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1、精选优质文档-倾情为你奉上第6章 声发射检测技术6.1检测仪器选择的影响因素在进行声发射试验或检测前，需首先根据被检测对象和检测目的来选择检测仪器，主要应考虑的因素如下： (1) 被监测的材料：声发射信号的频域、幅度、频度特性随材料类型有很大不同，例如，金属材料的频域约为数kHz数MHz，复合材料约为数kHz数百kHz，岩石与混凝土约为数Hz数百kHz。对不同材料需考虑不同的工作频率。 (2) 被监测的对象：被检对象的大小和形状、发射源可能出现的部位和特征的不同，决定选用检测仪器的通道数量。对试验室材料试验、现场构件检测、各类工业过程监视等不同的检测，需选择不同类型的系统，例如，对实验室研究，
2、多选用通用型，对大型构件，采用多通道型，对过程监视，选用专用型。 (3) 需要得到的信息类型：根据所需信息类型和分析方法，需要考虑检测系统的性能与功能，如信号参数、波形记录、源定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。表6.1列出了选择检测系统时需要考虑的主要因素。表6.1 影响检测仪器选择的因素性能及功能影响因素工作频率传感器类型通道数源定位信号参数显示噪声鉴别存储量数据率材料频域、传播衰减、机械噪声频响、灵敏度、使用温度、环境、尺寸被检对象几何尺寸、波的传播衰减特性、整体或局部监测不定位，区域定位、时差定位连续信号与突发信号参数、波形记录与谱分析定位、经历、关系、分布等图表的实时或事后显示
3、空间滤波、特性参数滤波、外变量滤波及其前端与事后滤波数据量，包括波形记录高频度声发射、强噪声、多通道多参数、实时分析6.2 检测仪器的设置和校准6.2.1 校准信号的产生技术声发射检测系统的校准包括在试验室内对仪器硬件系统灵敏度和一致性的校准与在现场对已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准。对仪器硬件系统的校准需采用专用的电子信号发生器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置放大器或仪器的主放大器。对现场已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准采用在被检构件上可发射机械波的模拟声发射信号，模拟声发射信号的产生装置一般包括两种，一种是采用电子信号发生器驱动声发射压电陶瓷
4、传感器发射机械波，另一种是直接采用铅笔芯折断信号来产生机械波，铅笔芯模拟源如图6.1所示。图6.1 铅笔芯模拟声发射信号装置6.2.2 校准的步骤 (1) 仪器硬件灵敏度和一致性的校准：对仪器硬件系统的校准直接采用专用的电子信号发生器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置放大器或仪器的主放大器，来直接测量仪器采集这些信号的输出。比如，GB/T18182-2000标准规定：仪器的门槛精度应控制在2dB范围内；处理器内的幅度测量电路测量峰值幅度值的精度为2dB；处理器内的能量测量电路测量信号能量值的精度为5%，同时要满足信号能量的动态范围不低于40dB；系统测量外接参数电压值的精度为满量程的2%
5、。(2) 现场声发射检测系统灵敏度的校准：通过直接在被检构件上发射声发射模拟源信号来进行校准。灵敏度校准的目的是确认传感器的耦合质量和检测电路的连续性，各通道灵敏度的校准为在距传感器一定距离（压力容器规定为100mm）发射三次声发射模拟源信号，分别测量其响应幅度，三个信号幅度的平均值即为该通道的灵敏度，多数金属压力容器的检测规程规定，每通道对铅笔芯模拟信号源的响应幅度与所有传感器通道的平均值偏差为土3dB或4dB，而玻璃钢构件为土6dB。(3) 现场声发射检测系统源定位的校准：通过直接在被检构件上发射声发射模拟源信号来进行校准。源定位校准的目的是确定定位源的唯一性和与实际模拟声发射源发射部位的
6、对应性，一般通过实测时差和声速以及设置仪器内的定位闭锁时间来进行仪器定位精度的校准。定位校准的最终结果为，所加模拟信号应被个定位阵列所接收，并提供唯一的定位显示，区域定位时，应至少被一个传感器接收到。多数金属容器检测方法中规定，源定位精度应在两倍壁厚或最大传感器间距的5%以内。6.2.3 传感器的选择和安装 (1) 传感器响应频率的选择：应根据被检测对象的特征和检测目的选择传感器的响应频率，比如金属压力容器检测用传感器的响应频率为100400KHz，压力管道和油罐底泄漏检测传感器的响应频率为3060KHz等。(2) 传感器间距和阵列的确定：构件声发射检测所需传感数量，取决于试件大小和所选传感器
7、间距。传感器间距又取决于波的传播衰减，而传播衰减值又来自用铅笔芯模拟源实际测得的距离一衰减曲线。时差定位中，最大传感器间距所对应的传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，例如，门榄值为40dB，预定最小检测信号幅度为70dB，则其衰减不宜大于30dB。区域定位比时差定位可允许更大的传感器间距。在金属容器中，常用的传感器间距约为16m，传感器阵列采用三角平面或曲面定位，多数容器的检测需布置约840多个传感器。(3) 传感器的安装：传感器表面与试件表面之间良好的声耦合为传感器安装的基本要求。试件的表面须平整和清洁，松散的涂层和氧化皮应清除，粗糙表面应打磨，表面油污或多余物要清洗。对
8、半径大于150mm的曲面可看成平面，而对小半径曲面应采取适当措施，例如，可采用转接耦合块或小直径传感器。对于接触界面，应填充声耦合剂，以保证良好的声传输。耦合剂不宜涂得过多或过少，耦合层应尽可能薄，表面要充分浸湿。耦合剂的类型，对声耦合效果影响甚少，多采用真空脂、凡士林、黄油、快干胶及其它超声耦合剂。对高温检测，也可采用高真空脂、液态玻璃及陶瓷等。但是，须考虑耦合剂与试件材料的相容性，即不得腐蚀或损伤试件材料表面。多用机械压缩来固定传感器。常用固定夹具包括：松紧带、胶带、弹簧夹、磁性固定器、紧固螺丝等。所加之力，应尽可能大一些，约为0.7MPa。6.2.4 仪器调试和参数设置(1) 检测门槛设
9、置：检测系统的灵敏度，即对小信号的检测能力，决定于传感器的灵敏度、传感器间距和检测门槛设置。其中，门槛设置为其主要的可控制因素。检测门槛，多用dBae来表示。检测门槛越低，测得信息越多，但易受噪声的干扰，因此，在灵敏度和噪声干扰之间应作折衷选择。多数检测是在门槛为3555dB的中灵敏度下进行，最为常用门槛值为40dB。不同的门槛设置与适用范围见表6.2。常用金属压力容器检测的门槛一般为40 dB，但长管拖车的检测门槛为32 dB，纤维增强复合材料压力容器的检测门槛一般为48 dB。表6.2 门榄设置与适用范围门槛（dBae）适 用 范 围2535高灵敏度检测，多用于低幅度信号或高衰减材料或基础
10、研究3555中灵敏度检测，广泛用于材料研究和构件无损检测5565低灵敏度检测，多用于高幅度信号或强噪声环境下的检测 (2) 系统增益设置：增益是仪器主放大器对声发射波形信号放大倍数的设置，一些20世纪70年代生产的老的声发射系统通常有分开的可变增益（dB）和门槛电压（伏特），在某些系统中，增益或门槛中的一个可能被固定，通过提高增益dB或降低门槛电压能获得较高的灵敏度。20世纪80年代以后生产的仪器，均采用集成电路系统，对于操作者设定的增益（dB）和门槛（dBae），系统就能计算出合适的电压，把它放在门槛比较器上。因此，门槛的功能为主要控制灵敏度，改变增益设置将不改变灵敏度。增益的设置并不影响所
11、测量的计数，持续时间，上升时间或幅度。但增益设置也是十分是重要的，它直接影响能量的测量和声发射信号的能量计数。对于目前常用声发射仪器，为了保持系统在一合适的操作范围内，应根据检测灵敏度的要求来选定门槛，而增益十门槛应处于一定的范围，比如有些设备在55和88dB之间。 (3) 系统定时参数设置：定时参数，是指撞击信号测量过程的控制参数，包括：峰值定义时间（PDT）、撞击定义时间（HDT）和撞击闭锁时间（HLT）。峰值定义时间，是指为正确确定撞击信号的上升时间而设置的新最大峰值等待时间间隔。如将其选得过短，会把高速、低幅度前驱波误作为主波处理，但应尽可能选得短为宜。撞击定义时间，是指为正确确定一撞
12、击信号的终点而设置的撞击信号等待时间间隔。如将其选得过短，会把一个撞击测量为几个撞击，而如选得过长，又会把几个撞击测量为一个撞击。撞击闭锁时间，是指在撞击信号中为避免测量反射波或迟到波而设置的关闭测量电路的时向间隔。声发射波形随试件的材料、形状、尺寸等因素而变，因而，定时参数应根据试件中所观察到的实际波形进行合理选择，其推荐范围如表6.3所示。表6.3 定时参数选择材料与试件PDT（ms）HDT（ms）HLT（s）复合材料2050100200300金属小试件3006001000高衰减金属构件3006001000低衰减金属构件10002000200006.3 加载程序6.3.1 加载准备多数情况
13、下，加载操作仅有一次机会，关系到声发射检测的成败，须作充分的准备。(1) 加载方式：应尽量模拟试件的实际受力状态，包括：内压、外压、热应力及拉、压、弯；(2) 加载设备：试压泵、材料试验机等，应尽量选择低噪声设备；(3) 加载程序：主要决定于产品的检测规范，但有时因声发射检测所需，要作些调整。常用的加载参数包括：升压速率、分级载荷和最高载荷及其恒载时间，有时需要增加重复加载程序；(4) 应确定声发射检测人员与加载人员之间的联络方法，以实时控制加载过程；(5) 应确定记录载荷的方法。多用声发射仪记录载荷传感器的电压输出。6.3.2 载荷控制(1) 升载速率：慢速加载会过分延长检测周期，而快速加载
14、也会带来不利的影响。首先，会使机械噪声变大，如低压下的流体噪声；其次，会引起高频度声发射活动，以致因超过检测仪的极限采集速率而会造成数据丢失；再则，由于应变对应力的不平衡而会带来试验安全问题。压力容器的加载，多采用较低的加载速率，且要保证均匀加载。(2) 恒载：多数工程材料，在恒载下显示出应变对应力的迟后现象。一些材料在恒载下可产生应力腐蚀或氢脆裂纹扩展。恒载周期又为避免加载噪声或鉴别外来噪声干扰提供了机会。近年来，恒载声发射时序特性已成为声发射源严重性评价和破坏预报的一主要依据，必要时，可忽略升载声发射，而只记录恒载声发射。对于压力容器，分级恒载时间约设定210min，而最高压力下约恒裁10
15、30min。(3) 重复加载：对一些新制容器，当首次加载时常常伴随大量无结构意义的声发射，包括局部应力释放和机械摩擦噪声，这给检测结果的正确解释带来很大困难，为此需进行二次加载检测。另外，在役容器的定期检测，原理上也属于重复加载检测，以发现新生裂纹。费利西蒂效应，为重复加载检测提供工基本依提因此，对首次加载声发射过于强烈的构件、复合材料及在役构件，宜采用重复加载检测方法。6.4 特殊检测的程序 声发射特殊的检测一般包括高温或低温下的检测、间歇性的检测（包括周期疲劳）、长期监测和高噪声环境的检测等。这些特殊的检测对传感器的安装和信号的采集有一些特殊的要求。 在高温或低温检测中，多采用由金属或陶瓷
16、制成的波导杆转接器。它是通过焊接或加压方式固定于试件表面，可使试件表面高温或低温端的声发射波传输到常温端的传感器。这一结构会引起一定的传输衰减和波形畸变，其接触面为主要的衰减因素。长期监测的传感器固定方式一般采用一些快干式粘接剂，包括快干胶、环氧树脂，既可固定传感器，而又起着声耦合作用。这种耦合方法在高应变、高温环境下可能发生脱粘问题。包括周期疲劳在内的周期性的检测对仪器采集数据的时间会有一些特殊的要求，比如疲劳实验，在拉申与压缩载荷转换时会有试样夹具松动产生的噪音信号，在这一段时间，会设置声发射仪器停止信号采集。对于高噪声环境的检测，可能会采用提高门槛，或者采用警卫传感器等排噪的方法。6.5
17、 数据显示 在进行声发射检测过程中，信号数据的实时显示方式包括声发射信号参数列表、参数相对于时间的经历图、参数的分布图、参数之间的关联图、声发射源定位图和直接显示声发射信号的波形。在实际的检测过程中，根据检测目的的不同可选用不同的显示模式。比如，进行压力容器检测时，一般同时选用参数列表、参数相对于时间的经历图、参数的分布图、参数之间的关联图和声发射源定位图来进行实时显示。不同种类显示的应用已在第5章进行了详细介绍。6.6 噪声源的识别噪声的类型包括：机械噪声和电磁噪声。机械噪声，是指由于物体间的撞击、摩擦、振动所引起的噪声；而电磁噪声，是指由于静电感应、电磁感应所引起的噪声。常见的噪声来源，如
18、表6.4所示。表6.4 噪声源类型来 源电磁噪声1前置放大器噪声，是不可避免的白色电子噪声2地回路噪声，因检测仪和试件的接地不当而引起3电台和雷达等无线电发射器、电源于扰、电开关、继电器，马达、焊接、电火 花、打雷等引起的电磁于扰机械噪声1 摩擦噪声，多因加载时的相对机械滑动而引起，包括：试样夹头滑动、施力点 摩擦、容器内外部构件的滑动、螺栓松动、裂纹面的闭合与摩擦2撞击噪声，包括：雨、雪、风沙、振动及人为敲打3流体噪声，包括：高速流动、泄漏、空化、沸腾、燃烧6.7 噪声的拟制和排除噪声的拟制和排除，是声发射技术的主要难题，现有许多可选择的软件和硬件排除方法。有些须在检测前采取措施，而有些则要
19、在实时或事后进行。噪声的排除方法、原理和适用范围见表6.5。表6.5 噪声的排除方法方 法原 理适 用 范 围频率鉴别滤波器 600Hz以下机械噪声幅度鉴别调整固定或浮动检测门槛值低幅度机电噪声前沿鉴别对信号波形设置上升时间滤波窗口来自远区的机械噪声或电脉冲干扰主副鉴别用波到达主副传感器的次序及其门电路，排除先到达副传感器的信号，而只采集来自主传感器附近的信号，属空间鉴别来自特定区域外的机械噪声符合鉴别用时差窗口门电路，只采集特定时差范围内的信号，属空间鉴别来自特定区域外的机械噪声载荷控制门用载荷门电路，只采集特定载荷范围内的信号疲劳试验时机械噪声时间门用时间门电路，只采集特定时间内的信号点焊
20、时电极或开关噪声数据滤波对撞击信号设置参数滤波窗口，滤除窗口外的波击数据，包括：前端实时滤波和事后滤波机械噪声或电磁噪声其它差动式传感器、前放一体式传感器、接地、屏蔽、加载销孔预载、隔声材料、示波器观察等机械噪声或电磁噪声6.8 数据解释 数据解释，是指所测得数据中分离出与检测目的有关的数据。除简单情况外，多采用事后分析方法。数据解释的步骤一般如下： (1) 在声发射数据采集和记录过程中，标识出检测过程中出现的噪声数据； (2) 采用软件数据滤波方法剔除噪声数据，常用的方法包括：时差滤波或空间滤波，撞击特性参数滤波，外参数滤波； (3) 识别出有意义和无意义的声发射信号和声发射源，识别方法包括
21、：分布图、关系图和定位图分析等。6.9 数据评价5.9.1 排序分级和接受/不接受的方法对数据解释识别出的有意义声发射信号及其声发射源，一般先按它们的平均撞击特征参数（幅度、能量或计数）进行强度排序和分级，然后按其不同阶段声发射源出现的次数对活性进行排序和分级，最后将声发射源的强度和活性进行综合考虑确定声发射源的级别。 目前评价声发射源接受或不接受的判据是声发射技术中尚不够成熟的部分。在现行的构件检测规程中，多采用简便的接受/不接受式判据。这种判据，主要指示结构缺陷的存在与否，而不指示缺陷的结构意义，但可为接受或后续复检及其处理提供依据。表6.6列出了一些美国和我国现行检测检测标准中选用的评价
22、判据。表6.6 声发射检测数据常用评价判据评价判据ASTM E1067增强塑料容器ASTM E118增强塑料管道ASME V11增强塑料容器ASMEV12金属容器GB/T181822000金属容器恒载声发射有有有有有费利西蒂比有有有有无振铃计数或计数率有无无有有高幅度事件计数有有有有有长持续时间或大能量事件计数无有有无有事件计数无无无有有能量或幅度随载荷变化无无有有有活动性无无有有有5.9.2 与校准信号的比较 对于有意义的声发射源还要通过在实际构件上发射模拟信号进行定位校准，最终找到声发射源在实际构件上对应的具体部位。5.9.3 其它无损检测方法对源的评价 声发射检测给出的声发射源的级别，只
23、是对源所产生的声发射信号的强度和活度进行评价，并不能识别产生声发射源的机制，对于绝大部分构件进行的声发射检测，其最终目的是为了发现活性缺陷，而诸如塑性变形和氧化皮剥落等产生的声发射源并无活性缺陷存在，因此，为了进一步评价声发射源部位是否存在活性缺陷，通常采用超声、射线、磁粉和渗透等常规无损探伤方法对有意义的声发射源进行复验。6.10 报告 声发射检测报告应具备下列内容： 构件名称、编号、制造单位、设计参数、材料牌号和几何尺寸； 加载史和缺陷情况； 执行、参考标准； 检测方式、仪器型号、耦合剂、传感器型号及固定方式； 检测日期； 各通道灵敏度校准结果； 门槛、增益的设置值； 背景噪声的测定值； 衰减特性； 传感器布置示意图及声发射源位置示意图； 源部位校准记录； 检测软件名及数据文件名； 加载程序图； 检测结果分析、源的综合等级划分结果及数据图； 结论； 检测日期、参加检测人员、报告人签字和资格证书编号。专心-专注-专业