声发射检测技术

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，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
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%。
(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100～400KHz，压力管道和油罐底泄漏检测传感器的响应频率为30～60KHz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1～6m，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8～40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35～55dB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
25－35 高灵敏度检测，多用于低幅度信号或高衰减材料或基础研究
35－55 中灵敏度检测，广泛用于材料研究和构件无损检测
55－65 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（s） HDT（s） HLT（s）
复合材料 20～50 100～200 300
金属小试件 300 600 1000
高衰减金属构件 300 600 1000
低衰减金属构件 1000 2000 20000

6.3 加载程序
6.3.1  加载准备
多数情况下，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2～10min，而最高压力下约恒裁10～30min。
(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。