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转轮叶片裂纹声发射信号获取的技术基础研究 摘要 混流式水轮机水头高、输出力大，是大型水电站普遍采用的机型。然 而，混流式水轮机转轮叶片容易产生裂纹。有资料表明：几乎所有的混流 式水轮机转轮运行一段时间后都会出现大量的贯穿裂纹，严重危及水电站 的运行稳定性及安全。 目前，水电站只能通过定期停机检修方法来判断转轮叶片是否出现贯 穿裂纹，这给水电站带来很大的经济损失。为了对转轮按现状进行维修， 提高水电站的经济效率，确保水电站运行安全，需对转轮进行在线动态检 测。利用声发射检测技术，可以及时发现裂纹的产生、位置及发展趋势等 情况，有效地掌握转轮损伤部位和损伤的程度，准确评估水轮机转轮的运 行状况。 转轮工作在强大的背景噪声和强电磁干扰环境下，检测到转轮裂纹声 发射信号并非易事。本文首先分析检测转轮叶片裂纹时对检测系统的要求， 设计检测系统的总体方案。确定检测系统中声发射传感器的选型、安装位 置及方法，通过对比实验证明所选传感器正确；在线检测系统处在强电磁 环境中，从硬件和软件两方面分析检测系统的干扰问题。 在实验室条件下，进行断铅和拉伸疲劳实验，成功采集到金属裂纹声 发射信号；通过对比分析三种处理金属裂纹声发射信号的时频分析方法， 确定小波分析适合在线处理金属裂纹声发射信号。 在线检测系统随转轮一起旋转，不能由市电为其提供电源。设计转轮 模拟平台及单独供电系统。实验证明该供电系统运行稳定，能够满足检测 系统的用电需求，达到了预期设计目标。 关键词：混流式水轮机声发射时频分析传感器电磁干扰 b a s i cr e s e a r c ho n a c q u i s i t i o no fa es i g n a lo f c r a c k si nf r a n c i st u r b i n er i j _ n n e rb l a d e s a bs t r a c t t h ef r a n c i st u r b i n eh a sh i g hw a t e r - h e a da n db i gp o w e r , w h i c hh a sb e e n u s e di nm a n yl a r g es c a l eh y d r o p o w e rs t a t i o n h o w e v e r , m a s sc r a c k sf r e q u e n t l y a p p e a r e di nt h er u n n e rb l a d eo ff r a n c i st u r b i n e a ss o m ed a t u ms h o w s ：m a s s t r a n s - c r a c k sa p p e a r e di nt h er u n n e rb l a d eo fa 1 1f r a n c i st u r b i n ea f t e rn m n i n ga p e r i o do ft i m e ，i th a sam a j o ri m p a c tt ot h eo p e r a t i o ns t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h e h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n a tp r e s e n t ，i tc a no n l yj u d g et r a n s c r a c k st h r o u g ht h er e g u l a rm a i n t e n a n c e i i lt h eh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n ，w h i c hb r o u g h t v e r yb i ge c o n o m i cl o s st ot h e h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n i no r d e rt oc a r r yo nt h es e r v i c et ot h er u n n e rb l a d e o ft h ef r a n c i st u r b i n ea c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o n , e n h a n c et h ee c o n o m i c e f f i c i e n c y , g u a r a n t e et h es a f e t yp r o d u c t i o no ft h eh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n , t h eo n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n i q u es h o u l db eu s e di nt h er u n n e rb l a d eo ft h e f r a n c i st u r b i n e u s i n ga e t e c h n i q u e ，i tc a nb ee a r l i e ra n dm o r ee f f i c i e n t l yt o d i s c o v e r yt h eg e n e r a t i o no fc r a c k s ，t oe v a l u a t et h ep o s i t i o na n dt h es p r e a d i n go f c r a c k sa n dt om a s t e rt h ep o s i t i o na n dt h ed e g r e eo f d a m a g e ，a sw e l la s ，i tc a nb e m o r ea c c u r a t et oe v a l u a t et h er u n n i n gc o n d i t i o no ft h er u n n e r i n b i gb a c k g r o u n dn o i s ea n d s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n t ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e c e i v et h ea es i g n a lo ft h er u n n e rc r a c k i n t h i sp a p e r , f i r s t ，t h ed e t e c t i o ns y s t e m sr e q u e s tw a sa n a l y z e d ，a n dt h eo v e r a l l c o n c e p to fd e t e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d s o m ek i n do fd o m e s t i ca n df o r e i g n a es e n s o rw e r ec o m p a r e d ，t h em e t h o do f c h o o s i n ga n di n s t a l l i n gt h ea es e n s o r w a sc o n f i r m e d ，t h es e l e c t e da es e n s o rw a sp r o v e dc o r r e c tb y c o m p a r i n g e x p e r i m e n t t h ei n t e r f e r e n c e o fa em o n i t o rs y s t e mw a sa n a l y z e di n t h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea s p e c t s 砀em e t a lc r a c ka c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lw a sa c q u r e di nt h el a b o r a t o r y c o n d i t i o n ；t h r e et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d sw a r eu s e dt oa n a l y z ea n d p r o c e s st h ec r a c k e dm e t a l l i ca c o u s t i c e m i s s i o ns x g n a l ，a n dt h em e t h o do t 。j 一 a n a l y z i n gt h em e t a lc r a c ka c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lw a sd e t e r m i n e d b e c a u s et h eo n l i n em o n i t o rs y s t e mr o t a t e sa l o n gw i t ht h er u n n e r , t h ec i t y e l e c t r i c i t yc a nn o t b eu s e df o ri t s oas m a l lg e n e r a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n d i tc a np r o v i d et h em o n i t o rs y s t e mw i t hc o m m e r c i a lp o w e r i ti sp r o v e dt h e s y s t e mw o r k i n gs t a b i l i t yb ym ee x p e r i m e n t t h er e s e a r c hg o a lo fg e n e r a t i n g s y s t e mw a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：f r a n c i st u r b i n e ；a e ；t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ；s e n s o r ； e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研 究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：尹游躇 础年歹月玎日 学位论文使用授权声明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回荀时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：严蔼荫 导师签年莎月铂 广西大学炙士掌位论文转轮叶片裂纹声发蠹h 警号获取的宴水，基础研究 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) 一混流式水轮机转轮叶片裂纹检 测的理论和方法研究。 大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量贯穿裂纹，严重危及水电站运行 安全。目前对水轮机转轮裂纹的检测分析与研究，一般都只是在水轮机组停机时通过超 声仪完成，大大增加了水轮机组的检修时间，降低了水电站的工作效率。因此对转轮叶 片裂纹的产生和发展进行在线动态检测研究将是提高水电站运行安全及工作效率的重 要措施。在大的背景噪声和强电磁场干扰下，检测由转动的转轮叶片产生裂纹时的声发 射信号并分析其特征，实现对裂纹产生的报警、裂纹产生位置的估计、裂纹发展趋势的 预估，进而对水轮机转轮安全性进行综合评估、提出维修报警，为研制可用于水电站生 产实际的转轮裂纹检测系统奠定技术基础。 。 ，一 声发射技术是一种应用日趋广泛的现代无损检测新技术。目前声发射技术作为一种 新的无损检测方法，已被广泛应用于许多领域。声发射检测方法是一种动态检验方法， 声发射探测到的能量来自被测试物体本身：对线性缺陷较为敏感，能探测到在外加结构 应力下这些缺陷的活动情况；在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个 结构中活性缺陷的状态，可提供活性缺陷随外变量而变化的实时或连续信息，适用于工 业过程在线早期或临近破坏预报：对被检件的接近要求不高；对构件的几何形状不敏感。 由于声发射检测具有以上的特点，因此声发射检测技术很适合用来检测混流式水轮机转 轮。 ， 本文针对声发射信号及检测系统的特点，设计适合检测转轮叶片裂纹的声发射检测 系统总体方案。研究拾取声发射信号所用传感器的选型及检测系统在水轮机转轮上的安 装位置；分析检测系统的抗干扰来源；设计转轮模拟平台及检测系统的供电系统：在实 验室条件下，进行了断铅和钢材拉伸疲劳试验采集疲劳裂纹声发射信号；对比分析了三 种处理金属裂纹声发射信号的时频分析方法，确定小波分析比较适合在线实时分析处理 声发射信号。 广西大掌硕士掌位论文转轮叶片裂纹声发射信号获取的技术基础研j r 1 2 声发射技术简介 1 2 1 声发射技术的概念 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 简称a e e ，是材料或结构内部局部区域在外力、内力 或温度表化等影响下，产生塑性变形或有裂纹形成与扩展时，伴随能量迅速释放而发生 的瞬态弹性波现象。实际应用中，由于外界干扰及声发射检测系统( 如传感器等) 的原 因，接收到的声发射信号除了特征信息外，还存在大量外界干扰和噪声信息。 声发射检测技术是指运用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号对声 发射源进行定量、定性和定位的技术。声发射检测是一种动态无损检测方法，其信号能 量来自缺陷本身，因此，用声发射检测法可以判断缺陷的活性和严重性。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， 因而它的声发射特征也有差别。大多数金属和非金属材料在一定条件下都有声发射现 象发生，所以，声发射检测几乎不受材料的限制。 1 2 2 声发射信号的特点 从时域形态上来看，声发射信号一般分为突发型和连续型两种类型。突发型信号是 在时域上可以分离的波形。实际上，所有的声发射过程均为突发过程。如果声发射频度 高达时域上不可分离的程度时，就会显示出连续型的信号，如泄漏信号。在实际的检测 中也会出现两种型号的混和型。图1 - 1 是谐振频率为1 5 0 k h z 声发射传感器采集的突发 型声发射信号。 图1 - 1典型的突发型a e 信号 f i g 1 1t y p i c a lb u r s tf o r ma es i g n a l 声发射信号具有瞬态性、多态性、易受干扰性等特征【2 】【3 1 。声发射过程是一个能量 瞬态释放的过程，因此，声发射信号具有时变性，属于非平稳随机信号。声发射源具有 多样性和不确定性，不同的声发射源机制可以产生完全不同的声发射信号，而人们对声 2 广西大掌硕士掌位论文转轮叶片裂纹声发壶h 譬号获取的技术基础研究 发射源机制的认识又受很多条件的限制。此外，机械波在固体介质中传播是一个复杂的 过程，不但包括多种模式的波，如纵波、横波、表面波等，而且在传播过程中还会发生 模式的转换。另外，传播途径又与声源的位置、被检测对象性质( 材质、形状和几何尺 寸) 以及接受传感器位置等诸多因素有关，因此，实际的声发射信号具有多态性。声发 射信号比较微弱，在检测过程中容易受到各种因素的干扰而无法得到真正意义的声发射 信号。在实际的工程应用中，声发射信号多伴随着多种干扰噪声、环境机械噪声、电子 仪器带来的噪声等。 声发射的频率范围从次声频( 频率低于2 0 h z ) 、可听声频( 2 0 h z 2 0 k h z ) 、直至几十 兆赫兹的超声频，其幅度( 传感器输出电压) 大约从数微伏到数百毫伏。人们经过多年的 研究已经证明材料中有许多机制可以构成声发射源【4 】。材料的塑性变形、断裂、相变、 磁效应和表面效应都会产生声发射信号而成为声发射源。与无损检测有关的声发射源主 要是材料的塑性变形和裂纹的形成与扩展。声发射信号的强度一般都比较弱，需要借助 敏感的传感器和电子仪器才能检测出来。 1 2 3 声发射检测技术的概述 2 0 世纪5 0 年代德国人凯塞( k a i s e r ) ，对多种金属和合金材料的声发射现象进行了 详尽的研究，发现了材料形变过程中声发射的不可逆效应，即材料被重新加载期间，在 应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号或产生的声发射信号很少，这种不 可逆现象就是k a i s e r 效应【2 】。 2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代，美国和日本声发射工作者对声发射源的物理机制进行 了大量的研究，并初步应用于工程材料的无损检测领域。d u n e g a n 对声发射技术做了开 拓性的改进，他把声发射的测试频率范围从声频范围提高到超声频段( 数十到数百k h z ) ， 大大地减少了背景噪声，为声发射技术从实验室研究走向现场应用创造了条件。 经过几十年的发展，声发射技术在工业得到了广泛的应用。早期受到信号处理能力 的限制，人们对声发射源性质的认识及对声发射信号从声发射源到传感器过程中的传输 特性等的认识缺少应用的深度，声发射技术在实验结果的重复性、结果的可靠性等方面 存在不少问题。随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，出现了新一代声发射仪器 和相应的各种信号处理软件。通过该仪器采集到的波形可以更深层次的了解声发射源性 质和声波传输特性。以波形分析为基础的声发射技术得到应用和发展。在声发射信号处 理方面，神经网络和小波分析技术也取得了一定的进步，我国学者利用神经网络技术对 广西大掌硕士掌位论文转j 仑* 4 - 片裂纹声发毫h 分号获取的技术基础研究 声发射源活动情况进行模式识别，除了能区别出缺陷种类( 裂纹、泄漏或噪声) 外，还可 对裂纹的危害程度进行判断【5 1 。声发射技术发展至今己变得日趋成熟，其应用范围也变 得更广。如金属和玻璃钢压力容器、储罐、管道、飞机零部件安全检测等，声发射技术 己得到广泛的应用。现阶段，声发射检测仪器进入了参数和波形混合分析的发展阶段， 但是仍然是以参数分析为主，随着计算机技术和现代信号分析技术的发展，使得声发射 的深度和广度都有了较大的发展，如今德国v a l l e n 公司已经开发出第五代的多通道数字 声发射检测仪器a m s y 5 ，以及配套的先进的声发射信号处理软件包v i s u a l a e 、v i s u a l t r 、 v i s u a i c l a s s 等可以对信号进行多种分析和处理。 我国声发射事业起步于7 0 年代初，目前声发射技术已在我国石油、石化、电力、 航空、航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域得到了广泛的应 用。 声发射检测技术与射线、超声等其它无损检测方法相比，声发射技术有以下优点【2 】： ( 1 ) 适用于动态检测，可对运行中的设备和受力情况下的部件进行实时的检测、监 视和报警。这不仅可以减少设备检修的成本，而且可以有效地避免重大事故的发生，提 高经济效益。 ( 2 ) 只需接收探头，不需发射换能器。当物体中有声发射事件发生时，在测控范围 内的任何部位都能探测到，这一点尤其有利于对形状复杂的和特大的构件或结构体进行 检测。 ( 3 ) 声发射现象是固体中普遍存在的。因此大部分材料都可以应用声发射技术来检 测，这种特点使声发射技术具有广阔的应用前景。 但是声发射技术在应用中也有一定的局限，其具体表现为： ( 1 ) 声发射不能提供静态缺陷的情况，因为只有在动态受力情况下才能发生声发射 现象。 ( 2 ) 声发射的不可逆性使测量应在第一次加载时进行，如果已经加载过，则未超过 前次加载情况下不会发生声发射。因此，进行声发射检测前，需要知道其受力历史。 ( 3 ) 声发射过程中伴有大量噪声，不注意排除噪声，将会得到错误的结果。 ( 4 ) 声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需信赖于其他无损检测方法。 4 广西大掌硕士学位嵌譬 辛鲫睑叶月嚆i 纹声发囊竹譬a j - 获取的技术基础司”宅 1 3 转轮裂纹检测技术的现状 随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展，旋转机械的故障检测技术获得了 飞速发展。大型水轮机组在线检测在近1 0 年来获得了日益广泛的开发与应用，世界各 国竞相开展研究工作，不断推出新产品，如加拿大v b r o s y s t e m 公司 z o o m 2 0 0 0 ，i r i s 、a d w e l 公司的p d a 、g e n g u a r d 发电机局检测系统等【6 】【7 1 。但是这 些故障诊断和状态检测系统都是针对水轮机组的整体运行状况的检测及诊断，不能对水 轮机转轮叶片裂纹进行在线动态检测。 目前对水轮机转轮叶片裂纹的检测分析与研究【8 】【9 】【1 0 】【1 1 1 ，一般都只是在水轮机组停 机检修时通过超声波、渗透等无损探伤完成。常用来检测转轮裂纹的方法有以下几种： 渗透探伤、磁粉探伤、超声波探伤。 ( 1 ) 超声波检测 超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高，适宜检验较大厚度的 工件。但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材，由于粗大晶粒的晶界会反射声波，在屏幕上出 现大量的“草状回波 ，容易与缺陷波混淆，影响检测可靠性，限制了超声波探伤方法 在铸钢制水轮机转轮叶片上的应用。 ( 2 ) 渗透探伤 渗透探伤方法简单易行，显示直观，适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检 查。但是，渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中， 再利用吸附能力强的白色显像剂，将渗透液吸出来以显示缺陷的，因此，只能检查表面 开口的缺陷。 ( 3 ) 磁粉探伤 磁粉探伤方法是利用工件磁化后，在材料中的不连续部位( 包括缺陷造成的不连续 性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性) ，磁力线会发生畸变，部分磁力线有可 能逸出材料表面形成漏磁场，这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺 陷形状相近的磁粉堆积，从而显示缺陷。因此，磁粉探伤适用于铁磁材料探伤，可以检 出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。 目前水电站对水轮机转轮叶片裂纹一般按如下方法进行检修：对叶片清理后进行 宏观检查；对可以磁化的部位进行磁粉探伤；不能磁化的部位进行渗透探伤。对叶片进 水边正面( 压力分布面) 靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠 g - 西大学硕士掌位截譬 毒朝磐叶片j 暖纹声发捌憎号获取的封r 沭基础司阳宅 处、叶片与下环连接区等应力集中部位和表面发现缺陷的部位进行超声波探伤。 近年来，水轮机转轮的叶片裂纹频繁发生【1 2 】，严重威胁水电厂的安全运行。有必要 开发一套检测系统对水轮机转轮叶片裂纹进行在线检测，对发现的缺陷及时处理，把事 故消灭在萌芽状态，保证机组的安全经济运行。 1 4 裂纹检测系统要求分析 水轮机转轮叶片裂纹检测技术属于在线动态检测。转轮是工作在较恶劣条件下的大 型转动部件，在强大的背景噪声和电磁场干扰下，检测系统检测由旋转的转轮叶片产生 裂纹时的声发射信号，通过分析其特征，实现对裂纹产生的报警、裂纹产生位置的估计、 裂纹发展趋势的预估，进而对水轮机转轮安全性进行综合评估、提出维修报警。 声发射信号的频率分布与材料或构件的具体特性有关，其频率范围一般在 2 0 i i z 一2 m h z 之间。金属裂纹声发射信号频率范围在1 0 0 k h z 一3 0 0 k h z 较多，该频率属于中 高频率范围。另外，利用声发射技术进行裂纹定位、趋势预估时，一般需要多通道同步 数据采样，因此对a d 有一定的要求。 对水轮机转轮叶片裂纹进行在线检测，检测系统需要安装在水轮机上随其一起旋 转，且安装位置有限，故要求检测系统体积小、重量轻。本系统需采用多通道同步数据 采样，其数据量非常大，对如此大量的数据进行实时处理十分困难。所以，对系统处理 信号的能力要求很高。 由于检测系统处于旋转状态，传统的有线数据传输方式不能用在此检测系统中，而 无线传输的速度较慢，不满足对大量数据传输的需要。故在声发射信号采集后对其进行 预处理，提取后续裂纹定位、趋势预估、报警等所需的a e 数据或参数，利用无线传输 方式将其传至p c ，在p c 机上实现裂纹定位、趋势预估、报警等分析。 1 5 裂纹检测系统的总体方案 根据检测系统要求分析，检测系统可分为三大模块，即数据采集模块、数据传输模 块及p c 机分析处理模块。 数据采集是检测系统的核心，金属裂纹声发射信号频率比较高，且声发射数据采集 系统所得数据最终进行水轮机叶片裂纹位置估计、发展趋势预估、安全报警等，故需要 高速、多通道、同步采样。同时，根据尼奎斯特采样定理和金属裂纹声发射信号的频率 6 广西大学硕士学位沦文转轮 l - 片裂纹声j k 囊h 分号获取的技术基础研究 特性，要求a d 的采样频率为5 0 0 k 通道或以上。采集到声发射信号后应对其进行预处理， 提取供后续分析所需的a e 参数。由于数据量大，且需实时处理，对数字信号处理器的 信号处理能力要求较高。 当提取的a e 参数满足传输条件时，通过无线传输方式将其送入p c 机。此无线传输 速度必须实时将采集的数据上传。 。 上位机系统，在各种软件的支持下，可实现实时或事后的分析与显示。上位机系统 软件有源定位、图表显示、神经网络分析与模式识别等。软件的功能包括：源定位， 包括二维定位、三维定位；a e 参数及三维图显示：裂纹趋势预估、安全报警、维 修报告。 检测系统结构示意如图l _ 2 所示。 ；上位机系统i 图1 吨检测系统结构示意图 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo f a ed e t e c t i o ns y s t e m 1 6 课题研究内容及意义 1 6 1 研究的内容 转轮叶片裂纹检测系统是一个比较复杂的系统，市场上的声发射检测仪器均为基于 有线传输的检测系统，不能用来检测像水轮机这样转动的设备，故需要开发一套适合检 测水轮机转轮的检测系统。转轮叶片裂纹声发射信号获取的技术基础研究的工作只是整 个检测系统中的一部分，其主要内容有： 一、分析检测转轮叶片裂纹对检测系统的要求，设计检测系统的总体方案； 二、适用传感器型号的选择，确定传感器及检测系统( 数据采集部分) 的安装位置； 三、研究在大的背景噪声和强磁场干扰下，检测系统的抗干扰设计； 四、对金属裂纹声发射信号进行三种时频分析，比较各分析方法的优缺点，确定处 理金属裂纹声发射信号的时频方法； 7 转轮叶片裂纹声发采h 分号获取的技术基础研究 五、设计转轮模拟实验平台及检测系统的单独供电系统。 1 6 2 研究的意义 大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量贯穿裂纹，严重危及水电站运行 安全。对转轮叶片裂纹的产生和发展进行在线动态检测研究将是提高水电站运行安全的 重要措施。在大的背景噪声和强电磁场干扰下，检测由转动的转轮叶片产生裂纹时的声 发射信号并分析其特征，实现对裂纹产生的报警、裂纹产生位置的估计、裂纹发展趋势 的预估，进而对水轮机转轮安全性进行综合评估、提出维修报警，为研制可用于水电站 生产实际的转轮叶片裂纹检测系统奠定技术基础。 本章小结 本章主要介绍课题提出的背景；对声发射技术，转轮裂纹检测技术的发展现状进行 综述；总结目前电厂水轮机转轮裂纹的检测及处理方法：分析检测转轮叶片裂纹对检测 系统的要求，在此基础上设计检测系统总体方案：最后，阐述本课题的主要工作内容及 其意义。 转轮叶片裂纹声发惫h 分号获取的技术基础研究 第二章声发射传感器的选型及其安装 传感器是检测系统的首要环节。作为一个转轮叶片裂纹检测系统，首先必须要有原 始的被检测信号，然后才能进行数据处理和分析。因此，用于检测信号的传感器精度、 可靠性，将关系到检测系统的成败。声发射传感器在声发射技术的应用中占有十分重要 的地位。声发射检测需要通过传感器把声发射信号转换成电信号。现将声发射传感器选 型中用到的常见的传感器知识进行简单的介绍。 2 1 声发射传感器 2 1 1 工作原理 某些晶体在受力产生变形时，其表面出现电荷，而又在电场的作用下，晶片发生弹 性变形，这种现象称为压电效应【1 3 l 。常用声发射传感器的工作原理，基于晶体元件的压 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，送入信号处理器，完成 信号处理过程。 2 1 2 传感器的材料 压电材料多为非金属介电晶体，分为压电单晶材料、压电多晶材料、有机压电材料 等。压电单晶材料有石英晶体、铌酸锂、碘酸锂、硫酸锂等，其制成的传感器频率特性 较好，但灵敏度低，且随温度变化大，因此不常被采用。压电多晶材料有锆钛酸铅、钛 酸铅、钛酸钡等。其中压电陶瓷材料中锆钛酸铅( p z t - 5 ) 是目前最经常使用的压电材料， 其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项介电参数随温度时间等外界条件的变化相 对较小，制成的传感器灵敏度高，造价低廉。铌酸锂晶体居里点高达1 2 0 0 ，常用作高 温传感器。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但 由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。 2 1 3 传感器的分类 声发射传感器的种类很多【1 4 】【1 5 】，而且还在不断的涌现出大量的新型的声发射传感 器。目前常用的分类方法有主要有三种：按频率响应来分，可分为谐振式传感器( 窄带 9 广西大掌硕士掌位论文转轮叶片裂纹声发壶h 警号获取的技术基础研究 传感器) 和宽带传感器。谐振式传感器具有高灵敏度，频率响应范围相对较窄；宽带传 感器响应灵敏度低，响应灵敏度均匀平坦，频带较宽。按接触方式来分，可分为接触式 和非接触式。大多数声发射传感器是接触式的，即声发射传感器要与被测物体的表面接 触，非接触式声发射传感器在检测声发射信号时与被测物体不接触，主要用于回转或运 动构件的声发射信号检测。按工作原理来分，可分为压电型、电容型、光学型。其中， 常用的压电型又可分为：谐振式( 单端和差动式) 、宽频带式、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。本节的主要目的是通过对传感 器基础知识的介绍，阐明选择与检测对象相匹配的传感器方法。故按传感器工作原理分 类方法进行介绍，其主要类型、特点和适用范围如表2 1 所示。 表2 1 传感器的类型、特点和适用范围阁 l o 转轮叶片裂纹声发是h 警号获取的技术基础研究 2 2 声发射传感器的基本特性 传感器所测量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢， 称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。由于测量的参数不同，其 性能参数也不一样。一般地讲，传感器的特性可以通过它的静态和动态特性反映出来 【1 6 】【1 7 1 o 2 2 1 静态特性 ( 1 ) 线性度 。 线性度是指传感器的输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称为 非线性误差。如图2 - - 1 所示，其可用下式表示： e ：垒墼1 0 0 ( 2 1 ) y 盼 式中 一输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； k 输出满量程值。 i yjl 眵 彳 o ， yii 。广 o 一x yi 一 o y j o 一 “， j )f 搿) 图2 _ 1 传感器的线性度表示 f i g 2 1t h el i n e a r i t yo fs e n s o r ( 2 ) 灵敏度 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量与输入增量的比值，常用s 。来表示。 s , = 从a y ( 2 2 ) 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图2 - 2 ( a ) 所示，即： s 。：生丛 ( 2 3 ) 非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图2 - 2 ( b ) 所示，用垒表示传感器在某一 广西大掌硕士掌位论文 转轮叶，卜j 职纹声发壶h 分号获取的多沐基础研究 工作点的灵敏度。 ( a )( b ) 图2 _ _ 2 灵敏度定义 f i g 2 - 2t h ed e f i n i t i o no fs v n s i t i v i t y ( 3 ) 不重复性 不重复性是指在同一操作条件下，对输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量 ( 有的规定3 次) ，输出值的不一致程度。以3 次加载输出特性曲线在同一输入量时的最 大偏移量与最大输出量之比的百分数称为不重复误差。如图所示2 3 。 不重复性一般采用下式的极限误差式表示： e ，：堕1 0 0 ( 2 4 ) 式中 峨一。一与：一两数值之中的最大者； 。，一反行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差； 。：- - i e 行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差； 一满量程输出值。 ( 4 ) 迟滞( 回差滞环) 现象 图2 - _ 3 不重复性 f i g 2 3r e p e t i t i o n 1 2 钿， 转轮叶片裂纹声发射信号获取的技术基础研究 在相同的工作条件下，传感器在正( 输入量增大) 反( 输入量减小) 行程期间，输出一 输入特性曲线不重合的程度。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程 的输出信号大小不等。滞后特性如图2 4 所示。 图2 _ _ 4 迟滞现象 f i g 2 - 4h y s t e r e s i s 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用a m a x 表示，它与满量程输出值k 的比 值称为最大滞环率e 嗽，即 。 e 嘛= f a m a x 1 0 0 ( 5 ) 分辨率 - 传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化la x m m 。有时也 用该值相对满量程输入值的百分数尝粤1 0 0 表示。 ， o 府 ( 6 ) 稳定性 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描述稳定性。 所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始 标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。 影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 ( 7 ) 漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。 零点漂移又可分为时间漂移和温度漂移。零点时间漂移是指传感器在恒定的温度环 境中，零点或灵敏度随时间的缓慢变化特性，简称零漂。传感器的零漂一般按8 小时内 o 转轮叶片裂纹声裳囊h 篁号获取的多怜基础司柏宅 输出信号的变化来度量。 零点温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。般常用环境温度 变化1 0 。c 所引起的输出变化相对于最大输出的百分比表示。 灵敏度漂移是指传感器的灵敏度随温度的改变而变化，它反映温度变化对传感器输 出信号影响的大小。一般用温度每变化1 0 c 而引起的传感器灵敏度的相对变化来表示。 2 2 2 动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。换而言之，所谓传感器的 动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。一个动态特性好的传感器，其 随时间变化的输出量曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出输入具有相同类 型的时间函数。 动态特性是衡量传感器性能的一个重要方面。传感器动态特性取决于传感器本身， 另一方面也与被测量的形式有关。在实际研究中，通常根据标准输入信号的响应来考虑 传感器的响应特性。标准输入信号有两种：正弦信号和阶跃信号。传感器的动态特性分 析和动态标定都以这两种标准输入信号为依据。所以传感器的动态特性也常用阶跃响应 和频率响应来表示。对于任一传感器，只要输入量是时间的函数，则输出量也是时间的 函数。一般厂家给出的性能参数主要是静态特性，对于动态特性仅给出响应时间。 2 2 3 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的一致程度。非线性误差、不重复误 差及滞后误差这三项指标决定了传感器的精度，它反映了系统误差和随机误差的综合指 标。一般若已知这三项误差，就可以通过误差合成求出精确度。精度是用计算出的最大 误差和最小输出的百分比表示。 2 2 4 工作环境条件 一般给出的传感器工作环境条件参数是温度范围及湿度范围。在此范围内，能保证 传感器的各项性能指标在规定误差范围之内。 1 4 广西大粤u 页士学位戗咒幸簟薯仑 t - 片裂纹声发采h 警号获取的技术基础研究 2 2 5 响应速度 传感器的响应速度反映其动态特性，对于一阶传感器，一般用时间常数大小来表示。 时间常数小，表示动态响应好。 2 3 声发射传感器的选用原则 转轮叶片裂纹检测系统决定检测质量优劣的一个重要环节在于传感器的选择。市场 上声发射传感器的种类很多，而往往检测裂纹时有几种不同类型的传感器可选用，让用 户不知所措，因此正确合理地选用传感器十分重要。选用恰当就会使检测系统的工作准 确无误，同时成本合理。反之，就会给工作和经济上带来麻烦和损失。下面就选用声发 射传感器时应考虑的一些基本原则作一概略介绍。 1 、灵敏度 水电站电磁噪声较大，在满足灵敏度要求的情况下，尽量选用信噪比大的传感器。 2 、响应特性 传感器的响应总有一定的延迟，要求延迟时间越短越好。压电传感器的响应时间比 较快，可工作频率范围宽。 3 、线性范围 传感器工作在线性区内，是保证测量精度的基本条件。选用传感器时必须考虑金属 裂纹声发射信号的频率范围，令其非线性误差在允许限度以内。 4 、稳定性 影响传感器稳定性的因素是时间与环境。传感器安装在水轮机上，而水轮机的运行 时间很长，因此，要求传感器在长期工作而不需经常更换或校准的情况下，具有很好的 稳定性。 5 、精确度 传感器的精确度越高，价格越昂贵。因此，在考虑经济性的条件下，尽可能选用精 确度高的传感器。 对传感器的要求过于全面也是不合适的，因为上述的要求之间有些是相互关联的， 这一项要求提高了，另外一项的要求就会降低。所以在实际工作中可以从几个方面来考 虑传感器的选择，进行综合和平衡来达到满意的效果。总之，选择声发射传感器总的原 广西大学硕士掌位论文转轮叶片裂纹声发壶h 分号获取的技术j i 础研究 则是：在满足对传感器技术要求情况下，成本低廉、工作可靠及容易维修，即性价比要 高。 2 4 检测系统安装方法 2 4 1 声发射传感器的安装方法 声发射信号从声发射源传至材料表面，会发生衰减变形。在传播过程中，传播距离 越长，声发射信号的衰减就越大，其接收的信号就越弱。不同位置同种等级的传感器接 收到的声发射信号是经过不同程度的衰减信号，它们的幅度往往有较大的差别，为得到 比较真实的声发射信号，必须确定传感器的安装位置及方法。 对水轮机转轮进行检测时，安装传感器可以使用两种方法： ( 1 ) 胶粘剂粘接法 有些传感器底座本身不带磁性，所以传感器的安装需要借助外界的装置才能达到目 的。在实验中，由于美国p a c 公司所生产的r 1 5 a 、r 6 、w d 系列传感器本身不带磁性， 使用的安装方法是胶粘剂粘接法。所使用的是双面粘胶带( 也可以是“5 0 2 胶水、环 氧树脂胶等) ，但应注意，胶接面要平整光洁，并需按胶接工艺清洗胶接面。 ( 2 ) 磁铁座安装 为了方便测试，可用磁铁座安装，磁铁座的优点是不破坏被测物体，移动方便。实 验所用到的传感器中，s r l 5 0 a 具有磁铁座，此在实验中安装非常简便。 另外，传感器安装方式的不同，安装质量的差异，对传感器频响特性影响很大。因 此在应用中应注意：第一、要保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到 破坏，以避免横向灵敏度的产生。为此，安装接触面要求有高的平行度、平直度和低的 粗糙度( 平直度不低于0 0 1 3m n l ，表面粗糙度不超过r a = o 4 1 1 x m ) ；第二、声发射信号 在传播过程中所经过的各个表面，由于耦合的各对表面粗糙度不同，就会使耦合面间有 可能不完全接触，甚至使有的地方产生间隙。由于空气对声发射波的阻尼很大，且其自 身会产生反射，就使一部分声发射波丢失，为避免发生上述现象，需在接触面上涂适量 的耦合剂来消除接触面的间隙，以减少信号的丢失，常用的耦合剂有黄油、润滑脂及凡 士林等。在实验中，所用耦合剂为凡士林。图2 5 所示为实验中声发射传感器的安装 方法示意图。 1 6 广西大掌硕士掌位论文转轮叶片裂纹声发采h 分号获取的技术基础研究 ( a ) 胶粘剂粘接法( b ) 磁铁座安装 图2 5 声发射传感器的安装示意图 f i g 2 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fi n s t a l l a t i o nf o ra es e n s o i 2 4 2 检测系统的安装方法 混流式水轮机转轮的上端法兰一般都在水车室与大轴相连接，且在工作时，始终处 于旋转状态，故声发射裂纹检测系统可以采用如下两种安装方案：( 1 ) 传感器、检测系 统安装在转轮上端法兰，在水车室内完成检测；( 2 ) 传感器安装在转轮中心内孔，通过 中心孔引线至发电机层再完成检测。在水电站进行检修时安装系统，实施对转轮裂纹的 检测，并在下次停机