声发射检测原理

《声发射检测原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《声发射检测原理（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、声发射检测原理日期：2005-10-01 来自：摘自台湾网站一、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。般發射技術基本原理广义而言，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MH

2、z；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

3、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

4、、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在线 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

5、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

6、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

7、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

8、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 r, 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：

9、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。類型特點適用鞄圏軍端諧振傳感器話振頻率多位於5000kHz内典型應用為 150kHz ,主要取決於晶片的厚度,敏感於位移速 度.馨應頻帶裁，波理畸變大旧靈敏度高，襟作 簡便、價格便宜適於大量第規旅測丈枣颤材料硏兗和懂件的 非破壞檢測寬頻帶傅感器蓉雁頻率約為100-100kHSi觇沬於晶片的尺寸和 牯描設計口蠡顽度低

10、於諧扳傅感器嘔頻特性不甚 理想單操作简便適於塞埶寬頻帶檢測頻諳另析、渡形分析等信 豔飆型或噪音的愛別稚型傳感皑100L500kH=内，頻率影蓉半坦壷敏度高於霓頻 帶傳感器匚採用锻型晶片和丈裱谓詰僭，尺寸犬， 躁作不便，適於位移測量類檢測，懑波形分析、頻諳分析- 也可作為傳感器校準的二 議樽準丢勒傅感器兩個墜電晶片的正自極差接而成，輛出差勒信號 與軍端式相比，靈敏度較低,但對共模雷干擾信議 有好的抑制能力適於強畫磁噪音環境口强宅磁干擾環境下可替 代軍端式傳翩器高溫傳感器探用居里點溫度高的晶片如疑嚴锂晶片.愎用溫 廈可谨54AT：同溫環境下的推測如在現反應容器一種亘流偏這的薛竜是恆遺傳屜器-亘到3

11、MHz j 頻率馨應平坦s物理意義明確適於表面法像位穰 的走量量測，但操作不便靈顽度藪低，約為 L=10-|Jm 適於特殊鹰用濾波瑋矩量分祈或谭忌器 超對靈敏度藪準逛學悟感器屈谧逹干涉計量的一蓮應用直到20MHej頻率響 雁平坦 ntaw菲接鬻、點測星等特點，適於表面 垂克位移的走量測量f日噪作不便、靈顽度低 約 為1衣1丁5 適於特殊應用僅用於宫驗室定量分析 也可作為標準位穰淳感器此部分内容只有注册会员才能看到六、检测系统选择1.检测对象与目的（1）被检材料：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至数MHz,复合材料约为数kHz至数百kHz,岩

12、石和混凝土约为数百Hz至数百kHz。对不同材料须考虑不同的工作频率。（2）检测对象：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，多选用通用形；对大型构件，采用多通道形；对过程监视，选用专用形。（3）所需信息类型：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 形纪录、原定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。2. 影响选择的因素选择检测系统时需要考虑的主要因素如下表所示。性能真功能影瞽园素工件頻率材科頻域、傅播衰漓 檎械噪音悟感器類型頻峑、靈敏度、使用溫度、環境、尺寸逋道數被撿尺寸坡傅撥熹浦不走位、區域走

13、位、時差运位信號宴數連藕信號與茂籲信號罢甑、波瑋紀錄與諳分折顯乎定位、經歴、關係、分部等圏表的即時或爭後顯乎噪音建別仝間滤波、特性參數瀾波、外變量滤減及耳刖帧與爭僅滤波数據量邑括菠陋紀録高頻度聲蟹射r強噪音r寒通道冬聲数、即時分折七、声发射检测应用1. 材料表征应用声发射作为实验室材料研究的工具已有较长的应用历史。通过对材料表征实验过程的声发射监视，建立声 发射、微观机制、力学特性之间的关系，通常同时达到两个目的：（1）分析和评价变形、断裂机制与力学行 为；（2）为构件的非破坏评价建立广泛的声发射特性数据库。主要应用范围如下表所示。類型信息主要應用塑悝變那位錯輛鉢 滑移變瑕 罢晶變我、夾雜開裂

14、與分離材料曽駱中提供對雁力一應變曲線的聲码射影 窖国刑，用於分靳塑性渥形機矯山行為及胡料因 素的影簷，評價凱塞效應斥摄大應力歴史斷裂力學詞騷斷裂力學試駭斷裂韌屋試駱中，用於起裂點測呈也為構件非 破壞撿測逹立祠斜聲吳射特性埶據庫瘦勞試驕裂敝的起媳擴展及閉合攒 制疲勞實騎中1即時提供疲勞損倚過程的時序特 徵用於鳖別疲彗揭假的起加 橙走擴愿 快速 櫥展等不同階段有時還用來評怙裂緘擴展速率環境裂紋應力腐蝕與清脆裂純在應力腐蝕輕脆敏感性晝駱中，即時提拱環境 裂鮫起贻與擴展過稈的時序特徵用束墨别裂紅 的起堆 潛伏、快速擴展等不同的階段有時還 用來評估裂蔽擴展速率相變晶格相變在晶格像變售驕中用來測定鳥式魁轉

15、變點Ms 或奥式體輛變點As,並可作為硏究成孩樓制， 求出成長速度的手段複皆祠科斷裂鼬雒斷裂界面分離基材分裂層間分離在祠科表徴詞驢中用於損傷起黑鼻剩餘強厘、 搦傷的類型和歴史、帔陷和質量等的評價苴他端變、腐蝕、殘館應力、脆性II變、苴他斯料2.结构件应用范围压力容器、贮箱、管道等构件的结构完整性评价，是生发射技术的主要应用领域，可分为制品的验收检测、 定期检测和运转过程中连续监视，其适用范围如下表所示。類型摄測信息雁用驕收撿測設討、材料缺陷，包括：焊接 缺陷矗結檔薄弱區新製品騙收試驗中安全監視與赭隆芫整性許 價主要用虞常規方法受限制或有特殊要求的對 象，包括：複合村料踣構、多層容粥危瞼物内 裝容器、現埸豎裝儲鋤等定期檢測便用中新生猷陷也括：應力 砸輕脆、疲勞裂文及材料 脆化定期加載試騎中安全監視與結憧乖整性訐慣包 括：金屬、複合材料壁力容甜儲趣管道、也 下管練、運輛儲槽等連行中連續或斷縉暫視谨行中活動性猷陥，包括：雁 力腐趙、輕脆r疲勞、洩漏及 軸承異常結懂關挺部位碾堪的早