聲發(fā)射第三章--聲發(fā)射波的探測(2015年11月)

1、第第三三章章聲發(fā)射波的探測聲發(fā)射波的探測聲發(fā)射檢測就是檢測接收聲發(fā)射信號并進聲發(fā)射檢測就是檢測接收聲發(fā)射信號并進行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的信息。行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的信息。tV貯罐油面內 置 前放 的 傳感器信 號 電纜線內置聲發(fā)射卡計算機系統(tǒng)腐蝕點腐蝕信號大型儲罐檢測示意大型儲罐檢測示意球罐檢測示意球罐檢測示意常壓儲罐的聲發(fā)射檢測常壓儲罐的聲發(fā)射檢測低溫儲罐的聲發(fā)射檢測低溫儲罐的聲發(fā)射檢測常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測的開罐驗證常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測的開罐驗證由于聲發(fā)射信號的每個脈沖都包含著一個頻率譜，由于聲發(fā)射信號的每個脈沖都包含著一個頻率譜，這個頻率譜所包括的頻率范圍可以從幾赫茲到幾十這

2、個頻率譜所包括的頻率范圍可以從幾赫茲到幾十兆赫茲，因此，在進行某項具體的檢測工作時，首兆赫茲，因此，在進行某項具體的檢測工作時，首先應該知道所要檢測的材料先應該知道所要檢測的材料(缺陷缺陷)在外力作用下產在外力作用下產生的聲發(fā)射的大致頻率范圍，然后再從這個總范圍生的聲發(fā)射的大致頻率范圍，然后再從這個總范圍內選擇一個最適合的頻率窗口，以便濾去噪聲的干內選擇一個最適合的頻率窗口，以便濾去噪聲的干擾。一般的機械噪聲和電氣噪聲的頻率都比較低，擾。一般的機械噪聲和電氣噪聲的頻率都比較低，因此在聲發(fā)射檢測中首先要確定頻率窗口的上下限。因此在聲發(fā)射檢測中首先要確定頻率窗口的上下限。在頻率窗口確定后，就能依此

3、為根據來選定傳感器在頻率窗口確定后，就能依此為根據來選定傳感器和帶通濾波器。和帶通濾波器。 前放前放主放主放參數采參數采集處理集處理記錄記錄顯示顯示第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 壓電效應分類壓電效應分類正壓電效應、逆壓電效應。正壓電效應、逆壓電效應。 正壓電效應正壓電效應當某些電介質沿一定方向受外力當某些電介質沿一定方向受外力作用而變形時，在其一定的兩個表面上產生正負作用而變形時，在其一定的兩個表面上產生正負異號電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀異號電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)，態(tài)，這種現象就被稱為正壓電效應這種現象就被稱為正壓電效應正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應當

4、在電介質的極化方向施加電場，當在電介質的極化方向施加電場，某些電介質在一定的方向上將產生機械變形或機某些電介質在一定的方向上將產生機械變形或機械應力，當外電場撤去后，變形或應力也隨之消械應力，當外電場撤去后，變形或應力也隨之消失，失，這種物理現象稱為逆壓電效應。這種物理現象稱為逆壓電效應。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應壓電效應的特點壓電效應的特點壓電效應是可逆的，正壓壓電效應是可逆的，正壓電效應和逆壓電效應的總稱為壓電效應。習慣電效應和逆壓電效應的總稱為壓電效應。習慣上把正壓電效應稱為壓電效應。上把正壓電效應稱為壓電效應。 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 壓電常數電介質受力所產生的電荷與外力的

5、大小成正比，比例系數為壓電常數(壓電應變常數、壓電電壓常數、厚度振動頻率常數、機電耦合系數)。它與機械形變方向有關，對一定材料一定方向則為常量。電介質受力產生電荷的極性取決于變形的形式（壓縮或伸長）。 厚度振動頻率常數當壓電晶片的厚度t等于該頻率下的半波長時，壓電晶片將產生共振,t=0.5 , t=0.5v/f，ft=常數。壓電晶片的諧振頻率與厚度的乘積為一常數，大約為0.5倍波速。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應壓電材料具有明顯壓電效應的材料稱為壓電材料。常用的有石英晶體、鈮酸鋰LiNbO3、鎵酸鋰LiGaO3、鍺酸鉍Bi12GeO20等單晶和經極化處理后的多晶體如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系列

6、壓電陶瓷PZT。鋯鈦酸鉛壓電材料靈敏度高,是聲發(fā)射傳感器常用材料。鈮酸鋰居里點達1200 ，可用作高溫傳感器。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 新型壓電材料：有高分子壓電薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和壓電半導體（如ZnO、CdS）。 單晶材料的壓電效應是由于這些單晶受外應力時其內部經格結構變形，使原來宏觀表現的電中性狀態(tài)被破壞而產生電極化。經極化（一定溫度下加以強電場）處理后的壓電陶瓷、高分子壓電薄膜的壓電性是電疇、電極偶子取向極化的結果。 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 壓電材料的優(yōu)點壓電材料制成的壓電轉換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏

7、度和信噪比高等優(yōu)點， 壓電材料的缺點壓電材料制成的壓電轉換元件的主要缺點是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有250左右。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 正壓電效應的應用利用正壓電效應制成的壓電式傳感器，將壓力、振動、加速度等非電量轉換成電量，從而進行精密測量。利用正壓電效應研制的壓電電源、煤氣爐和汽車發(fā)動機的自動點火裝置等多種電壓發(fā)生器；在測試技術中，壓電轉換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換成力的那些物理量，例如壓力、加速度、機械沖擊和振動等，因此在聲學、力學、醫(yī)學和宇航等廣闊領域中都可見到壓電式傳感器的應用。 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效

8、應壓電效應 逆壓電效應的應用利用逆壓電效應可制成超聲波發(fā)生器、壓電揚聲器、頻率高度穩(wěn)定的晶體振蕩器（如每晝夜誤差210-5s的石英鐘、表）等。逆壓電效應可用于聲發(fā)射信號產生。 聲發(fā)射探頭的壓電元件：第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 聲發(fā)射傳感器（探頭、換能器）可以把聲發(fā)射信號轉換成電信號的裝置。 傳感器工作原理傳感器是利用某些物質（如半導體、陶瓷、壓電晶體、強磁性體和超導體等）的物理特性隨著外界待測量作用而發(fā)生變化的原理制成的。利用了諸多的效應（包括物理效應、化學效應和生物效應）和物理現象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等效應，把應變、濕度、溫度、位移、

9、磁場、煤氣等被測量變換成電量。在聲發(fā)射檢測過程中，通常使用的是壓電效應。 傳感器的主要元件傳感器通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成 。 這些元件的功能是： 敏感元件：直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量（包括電學量）。 轉換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應變、應力、光強等轉換為電學量（包括電路參數量、電壓、電流等）。 轉換電路：將電路參數（如電阻、電感、電容等）量轉換成便于測量的電量，例如電壓、電流、頻率等。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受被測溫差時直接輸出電動勢。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，無需轉換電路，例如壓電式加速度傳感

10、器。還有些傳感器由敏感元件和轉換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉換元件還不只一個，要經若干次轉換才輸出電量。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 聲發(fā)射傳感器的組成一般由殼體、保護膜、壓電元件、阻尼塊、連接導線及高頻插座組成。壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。根據不同的檢測目的和環(huán)境采用不同結構和性能的傳感器。其中，諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器1壓電元件 2殼 3上蓋 4導線5高頻插座 6吸收劑 7底座 8保護膜 n聲發(fā)射傳感器的結構單端諧振式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 傳感器的輸入與輸出傳感器的輸入與輸出傳感器的輸入端作用

11、是傳感器的輸入端作用是力、位移或者速度，輸出則為電壓力、位移或者速度，輸出則為電壓?？梢哉J為力、?？梢哉J為力、位移或者速度轉化為電壓的整個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。位移或者速度轉化為電壓的整個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。在分析線性系統(tǒng)時，并不關心系統(tǒng)內部的各種不在分析線性系統(tǒng)時，并不關心系統(tǒng)內部的各種不同的結構情況，而是要研究激勵和響應同系統(tǒng)本同的結構情況，而是要研究激勵和響應同系統(tǒng)本身特性之間的聯(lián)系。身特性之間的聯(lián)系。d(t) 系統(tǒng)系統(tǒng) T(t) u(t) n傳感器輸出傳感器輸出u(t)是電學量的電壓標量，輸入是電學量的電壓標量，輸入d(t)可以是表面可以是表面原子的位移、力學量的力矢量原子的位移、力學量的力矢量

12、F(x,t)、速度矢量、速度矢量V(x,t)等，等，簡化處理假定只有垂直分量作用在傳感器上。由此建立輸簡化處理假定只有垂直分量作用在傳感器上。由此建立輸入與輸出兩組標量之間的轉換關系。入與輸出兩組標量之間的轉換關系。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 傳感器靈敏度T為靈敏度可用對數表示，為頻率，U為傳感器的輸出電壓、D為表面原子的垂直位移分量或表面壓力垂直分量。 假定傳感器所在區(qū)域的輸入參量是均勻的，就可排除與位置的相關性。（傳感器有一定的大小，作用在每點上的力學量不同，而實際測出的是對作用在作用面上的平均值。傳感器的輸入和它所在的位置有關）假定傳感器的輸入就是無傳感器時的輸入。（傳感器的存在會改變

13、所在部位的輸入的大?。┩ǔＢ暟l(fā)射傳感器采用鋼材進行標定。（傳感器與標定試塊的機械阻抗匹配影響傳感器的標定結果） )()()(DUT第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 傳感器靈敏度曲線傳感器靈敏度曲線 即頻率靈敏度曲線。傳感器可以根據特定的校準方法，給出頻率靈敏度曲線，據此可根據檢測目的和環(huán)境選擇不同類型、不同頻率和靈敏度的傳感器。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 聲發(fā)射傳感器靈敏度要求聲發(fā)射傳感器靈敏度要求在一般情況下，傳在一般情況下，傳感器的靈敏度要求不低于感器的靈敏度要求不低于0.5千伏千伏/米米.秒秒-1。 前置放大器要求前置放大器要求由傳感器接收到的信號轉換由傳感器接收到的信號轉換為電信號后，由同

14、軸屏蔽電纜饋送給前置放大器。為電信號后，由同軸屏蔽電纜饋送給前置放大器。在前置放大器中信號得到放大，提高信噪比。一在前置放大器中信號得到放大，提高信噪比。一般要求前置放大器具有般要求前置放大器具有4060分貝的增益，噪聲電分貝的增益，噪聲電平不超過平不超過5微伏，并有比較大的輸出動態(tài)范圍和頻微伏，并有比較大的輸出動態(tài)范圍和頻率寬度。率寬度。 聲發(fā)射傳感器應真實反映聲源信息，即傳感器將聲發(fā)射傳感器應真實反映聲源信息，即傳感器將檢測到的信號轉換為電信號時，應盡量減少畸變檢測到的信號轉換為電信號時，應盡量減少畸變 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 傳感器的標定傳感器的標定 用激勵源對傳感器的技術參數進行核

15、準。 傳感器的標定方法 因激勵源和傳播介質不同，可以組成多種多樣的方法，但是不管哪一種方法，目前都沒有被普遍承認。 激勵源 用于激發(fā)聲發(fā)射信號的裝置。 激勵源的種類噪聲源、連續(xù)波源和脈沖波源三種類型。屬于噪聲源的有氦氣噴射、應力腐蝕和金鎘合金相變等；連續(xù)波源可以由壓電傳感器、電磁超聲傳感器和磁致伸縮傳感器等產生；脈沖波源可以由電火花、玻璃毛細管破裂、鉛筆芯斷裂、落球和激光脈沖等產生。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 作為標定傳感器用的激勵源要求 在測量的頻率范圍內，希望具有恒定的振幅。 實際標定傳感器用的聲發(fā)射激勵源脈沖源。 脈沖源種類及性質在脈沖源中，激光脈沖設備昂貴，限制了它的應用；玻璃毛細管

16、很難做到壁厚均勻，在使用中難以獲得良好的重復性；落球法獲得的信號頻率低；電火花法受氣候、濕度和其它因素影響；鉛筆芯斷裂法受操作人和材料表面條件影響。第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器激光脈沖法的標定 原理如下：在一個大的鋁塊上置一水箱，利用二氧化碳脈沖激光器發(fā)出的激光光束與水的表面作用，在水中產生沖擊波，用非接觸的光學方法測量沖擊波的壓力，控制沖擊波的強度。置于鋁塊下表面的待定傳感器接收沖擊波。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器玻璃毛細管破裂裝置 工作原理：標定塊為762762381毫米，重量為兩噸的軟鋼塊，內部無缺陷（經無損檢測），第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 玻璃毛細管和待定傳感器置于中心位置附近。傳感器

17、接收到信號的記錄時間是130微秒，在記錄時間內，應不受邊界反射波的影響。傳感器接收的信號經放大和濾波后，由瞬態(tài)記錄儀存儲記錄，經計算機進行頻譜分析。玻璃毛細管的直徑為 0.30.25毫米，用一個石英力規(guī)測量壓破玻璃管的力。用電容傳感器作為標準傳感器測量由于玻璃毛細管破裂產生脈沖波的垂直位移，實際測得的結果與根據理論計算公式進行比較。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 電火花法原理：是在兩個電極上加高壓電源，使極間的空氣擊穿，空氣擊穿產生的聲波入射到固體介質表面轉換為表面波。也可將標定塊（金屬介質）作為一個電極，另一個電極和它之間直接產生火花。當入射角滿足時(C空氣與C表面分別為空氣與標定塊表面的聲速

18、)，將在固體表面激勵出頻率豐富的表面波。對鋼或鋁一類的標定塊來說，a大約在7度左右。這種方法容易使標定塊表面受蝕。電火花法 表面空氣CCsin第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器電火花裝置第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器斷裂鉛筆芯 斷裂鉛筆芯原理：可以產生一個階躍函數形式的點源力。采用直徑為0.3毫米的、2H石墨鉛筆芯。這種方法簡單、經濟、重復性好，而且調節(jié)鉛筆芯直徑、長度和傾角就可以改變力的大小和方向。載荷突然釋放的時間與玻璃毛細管相近（0.1微秒），適當地配用力規(guī)也可以測出力的大小。采用階躍點力產生彈性波的格林函數數值計算方法，計算40微秒接收波形結果與實驗相一致。鉛筆芯斷裂源設備簡單容易攜帶常應用于工程

19、應用現場的傳感器標定。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器斷裂鉛筆芯裝置第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 標定塊要求在實際標定傳感器的工作中，標定塊尺寸總是有限的，但是只要標定塊的厚度大于三倍瑞利波波長，在標定塊表面?zhèn)鞑サ牟ㄐ沃饕褪侨鹄?。對于每一個脈沖源的作用，傳感器響應的振鈴持續(xù)時間約為100微秒，在這段時間內，需要避免邊界反射波的干擾，就是說標定塊尺寸應足夠大。其表面具有足夠的光潔度，以避免表面對波的衰減作用。 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 實際現場聲發(fā)射檢測中的傳感器標定多通道聲發(fā)射系統(tǒng)工程應用中還常用聲發(fā)射傳感器自身產生聲發(fā)射信號來進行傳感器性能簡易標定（具體方法是輸入給系統(tǒng)中某聲發(fā)射傳感器電脈沖

20、使其產生聲信號并在應用對象中傳播，其它傳感器接收這個信號，根據接收信號的有無、幅度大小、波形頻率特征等情況判斷傳感器的工作情況。）或用鉛筆芯折斷標定。第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝 聲發(fā)射信號經傳輸介質、耦合介質、換能器、測量電路而獲取，接受到的信號影響因素很多。因此，在傳感器表面和檢測面的耦合以及傳感器的安裝等細節(jié)方面都要嚴格要求。 傳輸介質m(t),M()耦合介質c(t),C()傳感器 x(t),X()聲發(fā)射源s(t),S() 輸出信號f(t),F() 耦合劑的作用耦合劑的作用充填接觸面之間的微小空隙，不使這些空隙間的微量空氣影響聲波的穿透；其

21、次是通過耦合劑的“過渡”作用，使傳感器與檢測面之間的聲阻抗差減小，從而減小能量在此界面的反射損失。另外，還起到“潤滑”作用，減小傳感器面與檢測面之間的摩擦。 第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝 耦合劑的性能要求如下：(1) 聲衰減系數小，透聲良好；(2) 聲阻抗介于傳感器的材料與檢測材料之間，匹配良好；(3) 粘附力低，容易擦掉；(4) 粘滯性適中，使用時不會流淌，又容易擠出；(5) 保濕性適中，不容易干燥；(6) 外觀上色澤鮮明，透明度高，不含氣泡；(7) 均勻性好，不含顆?；螂s質，使用時不堵塞管口；(8) 穩(wěn)定性好，不變色、不改變稠度、不分層、不析出、不變質、不腐?。?9)

22、 不腐蝕或損壞傳感器。第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝 傳感器的固定方法傳感器的固定方法傳感器的固定方法主要包括機械固定、粘接固定和磁吸附固定方式。選擇何種固定方式主要根據傳感器的類型和待測面表面情況和對聲發(fā)射信號的影響情況所決定。 第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝 波導波導有些情況不能將聲發(fā)射傳感器直接放在被測試對象的表面例如高溫、低溫、表面疏松等，而需要通過波導實現聲聯(lián)接即通過波導接收聲發(fā)射信號。常見的波導有金屬棒或金屬管組成的波導，一端固定（焊接或機械連接）在檢測對象表面，另一端面上放置聲發(fā)射傳感器。 第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝

23、第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類及選擇傳感器的分類及選擇 傳感器的主要類型高靈敏度傳感器，是應用最多的一種諧振式傳感器；寬頻帶傳感器，通常由多個不同厚度的壓電元件組成，或采用凹球面形與楔形壓電元件達到展寬頻帶的目的；高溫傳感器，通常由鈮酸鋰或鈦酸鉛陶瓷制成；差動傳感器，是由兩只正負極差接的壓電元件組成的，輸出相應的差動信號，對共模噪聲有好的抑制能力；此外，還有微型傳感器、磁吸附傳感器、低頻抑制傳感器和電容式傳感器等。第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類及選擇傳感器的分類及選擇 就聲發(fā)射源定位而言，實際運用中大量遇到的是結構穩(wěn)定的金屬材料（如壓力容器等），這類材料的聲學各向異性較小，聲波衰減系數也很小，頻帶范圍

24、大多是25KHz750KHz，因此選用諧振式傳感器比較適合。 諧振式傳感器參數技術的基礎歸結于兩個基本假設： (1) 聲發(fā)射是阻尼正弦波； (2) 聲波是以某一固定的速度傳播的。第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類及選擇傳感器的分類及選擇 根據上述假設，對聲發(fā)射信號參數，如上升時間、峰值幅度、持續(xù)時間等測量、記錄所得到的聲發(fā)射特征是合理的。傳播特性上，諧振傳感器參數技術的假設意味著傳播信號除了單純衰減以外，它的聲波形狀是不變的。它是以不變的波形和不變的聲速獲取聲發(fā)射信號的參數。 事實上，大部分在工程應用的構件是板材、鍛件、管材，在這些工件中，包括使用廣泛的實驗室試件，傳輸的聲波都不是一個單一的傳播模式，

25、而是在每一種模式中包括以不同波速傳播的多種頻率在內的多種波形模式，在某一特定情況下，某種傳播模式占優(yōu)。 第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類及選擇傳感器的分類及選擇 寬帶響應的傳感器寬帶響應的傳感器在不清楚與源有關的力學機理的情況下，用諧振式傳感器來測量聲發(fā)射信號有其局限性。為了測量到更加接近真實聲發(fā)射信號來研究聲源特性，就需要使用寬帶傳感器來獲取更廣頻率范圍的信號。寬帶響應的傳感器的主要優(yōu)點是采集到的聲發(fā)射信號豐富，全面，當然其中也包含著噪聲信號。傳感器是寬帶、高保真位移或速度傳感器以便捕捉到真實的波形。 第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類及選擇傳感器的分類及選擇 寬帶傳感器的幅頻特性曲線寬帶傳感器的幅頻特性曲線 差動式傳感器由兩個壓