聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射檢測原理第一頁，共46頁。一、聲發(fā)射技術(shù)

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)，聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。第二頁，共46頁。聲發(fā)射檢測原理如以下圖所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的外表，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的外表位移，這些探測器將材料的機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，然后在被放大、處理和記錄，人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進展分析與推斷，以理解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制。

StressAESystem第三頁，共46頁。聲發(fā)射源〔1〕晶體材料包括金屬的塑性變形、斷裂、相變、磁效應(yīng)；巖石、陶瓷等非金屬主要為微裂紋開裂和宏觀開裂?！?〕復(fù)合材料的聲發(fā)射源包括基體開裂、纖維和基體脫開、纖維拔出、纖維斷裂和纖維松弛等?！?〕在聲發(fā)射檢測過程還可能遇到其他聲源如流體介質(zhì)的泄露、氧化物和氧化層的開裂、摩擦源、液化和固化、原件松動和間歇接觸等。第四頁，共46頁。聲發(fā)射檢測的主要目的是：〔1〕確定聲發(fā)射源的部位；〔2〕分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；〔3〕確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷；〔4〕評定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。第五頁，共46頁。二、聲發(fā)射的應(yīng)用

目前聲發(fā)射技術(shù)作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要包括以下方面：第六頁，共46頁。第七頁，共46頁?！?〕石油化工工業(yè)：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺的檢測和構(gòu)造完好性評價，常壓貯罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測等?！?〕電力工業(yè)：高壓蒸汽汽包、管道和閥門的檢測和泄漏監(jiān)測，汽輪機葉片的檢測，汽輪機軸承運行狀況的監(jiān)測，變壓器部分放電的檢測?！?〕材料試驗：材料的性能測試、斷裂試驗、疲勞試驗、腐蝕監(jiān)測和摩擦測試,鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測試等?！?〕民用工程：樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥構(gòu)造裂紋開裂和擴展的連續(xù)監(jiān)視等。第八頁，共46頁?！?〕航天和航空工業(yè)：航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測和構(gòu)造完好性評價，航空器的時效試驗、疲勞試驗檢測和運行過程中的在線連續(xù)監(jiān)測等?！?〕金屬加工：工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗證，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預(yù)防?！?〕交通運輸業(yè)：長管拖車、公路和鐵路槽車及船舶的檢測和缺陷定位，鐵路材料和構(gòu)造的裂紋探測，橋梁和隧道的構(gòu)造完好性檢測第九頁，共46頁。三、聲發(fā)射檢測的優(yōu)點聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其它常規(guī)無損檢測方法，其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：〔1〕聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；

〔2〕聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加構(gòu)造應(yīng)力下這些缺陷的活動情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；

第十頁，共46頁。〔3〕在一次試驗過程中，聲發(fā)射檢驗可以整體探測和評價整個構(gòu)造中活性缺陷的狀態(tài)；

〔4〕可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因此適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報；第十一頁，共46頁。〔5〕由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如上下溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；

〔6〕對于在用設(shè)備的定期檢驗，聲發(fā)射檢驗方法可以縮短檢驗的停產(chǎn)時間或者不需要停產(chǎn)；第十二頁，共46頁?！?〕對于設(shè)備的加載試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作載荷；

〔8〕由于對構(gòu)件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。第十三頁，共46頁。四、聲發(fā)射檢測的物理根底1、凱賽爾效應(yīng)凱賽爾效應(yīng)是德國學(xué)者凱賽爾在1963年研究金屬聲發(fā)射特性時發(fā)現(xiàn)的。材料被重新加載期間，在應(yīng)力值到達上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的凱賽爾效應(yīng)。第十四頁，共46頁。凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射技術(shù)中有著重要用處：〔1〕在役構(gòu)建新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測；〔2〕巖體等原先所受最大應(yīng)力的推測；〔3〕疲勞裂紋起始與擴展的聲發(fā)射檢測；第十五頁，共46頁。2、費利西蒂效應(yīng)在重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其它可逆聲發(fā)射機制，凱賽爾效應(yīng)那么會消失。材料重復(fù)加載時，重復(fù)載荷到達原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費利西蒂效應(yīng)，也可以認(rèn)為是反凱賽爾效應(yīng)。重復(fù)加載時的聲發(fā)射起始載荷P1對原先最大載荷P2之比P1/P2,稱為費利西蒂比。費利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地反映材料中原先所受損傷或構(gòu)造缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評定判據(jù)。第十六頁，共46頁。3、衰減衰減就是信號的幅值隨著分開聲源間隔的增加而減小。衰減控制了聲源間隔的可檢測性。因此，對于聲發(fā)射檢驗來說它是確定傳感器間距的關(guān)鍵因素。傳播衰減的大小，關(guān)系到每個傳感器可檢測的間隔范圍，在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關(guān)鍵因素。為了減少衰減的影響而常采取的措施包括降低傳感器的頻率或減小傳感器間距。第十七頁，共46頁。五、聲發(fā)射信號的種類和參數(shù)目前人為的將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型。假如聲發(fā)射事件信號是斷續(xù)的，且在時間上可以分開，那么這種信號就稱為突發(fā)型聲發(fā)射信號，如以下圖所示。裂紋擴展、斷鉛信號等都是突發(fā)型聲發(fā)射信號。第十八頁，共46頁。假如大量的聲發(fā)射事件同時發(fā)生，且在時間上不可分辨，這些信號就叫做連續(xù)型聲發(fā)射信號。如以下圖所示。一般流體泄露，金屬塑性變形等都是連續(xù)型信號。第十九頁，共46頁。突發(fā)型聲發(fā)射信號的各個參數(shù)Db=20lg(v/1uv)-pre第二十頁，共46頁。撞擊：超過門檻并使某一個通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號稱之為一個撞擊。它反映了聲發(fā)射活動的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動性評價。事件：同一個撞擊被多個通道同時檢測到并能進展定位.計數(shù)：超過門檻信號的振蕩次數(shù)，用于聲發(fā)射活動性評價。能量：信號檢波包絡(luò)線下的面積，反映信號的強度持續(xù)時間：信號第一次越過門檻至最終降至門檻所經(jīng)歷的時間間隔。上升時間：信號第一次越過門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時間第二十一頁，共46頁。連續(xù)型聲發(fā)射信號的參數(shù)RMS:有效值電壓，指采樣時間內(nèi)信號的均方根值。ASL:平均信號電平，指采樣時間內(nèi)信號電平的均值。第二十二頁，共46頁。六、聲發(fā)射檢測系統(tǒng)第二十三頁，共46頁。1、傳感器傳感器是聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的重要部分是影響系統(tǒng)整體性能的重要因素。傳感器選擇不合理，會使接收到的信號和實際的聲發(fā)射信號有較大差異，直接影響采集到的數(shù)據(jù)真實度和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。第二十四頁，共46頁。M44第二十五頁，共46頁。傳感器的種類：諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射系統(tǒng)中使用最多的，其參數(shù)技術(shù)的根底歸結(jié)于兩個基本假設(shè)，即聲波在材料中傳播時波形和波速都是不變的傳感器的選擇：傳感器的原那么應(yīng)根據(jù)被檢測聲發(fā)射信號來確定。首先是理解別檢測聲發(fā)射的頻率范圍和幅度范圍，然后選擇對有效聲發(fā)射信號靈敏的傳感器。第二十六頁，共46頁。傳感器的耦合和安裝使用耦合劑的目的：首先是填充接觸面之間的微小空隙；其次時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，從而減少能量在此界面的反射損失。另外，還起到光滑的作用，減少接觸面間的摩擦。第二十七頁，共46頁。傳感器的固定方法傳感器的固定方法主要包括機械固定、粘結(jié)固定和磁吸附固定方式。有些情況下不能將傳感器直接放置在被檢測對象的外表，例如高溫、高壓等，需要通過波導(dǎo)實現(xiàn)聲連接即通過波導(dǎo)桿承受聲發(fā)射信號。波導(dǎo)有些情況下傳感器不能直接放在被測試對象的外表如高溫、高壓、低溫外表疏松等，而需要通過波導(dǎo)來實現(xiàn)聲連接。波導(dǎo)桿一端固定在被檢測對象外表，另一端面上放置聲發(fā)射傳感器。第二十八頁，共46頁。2、前置放大器傳感器輸出的電壓信號有時低至微伏數(shù)量級，這樣微弱的信號，假設(shè)進過長間隔的傳輸，信噪比必然要降低?？拷鼈鞲衅髟O(shè)置前置放大器，將信號進步到一定程度，再經(jīng)過電纜傳輸給信號的處理單元。前置放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是放大倍數(shù)、通頻帶和輸入噪聲電壓。前置放大器也可與傳感器組成一體，即將前置放大器置于傳感器外殼內(nèi)，通常需要設(shè)計體積小的前置放大器電路第二十九頁，共46頁。3、信號電纜從前置放大器到聲發(fā)射檢測儀主體，往往需要很長的信號傳輸線，通常采用信號電纜實現(xiàn)信號傳輸。信號電纜包括同軸電纜、雙絞電纜和光導(dǎo)纖維電纜。同軸電纜一般應(yīng)用不超過100米；光導(dǎo)纖維電纜一般用于傳輸間隔大于100米的聲發(fā)射應(yīng)用；雙絞電纜用于前端數(shù)字化的聲發(fā)射系統(tǒng)。第三十頁，共46頁。4、多通道聲發(fā)射系統(tǒng)PAC公司消費的多通道聲發(fā)射系統(tǒng)一般是由PCI-8卡或PCI-2卡組成的。這兩種卡均采用PCI總線技術(shù)，由先進的外表封裝設(shè)備制造的多層、高密度PC卡。PCI-8卡是PAC公司第三代全數(shù)字化系統(tǒng)的核心，在一塊板卡上具有8個通道的實時聲發(fā)射特征參數(shù)提取和波形采集和處理的才能。是PAC公司目前集成化更高、價格更低的系統(tǒng)，非常合適與壓力容器檢測、橋梁監(jiān)測等工程應(yīng)用。第三十一頁，共46頁。PCI-8卡的主要特性〔1〕每塊板卡上有8個通道，具有同時進展特征參數(shù)的提取和波形處理的才能；〔2〕PCI總線提供聲發(fā)射數(shù)據(jù)與PC機的傳輸速度可達132MB/S；〔3〕4個高通、4個低通濾波器可供選擇，可組成13個濾波段；〔4〕8個16位的A/D轉(zhuǎn)換器；〔5〕每塊板卡上有兩個外參數(shù)輸入通道，更新速度可到達10K/S〔6〕1-400LKHZ的帶寬第三十二頁，共46頁。

PCI-2卡是PAC公司最新研制適用于大學(xué)、研究所等高端聲發(fā)射研究用的高性能、低價位聲發(fā)射卡，它就有兩個通道，能同時實現(xiàn)特征參數(shù)提取和波形處理。該系統(tǒng)具有18位的A/D轉(zhuǎn)換速率、1KHZ-3MHZ的頻率范圍。是最新型的聲發(fā)射研究工具。第三十三頁，共46頁。PCI-2卡的主要特性〔1〕低噪音、低功耗，非常適用于實驗室研究?！?〕內(nèi)置18位的A/D轉(zhuǎn)換器，更適用于低門檻設(shè)置〔3〕4個高通，6個低通濾波器?！?〕采樣率最高可達40MHZ〔5〕PCI-2上裝有數(shù)據(jù)流量器，可將聲發(fā)射波形連續(xù)存入硬盤，速度可達10M/S?！?〕每塊板卡上有兩個外參數(shù)輸入通道，更新速度可到達10K/S第三十四頁，共46頁。5、檢測儀器的選擇與校準(zhǔn)〔1〕檢測儀器的選擇在進展聲發(fā)射試驗或檢測前，需要被檢測對象和檢測目的來選擇檢測儀器，主要考慮因素如下：被檢測的材料：聲發(fā)射信號的頻域、幅度等特性隨材料類型有很大不同，對不同材料需考慮不同的工作頻率。被檢測的對象：被檢測對象的大小和形狀、聲發(fā)射源出現(xiàn)的部位和特征的不同，決定選用檢測儀器的通道數(shù)量。第三十五頁，共46頁?！?〕現(xiàn)場聲發(fā)射檢測儀器的校準(zhǔn)通過直接在被檢測構(gòu)建上發(fā)射聲發(fā)射模擬信號來進展校準(zhǔn)。靈敏度校準(zhǔn)的目的是確認(rèn)傳感器的耦合質(zhì)量和檢測電路的連續(xù)性。源定位校準(zhǔn)的目的是確定定位源的唯一性和實際模擬聲反射源發(fā)射部位的對應(yīng)性。第三十六頁，共46頁。七、聲發(fā)射源的定位技術(shù)當(dāng)用兩個或多個傳感器進展聲發(fā)射檢測時,可以時差定位的方法定出聲發(fā)射源的位置，這是聲發(fā)射技術(shù)的根本功能之一。線性定位用于長的高壓氣瓶及管線；平面定位用于各種立式/臥式容器；球面定位用于球形壓力容器；三維定位用于混凝土構(gòu)造、巖石、大型變壓器部分放電檢測。罐底定位用于儲罐底部缺陷定位。第三十七頁，共46頁。1、線性定位原理當(dāng)被檢測物體的長度與半徑之比非常大時，宜采用線性定位進展聲發(fā)射檢測，如管道、棒材、鋼梁等。時差線性定位至少需要兩個聲發(fā)射探頭，其定位原理如以下圖所示。到達傳感器1的時間T1=X/V到達傳感器2的時間T2=(L-X)/V到大量傳感器的時差T1-T2=(L-2X)/V第三十八頁，共46頁。2、平面定位原理利用非線性回歸算法，用3-8各撞擊進展定位計算。傳感器可任意布置，方便現(xiàn)場應(yīng)用。2個傳感器可確定一條雙曲線，一般現(xiàn)場用3-8個傳感器進展平面定位。第三十九頁，共46頁。3、三位定位第四十頁，共46頁。4、柱面定位它跟2D平面定位類似，在展開圖中有X,Y坐標(biāo)。當(dāng)在圓柱上設(shè)置傳感器時，有一些要點請記住。對于2D平面，當(dāng)所有的撞擊被在同一條直線的傳感器接受時，軟件不能進展正確的定位。總的來說，推薦您在圓柱的每一圈裝3個傳感器。以下圖是傳感器布置對話框，圓柱定位只適用程度或垂直的構(gòu)造類型。你需要在Structure下來菜單中選擇一項構(gòu)造類型。第四十一頁，共46頁。第四十二頁