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声发射检测 一 声发射检测原理二 声发射的特点三 声发射技术及其所涉及的仪器四 声发射技术的应用五 压力管道泄露的声发射检测实验研究 声发射检测AcousticEmissionTesting简称AE一 声发射检测的原理材料或结构受外力和内力作用产生变形或断裂 以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射 发射弹性波的位置 缺陷 称为声发射源 声发射是一种常见的物理现象 如果释放的应变能足够大 就可产生人耳听得见的声音 大多数金属材料塑性变形和断裂时有声发射发生 但许多金属材料的声及射信号强度很弱 人耳不能直接听见 需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来 用仪器检测 记录 分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术 所采用的仪器成为声发射仪 各种材料的声发射的频率很宽 从次声波 到超声波 声发射传感器检测的信号通常为中心频率为300KHz的超声波信号 人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器 如果裂纹等缺陷处于静止状态 没有变化和扩展 就没有声发射发生 也就不能实现声发射检测 声发射检测的这一特点使其区别于超声 X射线 涡流等其它常规无损检测方法 由于声发射检测是一种动态无损检测方法 而且 声发射信号来自缺陷本身 因此 用声发射法可以判断缺陷的严重性 一个同样大小 同样性质的缺陷 当它所处的位置和所受的应力状态不同时 对结构的损伤程度也不同 所以它的声发射特征也有差别 明确了来自缺陷的声发射信号 就可以长期连续地监视缺陷的安全性 这是其它无损检测方法难以实现的 除极少材料外 金属和非金属材料在一定条件下都有声发射发生 所以 声发射检测几乎不受材料的限制 利用多通道声发射装置 可以对缺陷进行准确的定位 声发射检测的这一特点对大型结构如球罐等检测特别方便 在利用声发射技术确定缺陷部位后 还可以利用其它无损检测方法加以验证 当然随着信号处理水平的提高 根据信号本身的特征 也可以对缺陷的性质和严重程度进行识别 由于声发射技术具有许多独特的优点 近年来有许多科学家和工程技术人员致力于发展和应用该项技术 二 声发射的特点 a能够检测出活动的缺陷 即材料的断裂和裂纹的扩展 从而为使用安全性评价提供依据 b可远距离操作 长期监控设备允许状态和缺陷扩展情况 c无法探测静态缺陷 d设备价格昂贵 f声发射检测完成后 一般需要常规无损检测方法 UT 复验 e检测过程中干扰因素较多 很多情况伴随有各种干扰噪声信号 如机械摩擦及异物撞击等 从噪声中提取或识别感兴趣的信号是声发射的核心 三 声发射检测技术与仪器 1 声发射技术声发射源定性问题涉及到AE源信号 包括AE特征量和AE波形的获取 AE波形含有大量的声发射信息 如利用当今先进的计算机 信号处理技术对AE波形进行分析处理 就给较准确的分析AE源性质提高了可能 传统的声发射技术对声源特征和识别没有采用合适的手段去充分研究 也就无法实现对缺陷的定性分析 定量的方法也只是对提取的少量参数进行统计分析 因此 为了更加准确的对检测对象进行定位 定量 定性分析 更加准确的对检测对象进行无损评价 具有大吞吐量获取AE波形数据 灵活布置传感器进行源位的多通道全波形声发射准实时检测系统应运而生 数字信号处理 DSP 和计算机技术的迅速发展导致全数字式声发射仪的问世 这给瞬态波形分析的研究创造了条件并使其实际应用成为可能 通过对声发射信号的全部采集 这样就不会丢失有用的信息 而且从整个波形信号的细节可以运用现代信号分析手段进行处理 达到对缺陷定量 定性 定位的目的 波形分析是指通过分析AE信号的时域波形或频谱特征来获取信息的一种信号处理方法 理论上讲 波形分析应当能给出任何所需的信息 因而也是最精确的方法 并可导致对AE的定量了解 从所记录的AE波形 人们可以很容易地获得信号的频谱和相关函数等特性 并可同时得到任何感兴趣的参数 可以肯定 对设备材料的检验 波形分析技术可能会对识别声发射源及提高源定位精度有较大作用 随着数字技术和计算机技术的迅速发展 研制高性能全波采集的声发射仪成为可能 其原理是 声发射信号经高灵敏度传感器接收后 经过全波列数字采集变为数字信号 再进行数字信号处理 最后把信号输入计算机通过软件设计 对检测缺陷进行定位和定量 2 声发射所涉及的设备1传感器 换能器 探头 传感器就是用来把声发射产生的弹性波信号接收下来并转换成电信号输出到前置放大器在输出到主放大器然后又采集卡采集后进入计算机 声发射检测中 要求传感器为宽频带的前置放大器内置式的共振型高灵敏传感器 主响应频率为150KHz 前置放大器增益为40dB 滤波器带通为100 300KHz 2前置放大器声发射信号经换能器转换成电信号后 其输出低至十几微伏 这样微弱的信号若经过长电缆输送 可能衰减到无法分辨出信号和噪声 设置前置放大器的目的是为了增大信噪比 增加微弱信号的抗干扰能力 2020 2 6 14 3主放大器电信号经前置放大器和电缆长途传播后进入主放大器进一步放大到适合PCI数据采集卡的幅值大小 4PCI数据采集卡电信号 模拟信号 经采集卡数字化后 通过采样进入计算机 供分析 计算 转换和存储 5软件系统对采集的数据进行分析 计算 波型重组 声发射源定位 缺陷识别等 四 声发射技术的应用现代声发射仪除了能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外 还可直接进行声发射波形的观察 显示 记录和频谱分析 目前人们已将声发射技术应用于许多领域 主要包括以下方面 1 金属结构 对压力容器 金属桥梁 起重机臂 铁轨和飞机骨架等金属结构进行无损检测和安全评定 2 岩石 研究岩石的受力和破坏特性 对岩石塌方进行预测预报 3 水泥混凝土 研究水泥及钢筋混凝土的受力和破坏特性 评价桥梁和建筑物等大型混凝土构件的承载能力和寿命 4 金属材料 研究金属材料的塑性变形 断裂和相变机制 5 复合材料 研究和测量复合材料内基体和纤维的断裂 脱开 分层和整体失效等 6 磁性材料 通过测量磁声发射的信号 研究磁性材料的某些特性 7 陶瓷材料 研究陶瓷材料的受力和破坏特性 对陶瓷材料进行无损评估 8 核工业领域 对核容器和管道的泄漏进行监测 对核压力容器进行无损检测和安全评定 9 焊接过程控制 通过实时监测焊接过程中金属冷却产生的声发射信号来控制焊接质量 10 机械加工 通过探测机械加工过程中产生的声发射信号 监测刀具的磨损情况 11 机械诊断 通过监测机器在运转过程中产生的声发射信号 诊断机器轴承的磨损情况 12 医学领域 研究骨头的摩擦 受力和破坏特性 无损检测和评价骨关节的状况 五 压力管道泄露的声发射检测实验研究 管道作为现行五大运输工具之一 在运送液体 气体 浆液等方面具有特殊的优势 然而管道经长期使用 常常发生泄漏事故 以自来水管道为例 据统汁世界各大城市自来水的损失率在20 左右 使用常规无损检测方法 如超声 漏磁检测爬机等 对管道泄漏检测有着众多的优势 但都存在一个严重的不足 检测过程为逐点扫描 因此不可能有效地用于成千上万km的管道检测 而声发射作为一种动态无损检测力法 对于压力管道的泄漏检测具有潜在的特殊效果 因此对于压力管道泄漏的声发射实验研究具有重要的意义 1 压力管道泄露声发射检测实验系统 严格地讲 压力管道或容器等泄漏所激发的应力波并不是声发射现象 因为在泄漏过程中 管壁只是波导 本身不释放能量 但由于泄漏点液体泄漏同样也会在管道中激发出应力波 通过该应力波可以描述材料结构上的某种状况 所以从这个意义上讲 也可以认为是一种声发射现象 压力管道泄漏所激发的声发射现象是 个非常复杂的问题 涉及到诸多因素 如 泄漏孔径大小 形状及液体压力 湍流 固液耦合等 因此 要建证一套完备的数学物理模型来描述问题的各个方面几乎不可能 根据实际问题特点 建立压力管道泄漏声发射检测简化实验模型如图所示 压力管道泄漏的声发射检测实验系统主要包括 压力管道泄漏实验模型 PCI DSP声发射数字采集板 PAC 声发射传感器 PACRl5 前置放大器 PAC1220A 滤波器等 2 实验结果分析 通过压力管道泄漏的声发射检测实验研究 能够定性判断是否有泄漏的发生以及泄漏信号随压力 泄漏孔径大小 传感器取向 距离变化的关系 1 通过对声发射传感器接收到信号的频谱分析可以判断是否有泄漏发生 图3 a 3 b 分别为有 无泄漏隋况下 声发射传感器接收到的波形和频谱从频谱图可以明显推断是否有泄漏的发生以及泄漏声发射信号的频带范围 2 在保持其他条件小变时 随着压力的增加 声发射传感器检测信号的强度线性增加 但在0 2MPa附近有转折 压力超过0 2MPa后 随压力增加 声发射信号增加幅度减小 但仍是线性变化 图4为在保持传感器的取向不变 传感器距离漏孔15cm 漏孔直径l5mm条件下 声发射信号的强度随压力变化的关系 重复实验证明 这种结果存在普遍性 即对其他泄漏孔径 距离及传感器取向不变条件下 同样适用 该现象可能与液体流动特