10-声发射原理及其应用

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阳建宏2020/2/23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。①应变能足够强，则人耳可以听到。②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。AESystem应力波什么是声发射？结构材料源塑性变形相变亚临界裂纹扩展其他源压力泄漏摩擦及磨损裂纹面闭合与摩擦撞击磁畴壁运动燃烧沸腾凝固与熔化氧化膜、锈皮和熔渣开裂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油面传感器腐蚀点传感器传感器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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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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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。P2P1费利西蒂效应P2P1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声发射传感器声发射特征值声发射定位分析分析研究声发射源材料中传播传感器耦合传感器前置放大器声发射采集信号处理数据显示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压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形内部会产生极化现象，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷当外力去掉后，会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应压电材料石英晶体、压电陶瓷压电效应---压电式振动加速度传感器声发射传感器—原理工作原理---压电式振动加速度传感器压电式加速度传感器：以压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。传感器结构图压电式传感器实物图片压电式传感器实物图片1基座2引出电极3压电晶片4质量块5弹簧6壳体7固定螺孔声发射传感器—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。压电式振动传感器：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