《声发射传感器》PPT课件.ppt

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1、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-destructive testing），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 Visual Testing （缩写 VT） 超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT） 射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT） 磁粉检

2、测 Magnetic particle Testing（缩写 MT） 渗透检测 Penetrated Testing （缩写 PT） 声发射 Acoustic Emission(缩写 AE) 涡流检测Eddy current Testing （缩写 ET） 泄漏检测 Leak Testing（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（acoustic emission，简称AE

3、）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。,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,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，PAC公

4、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85%以上。声发射系统是PAC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。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。即：DiSP系统、SAMOS系统 、PCI-2系统。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（SMD）制造的多层高密度卡。最近公司又研制出ARB-1410卡采用标准的PCI总线,14位A/D,速度为100MSample/sec的任意波形发生卡.同

5、时,此卡使用专用的WaveGen1410软件,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、管道检测、航空航天材料检测、起重设备检测、铁路罐车检测、桥梁检测、贮罐检测、金属材料检测、复合材料检测、陶瓷检测、水泥构件检测、岩石及电器产品等检测。 PAC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家系统）、MONPAC(压力容器检测声发射专家系统）、TANKPAC（油罐罐底腐蚀状况声发射在线检测专家系统）、CORPAC（工业结构中局部腐蚀状况声发射在线监控系统）、PDDPAC（变压器局

6、部放电声发射检测专家系统）。,声发射系统在如下领域应用： Traditional Material Testing(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) Fatigue Testing(声发射在疲劳测试中应用) Pressure Vessel (Metal & FRP) Safety Verification (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) Sphere Testing(声发射对球罐的检测）Storage Tank

7、Integrate Verification(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) Quantitative Gas Valve Leak Detection (声发射对气体阀门泄漏定量检测) Tube Trailer Testing Rail Road Tank Car Testing(声发射对铁路罐车的检测） Corrosion Detection(声发射腐蚀检测) Buried Pipeline Leak Detection(声发射对埋地管道检测) Concrete Testing(声发射对混凝土检测) R

8、ock Testing(声发射对岩石检测) Bridge and Infrastructure Testing(声发射对桥梁及地基检测) Partial Discharge Detection of Transformers and Gas Insulated Station (声发射应用于变压器及GIS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) Aerial Lifting Device Testing(声发射对吊车设备检测) Aging Aircraft Testing(声

9、发射对老化飞机结构的检测)Aircraft & Aerospace Structure and Fatigue Testing (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) Tool Wear and Tool Breakage Detection (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) Bearing and Gear Condition Monitoring(声发射对轴承及齿轮的监测) Process Dia

10、gnosis(声发射用于过程诊断),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、隧道桥梁、矿山设备、各种材料断裂等方面的无损检测和测试。 北京声华兴业科技有限公司于2007年自主研发出USB2.0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1998年声华科技研发出第一台PCI多通道数字声发射系统E98至今，我们从未停止

11、过对于声发射前沿技术研究和产品创新的追求。 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。 北京声华兴业科技有限公司于2008年开发出第一代SUFD1型超声波探伤仪，目前已经拥有2个系列6各型号的超声波探伤仪。 北京声华兴业科技有限公司于2009年5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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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34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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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 （单位时间事件计数）,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

26、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。

27、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 = t2t1，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。

28、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

29、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）-轴承故障识别,应用（1）-轴承故障识别,低速重载设备：转炉250t，转速1r/min 轴向布置8个AE传感器 空炉摇炉：0180，1800，0-180，-1800,现场照片,传感器布置图,倾动角度实时数据,应用（2）-轴承故障定位,定位结果分析 承载区AE信号集中 5号、6号点出现AE信号集中,应用（2）-轴承故障定位,定位结果分析 5、6号测点处应力集中，持续产生声发射信号 其他测点只有当转炉在运转过程中，才会有声发射信号产生,0180,1800,0

30、-180 -1800,应用（2）-轴承故障定位,定位结果分析 螺栓断裂处的AE信号波形呈现周期性，且幅值较大 其他处的信号波形是典型的AE衰减信号,5号点AE信号波形,1号点AE信号波形,应用（2）-轴承故障定位,高炉送矿皮带实验验证 以2m/s向高炉输送生产原材料，如矿石、焦炭等 张力辊两端的支撑轴承转速60r/min 2010年4月、5月、8月采集AE数据,应用（3）-轴承故障趋势预测,高炉送矿皮带实验验证,应用（3）-轴承故障趋势预测,基于AE的检测,4个轴承的趋势图,轴承1-3-4的趋势图,轴承2内外圈存在明显的点蚀坑,其他轴承的内圈滚道上出现压痕,应用（3）-轴承故障趋势预测,与振动

31、检测的比较,AE检测的趋势图,振动检测的趋势图,基于振动的检测，能够正确刻画4个轴承的劣化趋势，但难以体现4个轴承的故障严重程度 基于AE的检测，比振动检测能更有效反映设备劣化趋势，且对故障严重程度更敏感,应用（3）-轴承故障趋势预测,声发射与设备的结构、材料、受力有极大关系,声发射信号分析存在的困难,在轧钢厂，轧辊的缺陷如裂纹、脱落等是轧辊很常见的问题，这种问题轻者会严重影响产品的质量甚至造成次品；重者则可能会导致轧辊爆炸性粉碎，造成严重的后果和经济损失。这些问题一直困扰世界各地的轧钢行业，现在美国物理声学公司（PAC）开发了这种问题的在线解决方案。,美国物理声学公司和加拿大Dofasco公

32、司合作，经过多年的实验研究已研发出一款先进的，手持式的轧辊检测声发射系统。它通过无损检测新技术声发射检测技术，在轧辊工作间隙的冷却过程进行约一个小时的检测实现对轧辊的裂纹等缺陷进行在线检测，并对不符合要求的轧辊报警。而无需增加额外的工作过程或对轧钢厂的生产工艺造成任何干扰和影响。美国钢铁公司使用这种检测技术已超过10年，此技术为它们带来了很大的便利。,POCKET-AE特点： 1、手掌式PDA检测系统，使用便捷2、基于Windows CE操作系统开发的AEwin软件，大容量闪存方便数据存储、重放、传输3、3.5寸彩色LCD触摸屏4、内置可充电电池，也可外接电源使用,Pocket AE Roll

33、检测方法： Pocket AE Roll是利用声发射的原理，在轧辊冷却过程中，对其进行的在线监测。对于轧辊来讲，冷却过程中由于温度的变化会使轧辊内部产生温度应力，如果轧辊有缺陷，则缺陷在温度应力作用下会扩展，而Pocket AE Roll就是通过接收这些缺陷扩展所发射出来的声发射信号进行在线监测的。,Pocket AE Roll检测过程：1在轧辊冷却过程中，将声发射传感器安装于轧辊一端，进行声发射信号的采集。2按要求进行在线监测，一旦裂纹扩展停止，轧辊可以安全移动；如果轧辊是声学活性的，则将他放置在一个安全的区域直到活性停止。3如果要确定扩展裂纹的位置，可在轧辊另一端也安装一个传感器，进行线性定位。,