線Fig.5 Variations of local temperature inside rice kernel

2.1.2 濕度對稻谷聲發射信號變化的研究

在干燥時間450s～2 400 s（7～40 min），聲發射信號只是少量出現并且很弱， 2 400 s以后信號開始變得豐富，并且在2 400 s處出現一個明顯的信號密集區。干燥時間2 400 s對應的稻谷濕基含水率為14%（干基含水率為17%）,濕基含水率大于14%時聲發射信號較少，該試驗觀察與文獻資料報道的結論-稻谷在濕基含水率大于14%時較少發生爆腰相吻合[13]。

圖6為稻谷籽粒內部水分隨干燥時間變化圖。

圖6 稻谷籽粒各內部點含水率變化曲線Fig.6 Variations of local moisture contents inside rice kernel during air drying process

由圖 6可知，與熱量傳遞過程相反，稻谷水分由內部向表面傳遞。籽粒表面附近水分擴散明顯，越接近中心部位，水分遷移擴散相對遲緩；因而在籽粒內部形成水分梯度。稻谷內部水分梯度隨干燥時間先增大后減小，在t=35～40 min時達到峰值。稻谷干燥過程中聲發射信號開始大量密集出現與內部水分梯度在干燥40 min左右達到最大基本吻合，說明該階段應力裂紋產生和擴展主要是水分梯度形成的濕應力導致的，并且濕度梯度在濕基含水率14%時達到最大值。

2.1.3 降溫冷卻對稻谷聲發射信號變化的研究

圖 7上部分為稻谷籽粒在（常溫冷卻）30～80℃（3 700 s）條件下的聲發射全波形圖，下部分是未粘有稻谷籽粒的對照組。與圖4相比較，80 ℃干燥溫度下，濕應力導致的聲發射密集區提前，出現在1 200 s左右。另外，80 ℃下密集區后的聲發射信號分布較稀疏，可能的原因是高溫 80 ℃下，稻谷籽粒干燥過程中始終呈橡膠態，抵抗破裂能力較強，此干燥階段不易產生應力裂紋。有趣的是，3 700 s后的自然冷卻階段，聲發射信號密集而強烈，說明在冷卻階段，應力裂紋發生強烈擴展。原因可能是稻谷在冷卻階段，隨著谷粒溫度降低，稻谷籽粒由橡膠態向玻璃態轉變，籽粒變得剛脆，在干燥過程累積的應力容易發生破裂（應力裂紋）。觀察到的冷卻階段聲發射信號急劇增加現象，對應于文獻資料報道的現象：高溫干燥下稻谷在冷卻階段爆腰率急劇增加[15]。圖8為30～80 ℃條件下稻谷籽粒采用acA2500-14gm型號工業相機拍攝的照片，可以看出，籽粒內部有大量宏觀裂紋（爆腰）。

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

圖8 濕基含水率為22%, 30～80 ℃時稻谷圖Fig.8 Photo of rice at 22% moisture content and 30～80 ℃ drying temperature

2.2 稻谷機械應力及聲發射

2.2.1 壓力對稻谷應力與聲發射信號的影響

圖9a為萬能機15 N壓力下得到的濕基含水率為20%的稻谷籽粒應力-聲發射計數關系圖。可以看出，隨著時間的推移，應力基本呈線性增大，最終增大至3 MPa左右。初始加載階段0～7 s時，稻谷無聲發射信號。7～11 s時，稻谷所受應力較小，該階段有少許信號出現，主要變形可能為微觀裂紋。隨著應力的增大，稻谷微裂紋開始逐漸擴展，聲發射信號顯著變強；在22 s左右，信號達到最大值，稻谷籽粒沒有屈服應力出現，可以推測稻谷籽粒沒有發生爆腰。但采集的聲發射信號表明稻谷內部產生了一些微裂紋，并發生擴展。

圖9 15、30 N壓力下稻谷應力及聲發射計數Fig.9 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 15 and 30 N compression load

在圖9b中，從加載初始階段就出現大量的聲發射信號，較15 N壓力整個受載過程信號更加豐富；表明籽粒受到載荷變大，內部活動性增強，裂紋生成速度加快。在100 s之前稻谷應力呈線性增加，相應地，聲發射信號密集區間歇出現，表明裂紋在擴展。當加載到100 s時，所受應力超過籽粒載荷強度，出現應力屈服，此時應力值大約在8 MPa左右，推測此時稻谷發生了爆腰；同時，信號在100 s達到最大值，與應力屈服出現的時間一致。稻谷發生爆腰以后，仍然采集到脈沖信號的出現，期間脈沖數量明顯減少，說明稻谷裂紋仍在擴展或新裂紋出現。

圖10為15 N、30 N壓力受載后籽粒照片，15 N壓力下未發現宏觀裂紋（爆腰），但可以觀察到微小裂紋，與聲發射信號結果相吻合；30 N壓力下的谷粒可以明顯觀察到宏觀裂紋（爆腰）。

圖10 15、30 N壓力下稻谷高清圖Fig.10 Photo of rice kernel compressed by 15 and 30 N

2.2.2 含水率對稻谷應力與聲發射信號的影響

圖11為濕基含水率為14%的稻谷籽粒在30 N的壓力下，應力-聲發射計數的關系圖。

圖11 30 N壓力下稻谷應力及聲發射計數Fig.11 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 30 N compression load

與圖9b相比，含水率較低的稻谷籽粒在整個受載期間聲發射信號比較稀少，且在受載初期22 s前幾乎沒有出現聲發射信號，同時在該作用力下未出現應力屈服，通過高清相機拍攝籽粒也未發生爆腰，說明含水率較低的籽粒強度和硬度較大，抵抗破裂的能力也較強，因此所能承受的載荷就較大。

3 結 論

本文以天優 3301，秈型感溫三系雜交稻谷為試驗物料，建立了稻谷籽粒干燥和受載過程聲發射試驗臺，分別進行籽粒熱風干燥和機械壓縮試驗，繪制了稻谷籽粒在干燥、受載過程中的干燥曲線與應力-應變曲線，監測并繪制稻谷籽粒聲發射全波形圖，分析了應力裂紋與聲發射信號之間關聯，得到了以下結論：

1）在現有技術條件下，聲發射儀可監測到籽粒干燥和受載過程的聲發射信號，溫度、水分、降溫冷卻、壓力對籽粒應力裂紋的產生都有一定的影響。

2）熱風干燥過程稻谷籽粒聲發射時序特征和干燥特性關聯密切，濕基含水率為22%的稻谷在60 ℃干燥條件中，7 min內產生的聲發射信號可能是由于溫度梯度造成，40 min左右產生的密集信號主要由于籽粒濕度梯度的影響，與模擬結果40 min左右濕度梯度達到最大相吻合，聲發射印證了稻谷一些典型干燥現象，并微觀解析了典型現象的成因。

3）含水率越低，籽粒強度和硬度越大，抵抗破裂的能力越強，能承受的載荷就越大，受載過程釋放的信號也越少；濕基含水率為20%的籽粒在30 N壓力下得到聲發射信號的最大值與發生應力屈服均出現在100 s，該含水率籽粒最大應力強度8 MPa左右，而含水率為14%的籽粒在該強度下并未發生爆腰。

本文的試驗結果表明聲發射技術用于稻谷應力裂紋研究是可行的，但其進一步應用仍需對溫度變化對籽粒聲發射信號產生的影響等方面進行研究。

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