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声发射检测技术的原理及应用

2010年第3期(总第136期)
王牛俊1 ,陈 莉2(1.陕西国防工业职业技术学院机械工程系,陕西 户县710302 ;2.陕西国防工业职业技术学院电子工程系,陕西 户县 710302)
 
  【摘 要】 声发射检测技术是无损检测中的一种新方法,它可以提供连续的状态信息,适合设备的在线监控及早期破坏预警。通过声发射传感器采集声信号,再利用计算机信号处理系统对采集的声信号进行分析、转换、处理,以此为原理构成检测系统。该检测技术是材料试验、水利水电工程设备在线监测和安全评估的有效手段。
  【关键词】 声发射;检测技术
 
1 引言
  声发射技术(Acoustic Emission Technique)作为一门检测技术起步于20世纪50年代的德国,开始应用于材料研究。在60年代开始应用于无损检测领域。我国则于70年代开始应用声发射技术。声发射检测技术已广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料及力学方面的研究、汽车工业、民用工程、航空航天、金属加工、焊接质量检测与监控等领域。
 
2 声发射检测技术
  声发射又称应力波发射,当材料或零部件受外力作用发生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段,都会以瞬态弹性波形式释放出应变能,这种现象称为声发射(AE)。在外部条件作用下,材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称为声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质,故采用检测声发射信号的方法,可以判断材料或设备的某种状态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号,并利用声发射信号诊断发射源状态的技术称为声发射检测技术。
  声发射检测技术是一种动态无损检测方法,它可以对检测对象进行实时监测,且检测灵敏度高。此外,几乎所有材料都具有声发射特性,所以声发射检测不受材料限制,且不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等因素的影响。
 
3 声发射信号的产生及处理
3.1  声发射信号的产生
  声发射信号是材料或零件在外部条件作用下,以瞬态弹性波释放能量时而产生的。声发射信号是一种复杂的波形,包含大量的发射源状态信息,同时在波的传播过程中,波形会发生变化并引入噪声。适用于声发射检测的机械设备大体分两类:
  (1)管道及压力容器。由于长期工作在高温高压下,很容易因材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹成核、扩展直至开裂,都会不同程度地释放出应变能,因此产生声发射信号。根据上述声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生、是否有泄漏,并获知泄漏程度。
  (2)旋转和往复运动机械。特别是高速旋转机械,由于运行过程中不平衡、不对中、热弯曲等,会发生转子碰磨,此时金属内部晶格将发生滑移或重新排列,这个过程中能量的变化以弹性波的形式释放出来,即产生了声发射信号。
3.2  声发射信号的处理
  根据分析对象的不同,可以将声发射信号处理方法分为两大类,即参数分析法和波形分析法。参数分析法的应用相对成熟,而从理论上讲,波形分析法能提供更多法信息量。目前,这两种方法在声发射检测技术中都得到了应用于发展。下面简单介绍声发射信号参数分析和波形分析处理法的基本原理。
  (1)声发射信号参数分析
  参数分析处理法就是通过对测得的声发射信号进行初步的处理和整理,变换成不同的声发射参数来对声发射源的特征、状态进行分析与处理。常用的声发射参数有振铃计数、脉冲持续时间、阈值电压等,如图1所示。对于声发射信号的单位,目前还没有统一的标准,一般工程中应用最多的是声发射率。单位时间的矩形脉冲数称为声发射率,如图1中为4。
图1  常用声发射参数示意图
  虽然每一个声发射参数能提供与声发射源特征相关的信息,但参数的选取存在较大的主观性和随意性,致使对声发射源的评价也会存在较大的误差。这是限制参数分析法在声发射技术中应用的一个重要因素。
  (2)声发射信号波形分析
  声发射信号波形分析处理方法有频谱分析法、模态声发射分析法和时频分析法。声发射信号本质上是一种机械波,因此,对声发射信号的分析是以机械波在固体中的传播理论为基础。对于无限大或半无限大的理想介质,我们可按弹性波的传播规律处理声发射波,根据波动方程式:
     可以得出固体弹性介质中两种不同类型波的波动方程。首先,由方程式中的式(1)对x求微分,式(2)对Y求微分,式(3)对z求微分,然后将式(1),(2),(3)相加,得到下式:
  
  这里,△是体积的相对变形,即在固体弹性介质中压缩变形以波动形式传播,称为弹性介质中的压缩波,其传播速度:
  
在实际构件中声发射波的传播要比在理想介质中的传播复杂得多,声发射信号具有不可预知性、瞬态性、信号多样性和干扰噪声多样性特点。在实际生产中,声发射波在有限厚度介质中的传播方式如图2所示,声波传播过程中在2个界面上发生多次反射,每次反射都要发生模式变换,这样传播的波称为循轨波,具有复杂的特性。
       
图2  声发射波的传播示意图
 
4 声发射检测系统
  该检测系统由声发射传感器、前置放大滤波器、信号处理系统三部分构成,如图3所示。该系统在实施监测时的工作原理如图4所示。在预期产生缺陷的部位放置声发射传感器,AE源产生声发射信号,通过耦合界面传到AE传感器,AE传感器采集包含AE源的状态信息的AE信号,通过放大滤波器等对采集的AE信号进行放大、滤波、转换等处理,并将转换后的AE信号传输到信号采集处理系统,对采集的信号进行比对及特征分析,通过外端显示设备输出。图5 所示为典型的裂纹声发射频谱图。
      
图3  检测系统构成示意图
图4  声发射检测基本原理示意图
图5  典型裂纹声发射频谱图
5 声发射技术的应用
5.1  声发射技术应用基本程序:
  (1)检测前准备工作;
  (2)确定传感器阵列;
  (3)布置声发射传感器,保证声耦合良好;
  (4)接线并检查线路,设定检测条件;
  (5)排除噪声干扰;
  (6)校准检测系统;
  (7)进行AE 检测(信号收集);
  (8)数据处理和结果评定;
  (9)出具检测报告。
5.2  声发射技术应用实例
  声发射检测技术越来越广泛地应用在水利水电工程、机械设备的监测等领域。我国的水利水电工程金属结构、机电设备方面应用了声发射检测技术,取得良好效果。如:1999年水利部质检中心对湘江大源渡航电枢纽工程的液压启闭机油缸荷载试验进行了声发射监控检测和安全评定,对油缸缸底吊耳和活塞杆吊耳采用ZG310-570材料制造的可行性和安全性进行了比较科学的实验鉴定。利用声发射技术可以对大型水轮机片进行实时监测,并对可能出现的缺陷提前预警。利用声发射技术对大型的压力容器进行在线监测等。
 
6 结语
  声发射检测技术是一种动态的无损检测方法,具有传统检测方法所不能比拟的特点,其具有的在线监控和破坏预警的功能将使得声发射检测技术的应用领域越来越广泛,并将大大提高设备运行的安全性。
 
参考文献
[1]施克仁.无损检测新技术[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]杨明纬.声发射检测[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]叶琳.声发射技术在设备故障诊断中的应用[J].新技术新工艺,2000,(8).
[4]黄文虎等著.设备故障诊断原理、技术及应用[M].北京:科学出版社,1996.
[5]袁振明.声发射技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1985.
[6]吴广辉等.基于声发射技术的水轮机转轮叶片裂纹检测[J].水利发电,2009,25(4).
 
作者简介:王牛俊(1982-),男,湖南郴州人,助教,主要从事焊接专业教学与质量监控方面工作。
   
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