声发射检测原理

1、声发射检测原理 日期：2005-10-012005-10-01 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。瞥投射技ilj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

2、声频，可包括数 HzHz 到数 MHz;MHz;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。跋典Si示声发射检测的主要目标是：（1 1）确定声发射源的部位；（2 2）鉴别声发射源的类型；（3 3）确定声发射声生的时间 和载荷；（4 4）评定声

3、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部复检，已精确确定缺陷的性质与大小。、声发射技术的特点缺陷；(2)(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。1.1.优点(1(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)(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)(3)可提供缺陷随载荷、时间、温度等

4、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)(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)(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。2.2.局限性(1(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)(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)(3)声发射检测所发现缺陷的定性定量，能需

5、依赖于其它非破坏检测方法。由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：(1)(1)其它方法难以或不能适用的环境与对象；(2)(2)重要构件的综合评价；(3)(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：1.1.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。与其它非破坏检测相比，声发射技术具有两个基本差别:(1)(1)检测动态缺陷，如缺

6、陷扩展，而不是检测静态2.2.试件，包括尺寸与形状。3.3.应力，包括应力状态、应变率、受载历史。4.4.环境，包括温度、腐蚀介质 这些因素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。1.1.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 1）在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；（2 2）岩体等原先所受最大应力的推定；（3 3）

7、疲劳裂纹起始与扩展声发射检测；（4 4）通过预载措施消除加载销孔的噪音干扰；（5 5）加载过程中常见的可逆性摩擦噪音的鉴别。2.2.费利西蒂效应和费力西蒂比材料重复加载时，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 1 表示凯塞效应成立，而小于 1 1 则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比/J/J、于 0.950.95 常作为声发

8、射超标的重要判据。四、检测设备1.1.声发射传感器（1 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：错钛酸铅、钛酸铅、钛酸钥等多晶体和宪酸锂、碘酸锂、硫酸锂等单晶体。其中错钛酸铅（）（）接收灵敏度高，式声发射传感器常用压电材料。宪酸锂晶体居里点高达12001200 C,C,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 1

9、）晶体的形状、尺寸及其弹性和压电常数；（2 2）芯片的阻尼块及壳体中安装方式；（3 3）传感器的耦合、安装及试件的声学特性。（2 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：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 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遭用鲍度1里端言皆振傅感器言皆振垣率要位於内，典型雁用舄150kHz，主要取泱遂晶片的厚度敏感於位移速BE.奔雁垣带截波形畸夔大但蜜

10、敏度高操作 筒便、值格便宜，遮族犬星宫癌揄测大多额材科研充和商件的非破壤推浬1敏用感器卷蜓率输舄IDOlOOkHz ,职泱於晶片的尺寸和 结横哉th霜敏度低於言曾振博感瓣,幅特性不甚 理想，重操作筒便，遮於多敷竟:演带揄演1步且分析、波形分析等信 哉型或噪音的造刖箧型傅感器10D1500kHz肉争宜率影害平坦.蜜厕度高於竟：步身 带傍感器-探用微型晶片和大彼浦结横，尺寸大， 操作不便，逾於位移测量赖揄测源波形分析、握分祈-也可作舄傅感器校率的二差勃僖感器雨佃里雷晶片的正菖楝差接血成， 帖出差励信簇. 典矍端式相比，震敏度薮低，但封共模置干损信髓 有好的抑制能力，遮恭强零磁噪音勇境-强重磁干提堪

11、境下可替 代罩端式傅感器高温傅感器探用居里鸵温度高的晶片，如罪酸鲤晶片。使用温 度可谨540免高温勇境下的橙测如在现反磨容器雷容僖感器一稚直流偏置的静重是位道僖感器.直到3MHz,垣率香雁平坦、物理意曩明碓，遒麓表面法像位移 的定量量测，但操作不便，震敏度酎低，的舄bdfjJ画於特殊慝用滤波形定量分析或倍感器射宜敏度螂点光学僖感器屈激光干涉酎量的一稚鹰用，直到20MHz,率餐 雁平坦垂具有非接躅、黏测量等特站，魂於表面 垂直位移的定量测量，但操作不便、靛度低，的1x10-*，通於特殊廊用侵用於震翳室定量分析 也可作舄摩率位移傅感器此部分内容只有注册会员才能看到六、检测系统选择1.1.检测对象与

12、目的(1)(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 kHzkHz 至数 MHzMHz，复合材料约为数 kHzkHz 至数百 kHzkHz，岩石和混凝土约为数百 HzHz 至数百 kHzkHz。对不同材 料须考虑不同的工作频率(单端和差动式)、宽带带(2)(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)(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

13、纪录、原定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。2.2.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。性能及功能影奔因素工作率材料垣域、傅播衰减、横械噪音傅感器霸型戋白窖、适敏度、使用温度.璋境、尺寸通道敕被捻足寸疫僖嗷衰酒源定位不定位、甚域定位、畤差定位信费擎数速信费典夹程信斐参致、波形籍臻瞄分析朋示定位，、睡位、燎 分部等园表的即畤成事檀示噪音铿刖空周浦波、特姓警敷浦波、外燮量浦波成耳前端典攀德滤波存iSB熟握量-包括波形税敷坡浦高型度姿粉射、强噪音、多通道多套费1、即畤分析七、声发射检测应用1.1. 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

14、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)(1)分析和评价变形、 断裂机制与力学行 为； (2)(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主要庶用塑性建形位第赣协滑移窦珍窦晶 燮形、夹裂典分蘸材料中，提供封雁力一雁襄曲的碧第射影 馨国形，用於分析塑性窦形榛布火行舄及材料因 素的影客，sfeJL塞效谜及最大雁力庭史断裂力擘IS髓断裂力擘就髓晰裂勤度IS髓中，用於起裂站测量也君横件非 破壤揄测建立材料馨努射特性敷擒犀痕罢髓裂钗的起蛤摩展及合横 制疲碧霞皤&即畤提供疲箸娜通程的畤序特 徵用於螳月疲罢捐借的起原

15、犒定撬屐陕速 *展等不同陪段，有畤谖用来言平估裂税掳展速率勇境裂粒雁方腐翩舆活脆裂皎荏鹿方腐裁脆就感性霞翳中即畤提供黄境 起始典掳展遇程的畤序特锄用来铿别裂税的起始 潜伏、快速擒展等不同的喈段，有畤遢 估裂展速率相实晶格相燮在晶格像实酷中， 用来测定启式傲例窦黠M#或奥式髓斡燮星占As,皿可作福研究成核慢制 求出成痛速度的手段崔合材料if裂!蜩裂界面分雄基材分裂屑冏分雕*材料表徽中，用恭揖俺起星&刺除强.度、 揖但的型和糜史、缺陷和曾量等的值其他蠕复、腐育如殛踪雁力、脆性鹑夔、耳他材料2.2.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。徐测信息励i收揄测材料缺陷，包括：焊接 映陀及