无破损检测原理.doc

一、 声发射检测原理声发射技术，是一种动态非破坏检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与纪录、解释与评定等基本概念，基本原理如下图所示广义而言，声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制这种直接与变形和断裂机制有关的弹性波源，通常称为典型声发射源流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧、磁畴壁运转等与变形和断裂机制无直接关系的另一类源，称为其它或二次声发射源声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可包括数Hz到数MHz；其幅度从微观的位错转动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化，按传感器的输出可包括数到数百，不过多数为止能用高灵敏传感器才能探测到的微弱振动用最灵敏的传感器，可探测到约为表面振动声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检体表面，引起表面的机械振动声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号声发射信号在经放大、处理后，其波形和特性参数被纪录与显示最后，经数据的分析与解释，评定出声发射源的特性声发射检测的主要目标是：(1)确定声发射源的部位；(2)鉴别声发射源的类型；(3)确定声发射声生的时间和载荷；(4)评定声发射源的重要性。

一般而言，对超标声发射源，要用其它非破坏检测方法进行局部复检，已精确确定缺陷的性质与大小二、 声发射技术的特点与其它非破坏检测相比，声发射技术具有两个基本差别：(1)检测动态缺陷，如缺陷扩展，而不是检测静态缺陷；(2)缺陷的信息直接来自缺陷本身，而不是靠外部输入扫查缺陷这种差别导致该技术具有以下优点和局限性1. 优点（1） 可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷能提供缺陷在应力作用下的动态信息，适于评价缺陷对结购的实际有害程度2） 对大型构件，可提供整体或大范围的快速检测由于不并进行繁杂的扫查操作，而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，就可确定缺陷的部位，从而省工、省时、易于提高检测效率3） 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外部变量而变化的实时或连续信息，因而适用于运行过程在监控及早期破坏预测4） 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难以或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及据毒等环境5） 于由对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件2. 局限性（1） 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪音的干扰，因而对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。

2） 声发射检测，需要适当的加载程序且一般仅有一或二次加载检测的机会多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时还需要特殊准备3） 声发射检测所发现缺陷的定性定量，能需依赖于其它非破坏检测方法由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：(1)其它方法难以或不能适用的环境与对象；(2)重要构件的综合评价；(3)与安全性和经济性关系重大的对象因此，声发射技术不适替代传统的方法，而是一种新的补充手段三、 影响声发射特性的因素声发射来自材料的变形与断裂机制，因而所有影响变形与断裂机制的因素均构成影响声发射特性的因素，主要包括：1. 材料，包括成分、组织、结构，例如进属材料中的晶格类型、晶粒尺寸、夹杂、第二相、缺陷，复合材料中的基材、增强剂、界面、纤维方向、残余应力等2. 试件，包括尺寸与形状3. 应力，包括应力状态、应变率、受载历史4. 环境，包括温度、腐蚀介质这些因素对合理选择检测条件、正确解释检测结果，均为需要考虑的基本问题1. 凯塞效应材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影响重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯塞效应多数金属材料中，可观察到明显的凯塞效应。

但是重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯塞效应会消失凯塞效应在声发射技术中有着重要用途，包括：(1)在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；(2)岩体等原先所受最大应力的推定；(3)疲劳裂纹起始与扩展声发射检测；(4)通过预载措施消除加载销孔的噪音干扰；(5)加载过程中常见的可逆性摩擦噪音的鉴别2. 费利西蒂效应和费力西蒂比材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象称为费利西蒂效应，也可认为是反凯塞效应重复加载时的声发射起始载荷()对原先所加最大载荷()之比()，称为费利西蒂比费利西蒂比做唯一种定量参数，较好地反应材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据费利西蒂比大于1表示凯塞效应成立，而小于1则表示不成立在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0.95常作为声发射超标的重要判据四、 检测设备1. 声发射传感器（1） 传感器工作原理某些晶体受力产生变形时，其表面出现电荷，而在电场的作用下，芯片又会发生弹性变形，这种现象称为压电效应常用声发射传感器的工作原理，基于晶体组件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，供于信号处理。

压电材料多为非金属介晶体管，包括：锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂、硫酸锂等单晶体其中锆钛酸铅()接收灵敏度高，式声发射传感器常用压电材料铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器传感器的特性包括：频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度，取决于许多因素，包括：(1)晶体的形状、尺寸及其弹性和压电常数；(2)芯片的阻尼块及壳体中安装方式；(3)传感器的耦合、安装及试件的声学特性2） 类型与选择传感器属检测系统的关键部位，其响应多敏感于表面振动的垂直位移，包括：位移、位移速度、位移加速度，这主要取决于传感器的频率响应和灵敏度特性传感器可分为压电型、电容型和光学型其中，常用的压电型有可分为：谐振式(单端和差动式)、宽带带式、锥型式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式，其主要类型、特点和适用范围如下表所示类型特点适用范围单端谐振传感器谐振频率多位于50~300kHz内，典型应用为150kHz，主要取决于芯片的厚度，敏感于位移速度响应频带载，波形畸变大，但灵敏度高，操作简便、价格便宜，适于大量常规检测大多数材料研究和构件的非破坏检测宽带带传感器响应频率约为100~100kHz，取决于芯片的尺寸和结构设计。

灵敏度低于谐振传感器，幅频特性不甚理想，单操作简便，适于多数宽带带检测频谱分析、波形分析等信号类型或噪音的鉴别锥型传感器100~1500kHz内，频率影响平坦，灵敏度高于宽带带传感器采用微型芯片和大被衬结构，尺寸大，操作不便，适于位移测量类检测源波形分析、频谱分析也可作为传感器校准的二级标准差动传感器两个压电芯片的正负极差接而成，输出差动信号与单端式相比，灵敏度较低，但对共模电干扰信号有好的抑制能力，适于强电磁噪音环境强电磁干扰环境下，可替代单端式传感器高温传感器采用居里点温度高的芯片，如铌酸锂芯片使用温度可达540℃高温环境下的检测，如在现反应容器电容传感器一种直流偏置的静电是位遗传感器直到3MHz，频率响应平坦、物理意义明确，适于表面法像位移的定量量测，但操作不便，灵敏度较低，约为，适于特殊应用源波形定量分析或传感器绝对灵敏度较准光学传感器属激光干涉计量的一种应用，直到20MHz，频率响应平坦，并具有非接触、点测量等特点，适于表面垂直位移的定量测量，但操作不便、灵敏度低，约为，适于特殊应用仅用于实验室定量分析，也可作为标准位移传感器（3） 传感器绝对灵敏度校准绝对灵敏度较准，是声发射定性定量分析、二级标准传感器选择所不可缺少的环节，有表面脉冲法和互易法两种。

绝对灵敏度()，一般用在一定频率下，传感器的输出电压()与表面垂直位移速度()之比来表示，其单位为：A、 表面波脉冲法在半无限体钢制式块表面上，以铅笔芯或玻璃细管的断裂作为跃力点源，B、（4） 传感器相对灵敏度校准在批量检测中，需要一种简便而经济的相对校准方法，以比较传感器灵敏度的变化此类方法只提供传感器对仿真源的相对幅度或频率响应2. 电缆（1） 电缆类型传感器、前置放大器及主机之间通过电缆线连接电缆类型包括：同轴电缆、双芯胶合线和光纤电缆同轴电缆微常用的基本类型，可满足电磁屏蔽和阻抗匹配的基本要求前置放大器的电源线和信号输出线，一般共享同一个同轴电缆2） 电缆中的噪音问题传感器电缆，其屏蔽作用有限，对电磁波起着类似“天线”的作用，易受电磁波的干扰为减少其影响而应限制其长度，一般不一大于1.5m同理，传感器与金属试件之间不得短路，要保持电绝缘强电磁噪音环境中，也可直接采用前置放大器内置式传感器，以消除由电缆线引入的噪音此外，传感器本身也是电容器，因而电缆的分布电容会相应降低传感器的灵敏度为使传感器之间的灵敏度保持一致，宜采用等长度电缆信号电缆线和连接件，在使用中常由于损伤或开路而会引起电磁噪音干扰。

3） 阻抗匹配当信号在电缆中传输时，如信号线的阻抗与终端或始端不匹配，信号将在传输线内发生反射，造成信号衰减，与有与两端都匹配才使信号衰减最小为获得最佳传输功率，电缆线与前置放大器和主机都应当匹配前置放大器的输出阻抗和主机的输入阻抗一般为，因而，其连接都采用的信号电缆当主机的输入阻抗并非时，应另加上阻抗匹配器4） 电缆长度传感器电缆很短，其传输衰减可忽略但是，前置放大器置主机的电缆长度，可从几米至300m或更长的范围内变化，对常电缆应考虑信号衰减问题一般而言，权限的衰减不宜大于3dB当电缆长度大于300m时，应串接中继放大器3. 信号调节（1） 前置放大器前置放大器置于传感器附近，放大传感器的输出信号，并通过长电缆供主机处理主要作用为：(1)高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹配，以防信号衰减；(2)通过放大微弱的输入信号，以改善与电缆噪音有关的信噪比；(3)通过差动放大，降低由传感器及其电缆引进的共模电噪音；(4)提供频率滤波器前置放大器的主要性能包括：A、 增益：通常提供40dB固定增益有的还备有20dB和60dB附加增益，以适用不同的用途B、 频率范围：放大器本身可提供较宽的频率范围，通常约为2kHz~1MHz。

然而，实际频宽取决于滤波器的选择，包括低通、高通和带通滤波器C、 噪音：噪音水平取决于晶体管的性能、放大器频宽、输入阻抗和环境因素，而频率范围越宽噪音水平就越高因而，噪音水平，只有再同一频宽下比较才有意义D、 动态范围：可用最大输出信号幅度对输出噪音幅度之表示为适用于宽的信号幅度范围，放大器的动态范围应尽可能大，一般为60~85dB2） 滤波器频率滤波器一般采用插件式或编程序，包括高通、低通和带通滤波器，主要用来排除噪音和现定检测系统工作频率范围选择滤波频带时，在噪音和传播衰减之间应适当作折衷考虑例如，机械噪音的频率成分，多集中在100kHz以下，而传播衰减则约从300kHz起便的很大，从而限制着可监视范围因此，在多数应用中，优先采用100~350kHz的带通滤波器但对高衰减材料的检测，则不得不采用100kHz以下的低频滤波器在宽带带检测中，则多采用100~1200kHz的带通滤波器4. 信号探测与处理（1） 信号类型在示波器上观察到的传感器输出信号有两种基本类型：突发型和连续型突发型信号，指在时域上可分离的波形实际上，所有声发射源过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展不过，当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如塑性变形和泄漏信号。

在实际检测中，也会出现其混合型对于不同的信号类型。