声发射传感器

1、 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用 主要内容主要内容 无损检测无损检测 NDT NDT （Non-destructive testingNon-destructive testing），就是利用声、），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，匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数

2、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。寿命等）的所有技术手段的总称。 背景介绍背景介绍 无损检测方法无损检测方法 l目视检测目视检测 Visual Testing Visual Testing （缩写（缩写 VTVT） l超声检测超声检测 Ultrasonic TestingUltrasonic Testing（缩写（缩写 UTUT） l射线检测射线检测 Radiographic TestingRadiographic Testing（缩写（缩写 RTRT） l磁粉检测磁粉检测 Magnetic

3、particle TestingMagnetic particle Testing（缩写（缩写 MTMT） l渗透检测渗透检测 Penetrated Testing Penetrated Testing （缩写（缩写 PTPT） l声发射声发射 Acoustic Emission(Acoustic Emission(缩写缩写 AE) AE) l涡流检测涡流检测Eddy current Testing Eddy current Testing （缩写（缩写 ETET） l泄漏检测泄漏检测 Leak TestingLeak Testing（缩写（缩写 LTLT） 背景介绍背景介绍 折断竹子发出的声

4、音折断竹子发出的声音 撕报纸发出的声音撕报纸发出的声音 声发射技术概论声发射技术概论 裂纹裂纹 裂纹裂纹 分层分层 材料在外力作用下，形成裂纹、断裂、分层等形式的损伤时，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！也会发声，产生声发射信号！ 颗粒断裂颗粒断裂 但这些信号很微弱，人耳听不到，必但这些信号很微弱，人耳听不到，必 须借助先进的设备来检测须借助先进的设备来检测 声发射技术概论声发射技术概论 声发射（声发射（acoustic emission，简称，简称AE）是指材料或结）是指材料或结 构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释构受外力或内力作

5、用产生变形或断裂，以应力波形式释 放出应变能的现象。放出应变能的现象。 应变能足够强，则人耳可以听到。应变能足够强，则人耳可以听到。 许多金属材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直许多金属材料的声发射信号强度很弱，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。接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。 AE System 应力波应力波 什么是声发射？什么是声发射？ 结构材料源结构材料源 塑性变形塑性变形 相变相变 亚临界裂纹扩展亚临界裂纹扩展 其他源其他源 压力泄漏压力泄漏 摩擦及磨损摩擦及磨损 裂纹面闭合与摩擦裂纹面闭合与摩擦 撞击撞击 磁畴壁运动磁畴壁运动 燃烧燃烧 沸腾沸腾 凝

6、固与熔化凝固与熔化 氧化膜、锈皮和熔渣开裂氧化膜、锈皮和熔渣开裂 声声 发发 射射 源源 如何产生声发射？如何产生声发射？ 起重机主梁裂纹检测起重机主梁裂纹检测管道裂纹检测管道裂纹检测 声发射源的典型例子声发射源的典型例子 储储 油油 罐罐 油面油面 传传 感感 器器 腐蚀点腐蚀点 传感器传感器 传传 感感 器器 储油罐漏油检测储油罐漏油检测变压器局部放电检测变压器局部放电检测 声发射源的典型例子声发射源的典型例子 5050年代年代: :德国人德国人KaiserKaiser发现发现KaiserKaiser效应效应 50-7050-70年代年代: : 实验室阶段实验室阶段 70-8070-80年

7、代：工程应用年代：工程应用 90-90-本世纪初本世纪初: : 迅速发展、广泛应用迅速发展、广泛应用 声发射技术的发展声发射技术的发展 l美国物理声学公司一美国物理声学公司一PAC公司作为声发射技术领导者、世界著名生产商，公司作为声发射技术领导者、世界著名生产商， PAC公司有完整的、系统化的声发射产品生产线。其声发射产品占全球声发公司有完整的、系统化的声发射产品生产线。其声发射产品占全球声发 射市场的射市场的85%以上。声发射系统是以上。声发射系统是PAC公司主导产品之一。完整的声发射系公司主导产品之一。完整的声发射系 统包括：声发射卡、声发射主机、声发射传感器、声发射前置放大器、声发统包括

8、：声发射卡、声发射主机、声发射传感器、声发射前置放大器、声发 射处理软件，其核心部件包括声发射卡，采集分析软件、传感器和前置放大射处理软件，其核心部件包括声发射卡，采集分析软件、传感器和前置放大 器。器。PAC公司声发射产品依据其声发射卡型号不同而构成三个声发射系统。公司声发射产品依据其声发射卡型号不同而构成三个声发射系统。 即：即：DiSP系统系统、SAMOS系统系统 、PCI-2系统系统。三个系统的采集卡均采用标准。三个系统的采集卡均采用标准 PCI总线技术，并由先进的表面封装设备（总线技术，并由先进的表面封装设备（SMD）制造的多层高密度卡。最）制造的多层高密度卡。最 近公司又研制出近公

9、司又研制出ARB-1410卡卡采用标准的采用标准的PCI总线总线,14位位A/D,速度为速度为 100MSample/sec的任意波形发生卡的任意波形发生卡.同时同时,此卡使用专用的此卡使用专用的WaveGen1410软件软件, 可以产生各种类型的波形可以产生各种类型的波形. PAC公司的声发射产品广泛应用于压力容器检测、公司的声发射产品广泛应用于压力容器检测、 管道检测管道检测、航空航天材料检测航空航天材料检测、起重设备检测起重设备检测、铁路罐车检测铁路罐车检测、桥梁检测桥梁检测、 贮罐检测、金属材料检测、贮罐检测、金属材料检测、复合材料检测复合材料检测、陶瓷检测、水泥构件检测、岩石、陶瓷检

10、测、水泥构件检测、岩石 及电器产品等检测。及电器产品等检测。 lPAC公司拥有世界上领先的声发射研究中心（公司拥有世界上领先的声发射研究中心（RD）及最优秀的专家，为不）及最优秀的专家，为不 同行业开发了解决工程问题的专家系统同行业开发了解决工程问题的专家系统:VPAC（阀门定量泄漏检测声发射专（阀门定量泄漏检测声发射专 家系统）家系统）、MONPAC(压力容器检测声发射专家系统）压力容器检测声发射专家系统）、TANKPAC（油（油 罐罐底腐蚀状况声发射在线检测专家系统）罐罐底腐蚀状况声发射在线检测专家系统）、CORPAC（工业结构中局部（工业结构中局部 腐蚀状况声发射在线监控系统）腐蚀状况声

11、发射在线监控系统）、PDDPAC（变压器局部放电声发射检测专（变压器局部放电声发射检测专 家系统）。家系统）。 l声发射系统在如下领域应用：声发射系统在如下领域应用： lTraditional Material Testing(声发射对传统材料的检测声发射对传统材料的检测) Advanced Composite Material Testing (声发射对高级复合材料的检测声发射对高级复合材料的检测) Fatigue Testing(声发射在疲劳测试中应用声发射在疲劳测试中应用) Pressure Vessel (Metal & FRP) Safety Verification (声发射对金属

12、及玻璃钢压力容器安全检测声发射对金属及玻璃钢压力容器安全检测) Cryogenic Vessel Testing(声发射应用于低温容器检测声发射应用于低温容器检测) Sphere Testing(声发射对球罐的检测）声发射对球罐的检测） Storage Tank Integrate Verification(声发射对储罐完整性的检测声发射对储罐完整性的检测) Tank Bottom Condition Assessment(声发射对罐底状况的评价声发射对罐底状况的评价) Quantitative Gas Valve Leak Detection (声发射对气体阀门泄漏定量检测声发射对气体阀门泄

13、漏定量检测) Tube Trailer Testing Rail Road Tank Car Testing(声发射对铁路罐车的检测）声发射对铁路罐车的检测） Corrosion Detection(声发射腐蚀检测声发射腐蚀检测) Buried Pipeline Leak Detection(声发射对埋地管道检测声发射对埋地管道检测) Concrete Testing(声发射对混凝土检测声发射对混凝土检测) Rock Testing(声发射对岩石检测声发射对岩石检测) Bridge and Infrastructure Testing(声发射对桥梁及地基检测声发射对桥梁及地基检测) Parti

14、al Discharge Detection of Transformers and Gas Insulated Station (声发射应用于变压器及声发射应用于变压器及 GIS局部放电检测局部放电检测) Power Plant Steam Pipeline and Boiler Leak Detection(声发射对电站蒸气管道及锅炉泄漏的检测声发射对电站蒸气管道及锅炉泄漏的检测) Aerial Lifting Device Testing(声发射对吊车设备检测声发射对吊车设备检测) Aging Aircraft Testing(声发射对老化飞机结构的检测声发射对老化飞机结构的检测) Ai

15、rcraft & Aerospace Structure and Fatigue Testing (声发射应用于飞机及宇航结构疲劳检测声发射应用于飞机及宇航结构疲劳检测) Hard Disk Drive Contact Start/Stop Testing(声发射用于硬盘驱动器检测声发射用于硬盘驱动器检测) Tool Wear and Tool Breakage Detection (声发射对工具磨损及断裂监测声发射对工具磨损及断裂监测) Welding Processing Monitoring(声发射在焊接过程监测声发射在焊接过程监测) Bearing and Gear Condition

16、 Monitoring(声发射对轴承及齿轮的监测声发射对轴承及齿轮的监测) Process Diagnosis(声发射用于过程诊断声发射用于过程诊断) l北京声华兴业科技有限公司是专业的无损检测仪器生产商。公司北京声华兴业科技有限公司是专业的无损检测仪器生产商。公司 从事声发射检测仪、管道泄漏检测仪、超声波探伤仪、超声波测从事声发射检测仪、管道泄漏检测仪、超声波探伤仪、超声波测 厚仪，超声波液位计等声学测试仪器的研发、生产和技术应用服厚仪，超声波液位计等声学测试仪器的研发、生产和技术应用服 务。本公司生产的产品广泛应用于压力容器、机械加工、隧道桥务。本公司生产的产品广泛应用于压力容器、机械加工

17、、隧道桥 梁、矿山设备、各种材料断裂等方面的无损检测和测试。梁、矿山设备、各种材料断裂等方面的无损检测和测试。 l 北京声华兴业科技有限公司于北京声华兴业科技有限公司于2007年自主研发出年自主研发出USB2.0接口接口 的多通道声发射检测仪，并于当年在美国加州第六届世界声发射的多通道声发射检测仪，并于当年在美国加州第六届世界声发射 会议和第十五届美国声发射会议上发布世界上第一台多通道会议和第十五届美国声发射会议上发布世界上第一台多通道 USB2.0接口的声发射检测仪产品。自接口的声发射检测仪产品。自1998年声华科技研发出第一年声华科技研发出第一 台台PCI多通道数字声发射系统多通道数字声发

18、射系统E98至今，我们从未停止过对于声至今，我们从未停止过对于声 发射前沿技术研究和产品创新的追求。发射前沿技术研究和产品创新的追求。 l 北京声华兴业科技有限公司于北京声华兴业科技有限公司于2006年自主研发出第一代超声年自主研发出第一代超声 波测厚仪，目前已经拥有穿透涂层功能的超声波测厚仪、高精度波测厚仪，目前已经拥有穿透涂层功能的超声波测厚仪、高精度 大量程超声波测厚仪等系列各型号的超声波测厚仪产品。大量程超声波测厚仪等系列各型号的超声波测厚仪产品。 l 北京声华兴业科技有限公司于北京声华兴业科技有限公司于2008年开发出第一代年开发出第一代SUFD1型型 超声波探伤仪，目前已经拥有超声

19、波探伤仪，目前已经拥有2个系列个系列6各型号的超声波探伤仪。各型号的超声波探伤仪。 l 北京声华兴业科技有限公司于北京声华兴业科技有限公司于2009年年5月研制成功管道泄漏月研制成功管道泄漏 检测定位系统，目前产品分为用于现场快速定位的管道泄漏检测检测定位系统，目前产品分为用于现场快速定位的管道泄漏检测 仪，以及管网在线长期监测用途的管道泄漏检测系统。仪，以及管网在线长期监测用途的管道泄漏检测系统。 （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）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测试物体本身，而不是象超声或射线

20、探伤方法一样由无损检测 仪器提供；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）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；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）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。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）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；坏预报； （5

21、）由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不）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；等环境； 声发射技术的优点声发射技术的优点 (1) (1) 声发射特性对材料敏感，又易受到机电噪声的干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；场检测经验； (2) (2) 声发射检测一般需要适当的加载程序。多数情况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

22、成的加载条件，但还需要特作准备；下，可利用现成的加载条件，但还需要特作准备； (3)(3)由于声发射的不可逆性，实验过程的声发射信号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。成宝贵数据的丢失。 声发射技术的局限声发射技术的局限 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用 主要内容主要内容 声发射

23、波的传播声发射波的传播 声发射波的衰减声发射波的衰减 凯撒效应凯撒效应 费利西蒂效应费利西蒂效应 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射波的传播形式：声发射波的传播形式： l纵波纵波 l横波横波 l表面波（瑞利波）表面波（瑞利波） l板波（板波（在板厚与波长相当的薄板中传播的波）在板厚与波长相当的薄板中传播的波） 声发射波的传播声发射波的传播 半无限体自由表面半无限体自由表面：（如薄板）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。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。它们传播到不同材料界面时，可产

24、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。薄板中又会发生板波。 O-O-波源波源 L-L-纵波纵波 S-S-横波横波 R-R-表面波表面波 声发射波的传播声发射波的传播 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，波在这种介情况不多，经常遇到的是像高压容器

25、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。式转换。这样传播的波称为循轨波。 具有一定厚度的材料：具有一定厚度的材料： O-O-波源波源 L-L-纵波纵波 S-S-横波横波 R-R-表面波表面波 声发射波的传播声发射波的传播 衰减就是信号的衰减就是信号的 幅值随着离开声源距幅值随着离开声源距 离的增加而减小。衰离的增加而减小。衰 减控制了声源距离的减控制了声源距离的 可检测性。可检测性。 压力容器衰减曲线压力容器衰减曲线 声发射波的频率越声发射波的频率越 高，则衰减越

26、严重高，则衰减越严重 声发射波的衰减声发射波的衰减 引起声发射波衰减的原因：引起声发射波衰减的原因： l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。少，造成波的幅值下降。 l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

27、度随传播距离以指数式下降。度随传播距离以指数式下降。 l散射衰减：波在传播过程中，遇到不均匀声阻抗界面时，发生散射衰减：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、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。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。

28、在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的键因素。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。措施包括：减小传感器间距。 声发射波衰减的抑制：声发射波衰减的抑制： 声发射波的衰减声发射波的衰减 凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在19631963年研究金年研究金 属声发射特性时发现的。材料被重新加载期间，在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号。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛 尔效应。尔效应。 凯赛尔

29、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。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。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重复加载时的声发射起始载荷P1P1对原先最大载荷对原先最大载荷P2P2之比之比P1/P2,P1/P2, 称为费利西蒂比。称为费利西蒂比。 P2P1 费利西蒂效应费利西蒂效应 P2P1 费利西

30、蒂比大于费利西蒂比大于1表示凯塞效应成立，表示凯塞效应成立， 而小于而小于1则表示费利西蒂效应成立。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的严重程度，已成为缺陷严重性的重要 评定判据。评定判据。 一般情况下，费利西蒂比越小，表示一般情况下，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变对应

31、力的迟后效应而使其应用更为有 效。效。 在一些复合材料构件中，费利西蒂比在一些复合材料构件中，费利西蒂比 小于小于0.95作为声发射源超标的重要判据。作为声发射源超标的重要判据。 费利西蒂比费利西蒂比 = P1 / P2 费利西蒂效应费利西蒂效应 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用 主要内容主要内容 分析研究分析研究 声发射源声发射源材料中传播材料中传播 传感器耦合传感器耦合 传感器传感器 前置放大器前置放大器 声发射采集声发射采集信号处理信号处理数据显示数据显示 声发射检测的基本原

32、理是由外部条件声发射检测的基本原理是由外部条件( (力、热、电、磁等力、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。的信息。 声发射检测的基本原理：声发射检测的基本原理： 声发射的检测声发射的检测 传感器分类：传感器分类： 光学型光学型 电容型电容型 压电型压电型谐振式（单端谐振型）谐振式（单端谐振型） 宽频带式宽频带式 锥型式锥型式 高温式高温式 前方内置式前方内置式 空气耦合式空气耦合式 可转动式

33、可转动式 声发射传感器声发射传感器分类分类 某些晶体受力产生变形时，其表面出现电荷，而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。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。电压信号，送入信号处理器，完成信号处理过程。 声发射传感器声发射传感器原理原理 单端谐振式单端谐振式AE传感器传感器 l 声发

34、射传感器一般由壳体、保护膜、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。压电元件、连接导线及高频插座组成。 l 将压电元件的负电极面用导电胶粘贴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。线与高频插座的芯线连接，外壳接地。 l 压电元件通常采用锆钛酸铅陶瓷晶片，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到保护晶片及传感器与被检

35、体之间的 电绝缘作用，金属外壳对电磁干扰起电绝缘作用，金属外壳对电磁干扰起 着屏蔽作用。着屏蔽作用。 声发射传感器声发射传感器原理原理 传感器的原则应根据被检测声发射信号来确定。传感器的原则应根据被检测声发射信号来确定。 首先是了解检测声发射的频率范围和幅度范围，然首先是了解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。后选择对有效声发射信号灵敏的传感器。 声发射传感器声发射传感器选择选择 利用耦合剂涂抹传感器底部后，再通过磁座方式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。进行安装固定。 使用耦合剂的原因：使用耦合剂的原因： 填充接触面之间的微小空隙；

36、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。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。起到润滑的作用，减少接触面间的摩擦。 声发射传感器声发射传感器安装安装 使用直径为使用直径为0.5mm的的HB或或2B铅芯与构件表面成铅芯与构件表面成30 夹角，铅芯的伸长量为夹角，铅芯的伸长量为2.5mm左右，铅芯在距离传感左右，铅芯在距离传感 器器30mm内折断，散点的幅值应在内折断，散点的幅值应在95dB左右。左右。 铅芯常常需要折断铅芯常常需

37、要折断34次。一根铅芯开始的和最后的次。一根铅芯开始的和最后的 几次折断不应作为标准。几次折断不应作为标准。 声发射传感器声发射传感器标定标定 （1）声发射和振动传感器）声发射和振动传感器工作原理工作原理的区别的区别 l 测量原理测量原理 n 声发射传感器声发射传感器：压电材料直接粘在金属外壳压电材料直接粘在金属外壳 上，只要外壳微小变形上，只要外壳微小变形，在压电材料检测范在压电材料检测范 围内就能转成电压，所以信号的方向没有关围内就能转成电压，所以信号的方向没有关 系。系。 n 压电式加速度传感器压电式加速度传感器：壳体随物体一起振动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

38、个随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。感器的安装位置相关。 l 压电材料压电材料 n 声发射声发射压电材料多为非金属介电晶体，常用压电材料多为非金属介电晶体，常用 灵敏度高的锆钛酸铅（灵敏度高的锆钛酸铅（PZT-5）作为压电材）作为压电材 料。料。 n 压电式加速度传感器常用石英和压电陶瓷作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。为压电材料，其灵敏度不及锆钛酸铅。 声发射检测与振动

39、检测的比较声发射检测与振动检测的比较 单端谐振式单端谐振式AE传感器传感器 压电压电式式振动振动传感器传感器 （1）声发射和振动传感器）声发射和振动传感器工作原理工作原理的区别的区别 l 两种传感器都是基于压电效应原理实现将被检件的变化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。转换成电压信号。 l 由于声发射传感器相对振动传感器使用更灵敏的压电材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，料、压电晶体上没有放置质量块， l 声发射传感器能测量更加微弱的信号声发射传感器能测量更加微弱的信号 l 声发射传感器的安装没有方向性。声发射传感器

40、的安装没有方向性。 声发射检测与振动检测的比较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和振动信号源区别 l 声发射是材料局部能量的快速释放而发生瞬态声发射是材料局部能量的快速释放而发生瞬态应力应力波，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，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。这是传统意义上或典型的声发射源。 l 近年来，流体泄露、摩擦、撞击等于变形和断裂机制无近年来，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，成直接关系的另一类弹性波源，也划到声发射源范畴，成 为其

41、他声发射源或二次声发射源。为其他声发射源或二次声发射源。 l 声发射信号都是高频信号，一般都在几十千赫兹以上。声发射信号都是高频信号，一般都在几十千赫兹以上。 l 振动信号是物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运振动信号是物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运 动所产生的信号动所产生的信号，一般只有几十赫兹甚至更低。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相对振动的优势 l 声发射技术可以用于低速、变速和非整周期旋转机构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的故障诊

42、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。参数分析方法分析并预测机构的运行状态。 l 声发射检测技术能发现早期故障。由于声发射传感器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

43、障。的发现故障。 声发射检测与振动检测的比较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相对振动的优势 l 声发射在润滑脂污染检测中比振动更有效。声发射利用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。对污染变化很小。同种工况下，声发射比振动更有效。 l 转子裂纹是比较严重的故障，通常使用振动分析的手段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对其进行诊断，但是振动分析方法对

44、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声发射信号，因此声发射检测方法被应用到转子早期早期裂裂 纹故障的检测。纹故障的检测。 声发射检测与振动检测的比较声发射检测与振动检测的比较 声发射信号类型声发射信号类型 目前人为的将声发射信号分为突发型和连续型。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，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，金属塑这些信号就叫做连续型声发射信号。

45、一般流体泄露，金属塑 性变形等都是连续型信号。性变形等都是连续型信号。 声发射信号分析声发射信号分析 撞击计数撞击计数 振铃计数振铃计数 幅度幅度 能量计数能量计数 上升时间上升时间 持续时间持续时间 有效值电平有效值电平 平均信号电平平均信号电平 声发射信号分析声发射信号分析 撞击：超过门槛并使某一个通撞击：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。它反映了声发射活一个撞击。它反映了声发射活 动的总量和频度，常用于声发动的总量和频度，常用于声发 射活动性评价。射活动性评价。 事件：同一个撞击被多个通道事件：同一个撞击被多个通道 同时检测到并能进行定

46、位同时检测到并能进行定位. . 计数：超过门槛信号的振荡次计数：超过门槛信号的振荡次 数，用于声发射活动性评价。数，用于声发射活动性评价。 0200400600800100012001400160018002000 0 50 100 150 200 250 300 as-recieved TBCs AE event cout/N Loading time/s 事件计数的大小反映了事件计数的大小反映了 与材料内部损伤、断裂与材料内部损伤、断裂 源的多少有关。源的多少有关。 事件计数率事件计数率 （单位时间事件计数）（单位时间事件计数） 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途特点

47、和用途 撞击和撞击撞击和撞击 计数计数 超过门槛并使某一通道获取数超过门槛并使某一通道获取数 据的任何信号称之为一个撞击。据的任何信号称之为一个撞击。 所测得的撞击个数，可分为总所测得的撞击个数，可分为总 计数、计数率计数、计数率 反映声发射活动的总量和频度，反映声发射活动的总量和频度， 常用于声发射活动性评价常用于声发射活动性评价 事件计数事件计数 产生声发射的一次材料局部变产生声发射的一次材料局部变 化称之为一个声发射事件。可化称之为一个声发射事件。可 分为总计数、计数率。分为总计数、计数率。 反映声发射事件的总量和频度，反映声发射事件的总量和频度， 用于源的活动性和定位集中度评用于源的活

48、动性和定位集中度评 价，与材料内部损伤、断裂源的价，与材料内部损伤、断裂源的 多少有关多少有关 幅度幅度 信号波形的最大振幅值，通常信号波形的最大振幅值，通常 用用dBaedBae表示（传感器输出表示（传感器输出1 1V V 为为0dB0dB） 与事件大小有直接的关系，直接与事件大小有直接的关系，直接 决定事件的可测性，常用于波源决定事件的可测性，常用于波源 的类型鉴别、强度及衰减的测量的类型鉴别、强度及衰减的测量 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途特点和用途 能量计数能量计数 信号检波包络线下的面积，信号检波包络线下的面积， 可分为总计数和计数率可分为总计数和计数率 反

49、映事件的相对能量或强度。对门反映事件的相对能量或强度。对门 槛、工作频率和传播特性不甚敏感，槛、工作频率和传播特性不甚敏感， 可取代振铃计数，也用于波源的类可取代振铃计数，也用于波源的类 型鉴别型鉴别 振铃计数振铃计数 当一个事件撞击传感器时，当一个事件撞击传感器时， 使传感器产生振铃。越过门使传感器产生振铃。越过门 槛信号的振荡次数，可分为槛信号的振荡次数，可分为 总计数和计数率总计数和计数率 信号处理简便，适于两类信号，又信号处理简便，适于两类信号，又 能粗略反映信号强度和频度，因而能粗略反映信号强度和频度，因而 广泛用于声发射活动性评价，但受广泛用于声发射活动性评价，但受 门槛值大小的影

50、响门槛值大小的影响 持续时间持续时间 信号第一次越过门槛至最终信号第一次越过门槛至最终 降至门槛所经历的时间间隔，降至门槛所经历的时间间隔， 以以s s表示表示 与振铃计数十分相似，但常用于特与振铃计数十分相似，但常用于特 殊波源类型和噪声的鉴别殊波源类型和噪声的鉴别 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途特点和用途 上升时间上升时间 信号第一次越过门槛至最信号第一次越过门槛至最 大振幅所经历的时间间隔，大振幅所经历的时间间隔， 以以s s表示表示 因受传播的影响而其物理意义变得因受传播的影响而其物理意义变得 不明确，有时用于机电噪声鉴别不明确，有时用于机电噪声鉴别 有效值电

51、压有效值电压采样时间内，信号的均方采样时间内，信号的均方 根值，以根值，以V V表示表示 与声发射的大小有关，测量简便，与声发射的大小有关，测量简便， 不受门槛的影响，适用于连续型信不受门槛的影响，适用于连续型信 号，主要用于连续型声发射活动性号，主要用于连续型声发射活动性 评价评价 平均信号电平平均信号电平采样时间内，信号电平的采样时间内，信号电平的 均值，以均值，以DbDb表示表示 提供的信息和用途与提供的信息和用途与RMSRMS相似，对幅相似，对幅 度动态范围要求高而时间分辩率要度动态范围要求高而时间分辩率要 求不高的连续型信号，尤为有用。求不高的连续型信号，尤为有用。 也用于背景噪声水

52、平的测量也用于背景噪声水平的测量 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 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，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。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，也声发射源的定位，需由多通道声发射仪器来实现，也 是多通

53、道声发射仪最重要的功能之一。是多通道声发射仪最重要的功能之一。 声发射信号分析声发射信号分析 连续信号源定位，主要用于压力泄露源的定位，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。这里我们着重讨论突发信号定位。 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 区域定位：区域定位：是一种处理速度快、简便而又粗略的定是一种处理速度快、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。的场合。 区域定

54、位主要包含两种方式：区域定位主要包含两种方式： 1.1.独立通道定位方式独立通道定位方式 2.2.按信号到达顺序定位按信号到达顺序定位 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 时差定位时差定位 当用两个或多个传感器进行声发射检测时当用两个或多个传感器进行声发射检测时, ,各传感器接各传感器接 收到来自声发射源的时间是不一样的，所以可以通过收到来自声发射源的时间是不一样的，所以可以通过 时差时差 确定出声发射源的位置。确定出声发射源的位置。 常用时差定位方法：常用时差定位方法： 1. 1. 线定位线定位 2. 2. 平面定位平面定位 3. 3. 三维立体定位三维立体定位 声发射信

55、号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 线定位线定位 t1t2 当被检测物体的长度与半径之比非常大时，易采用线定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。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，到达时差线定位至少需要两个声发射探头，到达 1 1号探头的号探头的 时间为时间为t1t1，到达，到达2 2号探头的时间为号探头的时间为t2t2，因此，该信号到达两，因此，该信号到达两 个探头之间的时差为：个探头之间的时差为： t = t2t = t2t1t1，如以，如以D D表示两个探表示两个探 头之间的距离，以

56、头之间的距离，以V V表示声波在试样中的传播速度，则声发表示声波在试样中的传播速度，则声发 射源距射源距1 1号探头的距离号探头的距离d d可由下式得出：可由下式得出： 12 声发射信号分析声发射信号分析-时差定位时差定位 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。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，波源的位置均阵列形式，如方形、菱形等。就原理而言，波源的位置均 为两

57、组或三组双曲线的交点确定。为两组或三组双曲线的交点确定。 2. 2. 平面定位平面定位 32 1 声发射信号分析声发射信号分析-时差定位时差定位 3. 3. 三维立体定位三维立体定位 三维立体定至少需要三维立体定至少需要4 4个传感器。个传感器。 建立一个三维的坐标系，以四只传感器中建立一个三维的坐标系，以四只传感器中T2T2为基准，测为基准，测 量其它三只传感器与基准信号的时间差。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。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根据空间的几何关系列方程

58、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。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、岩石大三维定位用于混凝土结构、岩石大 型变压器局部放电检测。型变压器局部放电检测。 声发射信号分析声发射信号分析-时差定位时差定位 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用 主要内容主要内容 振动测量在设备故障诊断中应用最为广泛。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声发射传感器可以检测到材料表面10-14m的微小振动。的微小振动。 声发

59、射检测到的也是一种振动信号声发射检测到的也是一种振动信号 1.4741.4761.4781.481.4821.4841.4861.488 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 B炉 左 通 道 2H 机械设备中的声发射现象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运动副间的接触并发生相对运动而产生声发射 滚动体与保持架、内圈、外圈发生摩擦滚动体与保持架、内圈、外圈发生摩擦/撞击产生声发射撞击产生声发射 轴承的润滑不良会产生声发射轴承的润滑不良会产生声发射 轴承受外力作用产生声发射轴承受外力作用产生声发射 轴承：轴承： 机械设备中的声发

60、射现象机械设备中的声发射现象 新新5#高炉上料主皮带轴承检测高炉上料主皮带轴承检测 南传动辊南传动辊 穿带辊穿带辊增面辊增面辊 北传动辊北传动辊 应用（应用（1）-轴承故障识别轴承故障识别 北传动西侧轴承北传动西侧轴承 应用（应用（1）-轴承故障识别轴承故障识别 穿带辊西侧轴承穿带辊西侧轴承 应用（应用（1）-轴承故障识别轴承故障识别 应用（应用（1）-轴承故障识别轴承故障识别 低速重载设备：转炉低速重载设备：转炉250t，转速，转速1r/min 轴向布置轴向布置8个个AE传感器传感器 空炉摇炉：空炉摇炉：0180，1800，0-180，-1800 现场照片现场照片传感器布置图传感器布置图倾动