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机械设备故障诊断技术 声发射检测技术 北京科技大学机械工程学院黎敏阳建宏2020 1 24 概述声发射的理论基础声发射信号的检测与分析声发射在设备状态监测中的应用 主要内容 无损检测 NDT Non destructivetesting 就是利用声 光 磁和电等特性 在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下 检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性 给出缺陷的大小 位置 性质和数量等信息 进而判定被检对象所处技术状态 如合格与否 剩余寿命等 的所有技术手段的总称 背景介绍 无损检测方法 目视检测VisualTesting 缩写VT 超声检测UltrasonicTesting 缩写UT 射线检测RadiographicTesting 缩写RT 磁粉检测MagneticparticleTesting 缩写MT 渗透检测PenetratedTesting 缩写PT 声发射AcousticEmission 缩写AE 涡流检测EddycurrentTesting 缩写ET 泄漏检测LeakTesting 缩写LT 背景介绍 折断竹子发出的声音 撕报纸发出的声音 声发射技术概论 裂纹 分层 材料在外力作用下 形成裂纹 断裂 分层等形式的损伤时 也会发声 产生声发射信号 颗粒断裂 但这些信号很微弱 人耳听不到 必须借助先进的设备来检测 声发射技术概论 声发射 acousticemission 简称AE 是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂 以应力波形式释放出应变能的现象 应变能足够强 则人耳可以听到 许多金属材料的声及射信号强度很弱 人耳不能直接听见 需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来 什么是声发射 声发射源 如何产生声发射 起重机主梁裂纹检测 管道裂纹检测 声发射源的典型例子 储油罐漏油检测 变压器局部放电检测 声发射源的典型例子 50年代 德国人Kaiser发现Kaiser效应 50 70年代 实验室阶段 70 80年代 工程应用 90 本世纪初 迅速发展 广泛应用 声发射技术的发展 1 声发射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 而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供 2 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 3 由于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 4 可提供活性缺陷随载荷 时间 温度等外变量而变化的实时或连续信息 因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报 5 由于对被检件的接近要求不高 而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测 如高低温 核辐射 易燃 易爆及极毒等环境 声发射技术的优点 1 声发射特性对材料敏感 又易受到机电噪声的干扰 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 声发射检测一般需要适当的加载程序 多数情况下 可利用现成的加载条件 但还需要特作准备 3 由于声发射的不可逆性 实验过程的声发射信号不可能通过多次加载重复获得 因此 每次检测过程的信号获取是非常宝贵的 不可因人为疏忽而造成宝贵数据的丢失 声发射技术的局限 概述声发射的理论基础声发射信号的检测与分析声发射在设备状态监测中的应用 主要内容 声发射波的传播声发射波的衰减凯撒效应费利西蒂效应 声发射的理论基础 声发射波的传播形式 纵波横波表面波 瑞利波 板波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波 声发射波的传播 半无限体自由表面 如薄板 在固体介质中 声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式 它们传播到不同材料界面时 可产生反射 折射和模式转换 两种入射波除各自产生反射 或折射 纵波与横波外 在半无限体自由表面上 一定的条件下还可转换成表面波 厚度接近波长的薄板中又会发生板波 O 波源L 纵波S 横波R 表面波 声发射波的传播 在实际的声发射应用中 能够把检测对象看做无限大介质的情况不多 经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板 波在这种介质传播过程中在两个界面上发生多次反射 每次反射都要发生模式转换 这样传播的波称为循轨波 具有一定厚度的材料 O 波源L 纵波S 横波R 表面波 声发射波的传播 衰减就是信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小 衰减控制了声源距离的可检测性 压力容器衰减曲线 声发射波的频率越高 则衰减越严重 声发射波的衰减 引起声发射波衰减的原因 几何扩展衰减 由于声发射波从波源向各个方向扩展 从而随传播距离的增加 波阵面的面积逐渐扩大使面积上的能量逐渐减少 造成波的幅值下降 材料吸收衰减 波在介质中传播时 由于质点间的内摩擦和热传导等因素 部分波的机械能转换成热量等其他能量 使波的幅度随传播距离以指数式下降 散射衰减 波在传播过程中 遇到不均匀声阻抗界面时 发生波的不规则反射 使波源原传播方向上的能量减少 粗晶 夹杂 异相物 气孔等是引起散射衰减的主要材质因素 声发射波的衰减 传播衰减的大小 关系到每个传感器可监视的距离范围 在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素 在实际应用中 为减少衰减的影响而常采取的措施包括 减小传感器间距 声发射波衰减的抑制 声发射波的衰减 凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在1963年研究金属声发射特性时发现的 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 多数金属材料和岩石中 可观察到明显的凯赛尔效应 凯赛尔效应 在重复加载前 如产生新裂纹或其它可逆声发射机制 凯赛尔效应则会消失 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 也可以认为是反凯赛尔效应 重复加载时的声发射起始载荷P1对原先最大载荷P2之比P1 P2 称为费利西蒂比 P2 P1 费利西蒂效应 费利西蒂比大于1表示凯塞效应成立 而小于1则表示费利西蒂效应成立 费利西蒂比作为一种定量参数 较好地反映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 一般情况下 费利西蒂比越小 表示原先所受损伤或结构缺陷越严重 树脂基复合材料等粘弹性材料 由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效 在一些复合材料构件中 费利西蒂比小于0 95作为声发射源超标的重要判据 费利西蒂比 P1 P2 费利西蒂效应 概述声发射的理论基础声发射信号的检测与分析声发射在设备状态监测中的应用 主要内容 声发射检测的基本原理是由外部条件 力 热 电 磁等 的作用而使物体产生并发射声信号 接收这些信号 加以处理 分析和研究 推断材料内部状态或缺陷性质和状态变化的信息 声发射检测的基本原理 声发射的检测 传感器分类 光学型 电容型 压电型 谐振式 单端谐振型 宽频带式 锥型式 高温式 前方内置式 空气耦合式 可转动式 声发射传感器 分类 某些晶体受力产生变形时 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 常用声发射传感器的工作原理 基于晶体元件的压电效应 将声发射波引起的被检件表面振动转换为电压信号 送入信号处理器 完成信号处理过程 声发射传感器 原理 单端谐振式AE传感器 声发射传感器一般由壳体 保护膜 压电元件 连接导线及高频插座组成 将压电元件的负电极面用导电胶粘贴在底座上 另一面焊出一根很细的引线与高频插座的芯线连接 外壳接地 压电元件通常采用锆钛酸铅陶瓷晶片 起到声电转换作用 压电晶片两表面镀上银膜 起到电极作用 保护膜起到保护晶片及传感器与被检体之间的电绝缘作用 金属外壳对电磁干扰起着屏蔽作用 声发射传感器 原理 传感器的原则应根据被检测声发射信号来确定 首先是了解别检测声发射的频率范围和幅度范围 然后选择对有效声发射信号灵敏的传感器 声发射传感器 选择 利用耦合剂涂抹传感器底部后 再通过磁座方式进行安装固定 使用耦合剂的原因 填充接触面之间的微小空隙 通过耦合剂的过渡作用 使传感器与检测面之间的声阻抗差减小 从而减少能量在此界面的反射损失 起到润滑的作用 减少接触面间的摩擦 声发射传感器 安装 使用直径为0 5mm的HB或2B铅芯与构件表面成30 夹角 铅芯的伸长量为2 5mm左右 铅芯在距离传感器30mm内折断 散点的幅值应在95dB左右 铅芯常常需要折断3 4次 一根铅芯开始的和最后的几次折断不应作为标准 声发射传感器 标定 1 声发射和振动传感器工作原理的区别 测量原理声发射传感器 压电材料直接粘在金属外壳上 只要外壳微小变形 在压电材料检测范围内就能转成电压 所以信号的方向没有关系 压电式加速度传感器 壳体随物体一起振动 具有加速度的质量块作用给压电晶体一个随加速度变化的力 压电晶体输出随被测体加速度大小变化的电压量 所以 电压量与传感器的安装位置相关 压电材料声发射压电材料多为非金属介电晶体 常用灵敏度高的锆钛酸铅 PZT 5 作为压电材料 压电式加速度传感器常用石英和压电陶瓷作为压电材料 其灵敏度不及锆钛酸铅 声发射检测与振动检测的比较 单端谐振式AE传感器 压电式振动传感器 1 声发射和振动传感器工作原理的区别 两种传感器都是基于压电效应原理实现将被检件的变化转换成电压信号 由于声发射传感器相对振动传感器使用更灵敏的压电材料 压电晶体上没有放置质量块 声发射传感器能测量更加微弱的信号声发射传感器的安装没有方向性 声发射检测与振动检测的比较 2 声发射和振动信号源区别 声发射是材料局部能量的快速释放而发生瞬态应力波 材料在应力作用下的变形与裂纹扩展是失效的重要机制 这是传统意义上或典型的声发射源 近年来 流体泄露 摩擦 撞击等于变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源 也划到声发射源范畴 成为其他声发射源或二次声发射源 声发射信号都是高频信号 一般都在几十千赫兹以上 振动信号是物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动所产生的信号 一般只有几十赫兹甚至更低 声发射检测与振动检测的比较 3 声发射相对振动的优势 声发射技术可以用于低速 变速和非整周期旋转机构的故障诊断 低速 变速和非整周期旋转机构的振动信号通过振动分析方法无法找到故障频率 从而无法评价机构的运行状态 但可以利用声发射信号的特征参数分析方法分析并预测机构的运行状态 声发射检测技术能发现早期故障 由于声发射传感器能接收到更加微弱的信号 同时声发射信号的高频特性 排除了很多环境噪声 使得声发射能比振动更早的发现故障 声发射检测与振动检测的比较 3 声发射相对振动的优势 声发射在润滑脂污染检测中比振动更有效 声发射利用幅值检测污染 存在污染时幅值变化很大 而振动信号对污染变化很小 同种工况下 声发射比振动更有效 转子裂纹是比较严重的故障 通常使用振动分析的手段对其进行诊断 但是振动分析方法对于转子早期裂纹的检测并不理想 倘若转子产生疲劳裂纹并扩展 则产生声发射信号 因此声发射检测方法被应用到转子早期裂纹故障的检测 声发射检测与振动检测的比较 声发射信号类型 目前人为的将声发射信号分为突发型和连续型 如果大量的声发射事件同时发生 且在时间上不可分辨 这些信号就叫做连续型声发射信号 一般流体泄露 金属塑性变形等都是连续型信号 声发射信号分析 撞击计数振铃计数幅度能量计数上升时间持续时间有效值电平平均信号电平 声发射信号分析 撞击 超过门槛并使某一个通道获取数据的任何信号称之为一个撞击 它反映了声发射活动的总量和频度 常用于声发射活动性评价 事件 同一个撞击被多个通道同时检测到并能进行定位 计数 超过门槛信号的振荡次数 用于声发射活动性评价 事件计数的大小反映了与材料内部损伤 断裂源的多少有关 事件计数率 单位事件事件计数 声发射信号分析 声发射信号分析 声发射信号分析 声发射信号分析 声发射源定位 为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置 可以将几个压电传感器按一定的几何关系放置在固定点上 组成传感器阵在检测过程中可以根据各个声发射传感器检测到的声发射信号的特征参数来确定或计算声发射源的位置 声发射源的定位 需由多通道声发射仪器来实现 也是多通道声发射仪最重要的功能之一 声发射信号分析 连续信号源定位 主要用于压力泄露源的定位 这里我们着重讨论突发信号定位 声发射信号分析 声发射源定位 区域定位 是一种处理速度快 简便而又粗略的定位方式 主要用于复合材料等由于声发射频度过高或传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位的场合 区域定位主要包含两种方式 1 独立通道定位方式2 按信号到达顺序定位 声发射信号分析 声发射源定位 时差定位当用两个或多个传感器进行声发射检测时 各传感器接收到来自声发射源的时间是不一样的 所以可以通过时差确定出声发射源的位置 常用时差定位方法 1 线定位2 平面定位3 三维立体定位 声发射信号分析 声发射源定位 线定位 当被检测物体的长度与半径之比非常大时 易采用线定位进行声发射检测 如管道 棒材 钢梁等 时差线定位至少需要两个声发射探头 到达1号探头的时间为t1 到达2号探头的时间为t2 因此 该信号到达两个探头之间的时差为 t t2 t1 如以D表示两个探头之间的距离 以V表示声波在试样中的传播速度 则声发射源距1号探头的距离d可由下式得出 1 2 声发射信号分析 时差定位 D d 二维定位至少需要三个传感器和两组时差 但为得到单一解一般需要四个传感器三组时差 传感器阵列可以任意选择 但为运算简便 常采用简单阵列形式 如方形 菱形等 就原理而言 波源的位置均为两组或三组双曲线的交点确定 2 平面定位 声发射信号分析 时差定位 3 三维立体定位 三维立体定至少需要4个传感器 建立一个三维的坐标系 以四只传感器中T2为基准 测量其它三只传感器与基准信号的时间差 假设声发射信号在该三维空间的传播速度已知为恒定值 根据空间的几何关系列方程得出声源到各个传感器的距离差 进而计算出声源的相对空间坐标 三维定位用于混凝土结构 岩石大型变压器局部放电检测 声发射信号分析 时差定位 概述声发射的理论基础声发射信号的检测与分析声发射在设备状态监测中的应用 主要内容 振动测量在设备故障诊断中应用最为广泛 声发射传感器可以检测到材料表面10 14m的微小振动 声发射检测到的也是一种振动信号 机械设备中的声发射现象 运动副间的接触并发生相对运动而产生声发射 轴承 机械设备中的声发射现象 新5 高炉上料主皮带轴承检测 应用 1 轴承故障识别 北传动西侧轴承 应用 1 轴承故障识别 穿带辊西侧轴承 应用 1 轴承