声发射教材(共50页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上声发射技术培训教材北京科海恒生科技有限公司第一章 概论1.1 声发射技术概念声发射技术（AETAcoustic Emission Technique），是一种新兴的动态无损检测技术，其涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念，基本原理如图1-1所示。图1-1 声发射技术基本原理声发射（AEAcoustic Emission,），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,这种现象叫声发射。在应力作用下，材料变形与裂纹扩展，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源，通常称为传统意义上或典型的声发射源。另外，流

2、体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，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、声频直到超声频，可包括数Hz到数MHz；其幅度从微观的位错运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 mV到数百mV。不过，大多数为只是使用高灵敏的传感器（Sensor）或称探头，才能探测到的微弱振动。目前，用最灵敏的传感器，可探测到约为10-11mm表面振动。声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检物体的表面，引起表面的机械振动。经耦合在被测物体表面的声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，声发射信号再经放大、处理后，形成其特性参数，并被记录与

3、显示。最后，经数据的解释，评定出声发射源的特性。声发射检测的主要目标是：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以准确确定缺陷的性质与大小。1.2 声发射技术的特点与其它无损检测方法相比，声发射技术具有两个根本的差别：检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。这种差别使得该技术具有以下优点和局限性。优点：（1）可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供缺陷在应力作用下的动态信息，适于评价缺陷对结构的实际有害程度；（2）对大型

4、构件，可提供整体或大范围的快速检测。由于不必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，从而易于提高检测效率；（3）可提供缺陷随载荷、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；（4）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；（5）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。局限性：（1）声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，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）声发

5、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，但有时，还需要特作准备；（3）声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖于其它无损检测方法。 由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：其它方法难以或不能适用的对象与环境；重要构件的综合评价；与安全性和经济性关系重大的对象。因此，声发射技术不是替代传统的方法，而是一种新的补充手段。1.3 声发射技术发展概述 声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为

6、纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。 现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“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”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。 五十年代末，美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起，而且还得到一

7、个重要的结论，即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作，首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。 六十年代初，Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用，Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代，美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作，人们除开展声发射现象的基础研究外，还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。声发射作为无损检测技术，在美国原子能、宇航技术中兴起，在焊

8、接延迟裂纹监视、压力容器与固体发动机壳体等检测方面出现了应用实例。 七十年代初，Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。 随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器、和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界

9、上发表的声发射论文目录，据他的统计，到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。 八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件，通过微处理计算机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位

10、功能和缺陷检测准确率。 进入九十年代，德国Vallen（华伦）公司、美国PAC公司、美国DW公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。九十年中期，德国Vallen（华伦）公司首先开发了Windows运行环境下的声发射软件，使得数据分析更加方便、快捷。目前德国Vallen公司已经开发出了Windows2000运行环境下的声发射采集及分析软件，以及使计算机速度提高到1.0G。 我国于七十年代初由中科院沈阳金属研究所、航天部621所等单位首先开展

11、了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。航空部621所和航天部44所等单位主要开展复合材料及结构的声发射特性研究及检测应用工作。中科院沈阳金属研究所和武汉大学对金属材料和复合材料在受力形，变过程中的声发射开展了大量研究工作。航天部703所对钛合金及钛合金气瓶进行了系统的研究和应用工作。空军第一研究所对飞机构架的疲劳特性开展了大量的研究和应用工作。中国地球物理所、东北工学院、石油大学和石油勘探开发科学研究院等单

12、位在岩石的声发射及应用方面作了大量的研究工作。武汉大学、华中理工大学和北京科技大学等在铁磁性材料的磁声发射方面进行了一系列研究。北京航空航天大学和清华大学等对声发射传感器进行了专题研究和制造。国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心、机械部合肥通用机械研究所、冶金部武汉安全环保研究院和大庆石油学院等对金属压力容器的声发射检测和评定方法进行了较深入的研究和广泛的应用。 在仪器制造方面，沈阳电子研究所已有较成型的4通道声发射系统销售。国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心于95年研制出了采用PCAT总线的多通道声发射检测分析系统,由北京科海恒生科技有限公司生产并且商品化。清华大学于1999年

13、研制成功了多通道全波形声发射检测分析系统。从80年代起，随微机技术、基础研究的进展，声发射技术获得迅速发展，其研究与应用从实验室研究扩展到结构评价、工业过程监视等各领域，首先在金属与玻璃钢压力容器、储罐、管道等结构件中，进入工业应用和标准化阶段，成为一种新兴动态无损检测方法。第二章 声发射技术基础2.1 声发射源引起声发射的材料局部变化称为声发射事件，而声发射源，是指声发射事件的物理源点或发生声发射波的机制源。在工程材料中，有许多种损伤与破坏机制可产生声发射波，概括起来如表2-1所示。表2-1 声发射源2.2 波的传播波源处的声发射波形，一般为宽频带尖脉冲，包含着波源的定量信息，然而，所测得信

14、号波形，由于介质中的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂，与原波形有很大不同，从而很大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影响，是在实验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。2.2.1 波的传播模式声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、兰姆波等不同传播模式。纵波（压缩波）：质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。横波（剪切波）：质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播。表面波（瑞利波）：质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为12个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增

15、加而迅速减弱。兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型（膨胀波）和非对称型（弯曲波）两种。2.2.2 波的传播速度波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用下式表达。； （2-1）式中 Vt 纵波速度；ut 横波速度；s 泊松比；E 杨氏模量；G 切变模量；r 密度。在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速

16、度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，因而传播速度实为一种易变量。传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中，波速难以用理论计算，需要用实验测量，例如，在被检件表面上，用笔芯模拟源和声发射仪时差测量功能，测得两个传感器之间的时差，再用时差除以传感器间距即可得到波速。以实测波速算出的定位精度一般可在传感器间距的110%范围内变化。就常见容器

17、类二维结构而言，表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波而可传播更远的距离，常成为主要的传播模式。多数金属容器中，典型传播速度约为3000ms，在无法测得波速的情况下，常可以作为定位计算的初设值。2.2.3 反射、折射与模式转换在固体介质中，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，见图2-1。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂，其示意见图2-2。图2-1 波的反射与模式转换O一波源 L纵波 S一

18、横波 R表面波图2-2 厚板中传播示意图O波源 L纵波 S横波 R表面波声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器，因而，波源所生一尖脉冲波到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数ms。在钛合金气瓶上，对铅笔芯模拟源的响应波形一例如图2-3所示。除外，再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响，信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以

19、充分注意。图2-3 波形的分离与持续2.2.4 衰减衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引起声发射波衰减的三个主要机制为：波的几何扩展、材料吸收和散射。（1）几何扩展衰减：由于声发射波从波源以各向扩展，从而随传播距离的增加，使单位面积上的能量逐渐减少，造成波的幅度下降。扩展衰减与传播介质的性质无关，主要取决于介质的几何形状（或波阵面），它主要控制着近场区的衰减。一般而言，一局部源所产生体波（纵波与横波）的幅度下降与传播距离成反比，而表面波和板波则与其平方根成反比。棒、杆等一维介质中，几何扩展衰减小于二维和三维介质。在小型球类容器中，由于波阵面随传播距离先扩展而后收缩，波的幅度也相随而

20、波动：例如，从南极点所产生波的幅度，到达赤道线处变得最小，而到北极点又会变大。（2）材料吸收衰减：波在介质中传播时，由于质点间的内摩擦（粘弹性）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。其衰减率取决于材料的粘弹性等性质，并与波的频率关，近似与频率成正比。这种能量损失机制主要控制着远场区的衰减。（3）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（称为散射），使波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。（4）其它因素：频散，即在一些构件中，不同频率成份的波以不同的速度传播（频散效应），引起波

21、形的分离或扩展，从而使波的峰幅度下降，相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质， 障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。（5）实际结构中的衰减实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。例如，在被检件表面上，利用铅笔芯模拟源和声发射仪，按一定的间距测得幅度（dB）距离（m）曲线。图2-4示出了长12.2m，内径1.2n，厚度12.5mm的气压容器封头上，用不同频率测得的幅度一距离曲线。图2-4 气压容器衰减曲线6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

22、实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。2.3 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： 材料，包括成份、组织、结构，例如，金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、辅层、残余应力等； 试件，包括尺寸与形状； 应力，包括应力状态、应变率，受载历史； 环境，包括温度、腐蚀介质。这

23、些因素，对合理选择检测条件，正确解释检测结果，均为需考虑的基本问题。影响声发射强度的主要因素如表2-2所示表2-2 影响声发射强度的因素类型产生高强度的因素产生低强度的因素材料特性高强度各向异性不均匀性焊缝或铸造组织粗晶粒有缺陷有夹杂或第二相低强度各向同性均匀锻造组织细晶粒无缺陷无夹杂或第二相应力状态厚断面或平面应变无预载高应变率薄断面或平面应力有预载低应变率变形和断裂方式裂纹扩展解理断裂纤维断裂马氏体相变孪晶变形塑性变形剪切断裂基材开裂扩散型相变滑移变形环境低温腐蚀介质高温非腐蚀介质2.4 凯赛尔效应和费利西蒂比2.4.1 凯赛尔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

24、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赛尔效应。多数金属材料中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测：岩体等原先所受最大应力的推定：疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰，加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。2.4.2 费利西蒂效应和费利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，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷（PAE）对原先所加

25、最大载荷（Pmax）之比（PAEPmax），称为费利西蒂比。该效应的示意如图2-5所示。图2-5 费利西蒂效应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。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。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。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。第三章 检测设备与信号处理3.1 声发射传感器3.1.1 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

26、用声发射传感器的工作原理，基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，供于信号处理器。压电材料多为非金属介电晶体，包括：锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体。其中，锆钛酸铅（PZT5）接收灵敏度高，是声发射传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200，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：晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；晶片的阻尼块及壳体中安装方式；传感器的耦合、安装及试件的声学特性。压电晶片的谐振频率（f）与其厚度（t）的乘积为常数，约等于0.5倍波速（V），即ft0.5V，可见，晶片

27、的谐振频率与其厚度成反比。3.1.2 类型与选择传感器属检测系统的关键部件，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，常用的压电型又可分为：谐振式（单端和差动式）、宽频带式、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、特点和适用范围如表3-1所示。（1）高灵敏度谐振式传感器：谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最普遍的一种，这种传感器具有很高的灵敏度，可探测的最小位移可达到10-14m，但它们的响应频率范围很窄，且共振频率一般都位于50至100

28、0KHz之间。 (2)宽频带传感器：传感器的幅频特性与其压电元件的厚度有关，宽频带传感器一般是由多个不同厚度的压电元件组成，这种传感器的操作频率一般为几十KHz到1MHz，适合探测声发射源频率很丰富的材料，但其缺点是灵敏度不太高。 (3)切变波传感器：目前声发射检测所普遍使用的基本上都是纵波传感器，它们只能接收厚度方向的振动分量。切变波传感器是专门用来探测材料表面水平方向的切变振动分量的传感器，而且具有一定的方向性。 (4)二分量传感器：在材料表面一点上能同时获得一个纵向振动分量和一个切变振动分量，或是两个相互垂直的切变振动分量的传感器。(5)三分量传感器：在材料表面一点上能同时获得一个纵向振

29、动和两个相互垂直的切变振动的传感器。(6)差动传感器：由两个正负极差接的压电元件组成号。其抗共模干扰能力强，适合噪声来源复杂的现场使户输出相应变化的差动信(7)电容传感器：这是种直流偏置的静电式传感器，用它可以测量试件表曲的垂直位移，所以也是一种位移传感器。由于它在很宽的频率范围内具有平坦的响应特性，因此可用于声发射信号的频谱分析和传感器标定。缺点是灵敏度不够高。(8)锥形传感器：这种传感器采用NBS型的锥形探头，灵敏度很高，频谱相应也很宽。(9)低频拟制传感器：它具有低频拟制能力，但对于表面波声发射信号；肓接近一般传感器的灵敏度。 （10)光学传感器：它应用Michelson干涉仪的原理，以

30、相：厂长度厂分大的激光的干涉来测量弹性波引起样品表面的垂直位移，它不与样品直接接触，因此具有很宽的通频带，并：且可以绝对标定，但由于受波长所限，且本底噪音刁；易消除，其探测灵敏度不高。(11)微型传感器：微型传感器具有小巧的外形结构，适合探测小型试件的声发射。但由于压电元件小，灵敏度较低。(12)高温传感器：这种传感器适合在高温环境下长时间工作，要求压电元件具有高温稳定性能，它的Curie温度远高于使用温度。目前商品高温传感器的使用温度范围为-200+540。(13)磁吸附传感器：它可以直接吸附在铁磁材料的检测对象上，达到充分接触耦合的目的。由于切变波传感器不能采用油耦合，所以它常采用磁吸附传

31、感器的结构。(14)前放内置式传感器：这种传感器将声发射信号的前置放大器与压电元件起置入探头的不锈钢外壳中，因此具有最好的抗电磁干扰能力，而且传感器的灵敏度不受影响。这种传感器在现场检测中使用十分方便。(15)潜水传感器：这种传感器仍采用前放内置式结构，但经过密封防水处理，可以在水中对构件进行声发射检测。(16)可转动传感器：这种传感器采用干耦合旋转式结构，在生产过程中，在传感器位置固定的情况下对移动的工件进行连续监测。(17)单向传感器：这种传感器只对一个方向传播的声发射波敏感，而对与之垂直的另一个方向传播的声发射信号拟制。因此适合桥梁的声发射检验并排除道路噪音的干扰。(18)空气耦合传感器

32、：这种传感器以空气为耦合剂，中心频率一般为20KH2，最适合在非接触情况下进行在用压力容器的泄漏监测。表3-l 传感器的类型、特点和适用范围类 型特 点适 用 范 围单端谐振传感器谐振频率，多位于50300kHz内.典型应用为150kHz，主要取决于晶片的厚度，敏感于位移速度。响应频带窄，波形畸变大，但灵敏度高，操作简便，价格便宜，适于大量常规检测大多数材料研究和构件的无损检测宽频带传感器响应频率，约为1001000kHz，取决于晶片的尺寸和结构设计。灵敏度低于谐振传感器，幅频特性不甚理想，但操作简便，适于多数宽频带检测频谱分析、波形分析等信号类型或噪声的鉴别锥型传感器1001500kHz内，

33、频率响应平坦，灵敏度高于宽频带传感器。采用微型晶片和大背衬结构，尺寸大，操作不便。适于位移测量类检测源波型分析、频谱分析。也作为传感器校准的二级标准差动传感器由两个压电晶片的正负极差接而成，输出差动信号。与单端式相比，灵敏度较低，但对共模电干扰信号有好的抑制能力，适于强电磁噪声环境强电磁干扰环境下，可替代单端式传感器高温传感器采用居里点温度高的晶片.如铌酸锂晶片。使用温度可达540高温环境下的检测，如在线反应 容器电容传感器一种直流偏置的静电式位移传感器。直到3MHz，频率响应平坦，物理意义明确，适于表面法向位移的定量测量，但操作不便，灵敏度较低，约为0.01A，适于特殊应用源波形定量分析或传

34、感器绝对灵敏度校准光学传感器属激光干涉计量的一种应用，直到20MHz，频率响应平坦，并具有非接触，点测量等特点，适于表面垂直位移的定量测量，但操作不便，灵敏度低，约为0.1A。适于特殊应用仅用于实验室定量分析，也可作为标准位移传感器3.1.3 结构形式常用的压电型谐振传感器的结构形式见图3-1。压电元件多采用锆钛酸铅陶瓷晶片（PZT一5），起着声电转换作用。两表面镀上519mm厚的银膜，起着电极作用。陶瓷保护膜，起着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。导电胶，起着固定晶片与导电的作用。在差动式传感器中，正负极差接而成的两个晶片，可输出差动信号，起着抑制共模

35、电噪声的作用。传感器材料选择，还应考虑诸如温度、腐蚀、核辐射、压力等检测环境因素。a） b）图3-1 压电型传感器的结构a）单端式 b）差动式3.1.4 传感器绝对灵敏度校准绝对灵敏度校准，是声发射定性定量分析、二级标准传感器选择所不可缺少的环节，有表面波脉冲法和互易法两种。绝对灵敏度（M），一般用在一定频率下，传感器的输出电压（V）与表面垂直位移速度（m/s）之比来表示，其单位为：V/（ms-1）。（1）表面波脉冲法 在半无限体钢制试块表面上，以铅笔芯或玻璃细管的断裂作为阶跃力点源，如测得标准电容位移传感器和待效传感器对表面波脉冲的响应，则即可按定义算出绝对灵敏度。该校准方法已纳入ASTM标

36、准6，在100kHz1MHz频率内，校准的不确定度可达5%（90%置信度）。国内也已建立起此类校准系统7，传感器灵敏度校准曲线一例见图3-2。图3-2 传感器绝对灵敏度曲线表面波脉冲法，操作不便，但与检测实际相近，除了一般传感器校准外，还可用于二级标准传感器的校准。（2）互易法 根据传感器的机电变换的可逆性原理，在半无限体试块表面上，只要比较一组同类传感器之间的电气特性，即可测出绝对灵敏度。此法不需直接测量表面的法向位移，因而操作较简便，但是，每次校准需提供三个同类待校传感器。该方法已纳入日本无损检测协会标准8，在50kHz1MHz频率内，可提供表面波和纵波灵敏度。3.1.5 传感器相对灵敏度

37、校准在批量检测中，需要一种简便而经济的相对校准方法，以比较传感器灵敏度的变化。此类方法只提供传感器对模拟源的相对幅度或频率响应。图3-3 相对校准一例l一脉冲发生器 2一放大器 3一压电传感器4一待校传感器 5一标准传感器6前置放大器 7声发射仪 8一金属试块常用的对接法，一般由小型试块、以扫频仪为激励源的超声传感器（谐振频率大于2.5MHz）及电压表构成，可用来比较传感器的频率响应。作为一简便的方法，可由小型试块、电脉冲发生器、声发射仪等构成。用声发射仪记录传感器对模拟信号的响应幅度，也可与已知灵敏度的标准传感器作比较，其原理如图3-3所示。3.2 电缆3.2.1 电缆类型传感器、前置放大器

38、及主机之间通过电缆线连接。电缆类型包括：同轴电缆、双芯绞合线和光纤电缆。50W同轴电缆为常用的基本类型，可满足电磁屏蔽和阻抗匹配的基本要求。前置放大器的电源线与信号输出线，一般共用同一个同轴电缆，而有些厂家的设备，则前置放大器的电源线与信号线分开，并采用双芯绞合线。光纤电缆只用于特殊情况。3.2.2 电缆中的噪声问题传感器电缆，其屏蔽作用有限，对电磁波起着类似“天线”的作用，易受电磁波的于扰。为减少其影响而应限制其长度，一般不宜大于1.5m，同理，传感器与金属试件之间不得导电，要保持电绝缘。强电磁噪声环境中，也可直接采用前置放大器内置式传感器，以消除由电缆线引入的噪声。此外，传感器本身也是电容

39、器，因而电缆的分布电容会相应降低传感器的灵敏度。为使传感器之间的灵敏度保持一致，宜采用等长度电缆。信号电缆线和连接件，在使用中常由于损伤或开路而会引起电磁噪声干扰。3.2.3 阻抗匹配当信号在电缆中传输时，如信号线的阻抗与终端或始端不匹配，信号将在传输线内发生反射，造成信号衰减，只有与两端都匹配才使信号衰减最小。为获得最佳传输功率，电缆线与前置放大器和主机都应当匹配。前置放大器的输出阻抗和主机的输入阻抗一般为50W，因而，其连接都采用50W的信号电缆。当主机的输入阻抗并非50W时，应另加上阻抗匹配器。3.2.4 电缆长度传感器电缆很短，其传输衰减可忽略。但是，前置放大器至主机的电缆长度，可从几

40、米至300米或更长的范围内变化，对长电缆应考虑信号衰减问题。一般而言，全线的衰减不宜大于3dB。当电缆长度大于300米时，应串接中继放大器。3.3 信号调节3.3.1 前置放大器前置放大器置于传感器附近，放大传感器的输出信号，并通过长电缆供主机处理。主要作用为：高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹配，以防信号衰减；通过放大微弱的输入信号，以改善对电缆噪声有关的信噪比；通过差动放大，降低由传感器及其电缆引进的共模电噪声；提供频率滤波器。前置放大器的主要性能包括：（1）增益：通常提供40dB固定增益。有的还备有20dB和60dB附加增益，以适应不同的用途。（2）频率范围：放大器本身可提供较宽

41、的频率范围，通常约为2kHz1MHz。然而，实际频宽取决于滤波器的选择，包括低通、高通和带通滤波器。（3）噪声：噪声水平取决于晶体管的性能、放大器频宽、输入阻抗和环境温度。其中，频宽为主要的影响因素，而频率范围越宽噪声水平就越高。因而，噪声水平，只有在同一频宽下比较才有意义。（4）动态范围：可用最大输出信号幅度对输出噪声幅度之比表示。为适用于宽的信号幅度范围，放大器的动态范围应尽可能大，一般为60dB85dB。3.3.2 滤波器频率滤波器一般采用插件式或编程式，包括高通、低通和带通滤波器，主要用来排除噪声和限定检测系统工作频率范围。选择滤波频带时，在噪声和传播衰减之间应适当作折衷考虑。例如，机

42、械噪声的频率成份，多集中在100kHz以下，而传播衰减则约从300kHz起变得很大，从而限制着可监视范围。因此，在多数应用中，优先采用100350kHz的带通滤波器。但对高衰减材料的检测，则不得不采用100kHz以下的低频滤波器。3.3.3 增益测量单位放大器的增益及信号幅度的测量，通常采用分贝（dB）为单位，其计算分别用下式表示。dBa=20lg（Vout/Vin）;dBAE=20lg（V/Vref）（3-1）式中 dBa用dB表示的增益Vout输出电压Vin输入电压dBAE用dB表示的幅度V电压Vref参考电压声发射技术中，将前置放大器的输入1mV（Vref）定义为0dB。3.4 信号探测

43、与处理3.4.1 信号类型在示波器上观察到的传感器输出信号有两种基本类型：突发型和连续型，如图3-4所示。突发型信号，指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展。不过，当声发射频度高达时域上不可分离的过程时，就以连续型信号显示出来，如塑性变形和泄漏信号。在实际检测中，也会出现其混合型。对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。早期的通用系统，多为突发型信号检测为主，而在一些专用检测仪中设有连续型信号的检测功能。近年来的通用系统，可同时采集两类信号。a）b）图3-4 声发射信号类型a）突发型 b）连续型3.4.2 门槛比较器为排除低幅度背景噪声及确定系统灵

44、敏度，对前置放大器的输出，设置高于背景噪声水平的阀值电压，即称为门槛值。门槛比较器仅将幅度高于门槛值的信号鉴别为声发射信号，其原理示意见图3-5。图3-5 门槛比较电路门槛电路采用固定门槛和浮动门槛两种。其中，浮动门槛可随背景噪声水平的波动而上下浮动，主要用于连续型信号背景下突发信号的探测。3.4.3 信号特性参数特征提取电路将过门槛信号测量为几个信号特性参数。连续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压，而突发信号参数包括：波击（事件）计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差。常用突发信号特性参数示意见图3-6。图3-6 突发信号参数常用信号特性参数的含义和用途如表3

45、-2所示。表3-2 声发射信号参数参数含义特点与用途波击（Hit）和波击计数一通道上一声发射信号的探与测量和所测得波击个数，可分为总计数、计数率反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性评价事件计数由一个或多个波击鉴别所得声发射事件的个数，可分为总计数、计数率。一阵列中，一个或几个波击对应一个事件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价振铃计数越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率信号处理简便，适于两类信号，又能粗略反映信号强度和频度，因而广泛用于声发射活动性评价，但甚受门槛的影响幅度事件信号波形的最大振幅值，通常用dB表示（传感器输出1mV为0dB）与事件大小有直

46、接的关系，不受门槛的影响，直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量能量计数（MARSE）事件信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率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，可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别持续时间事件信号第一次越过门槛至最终降至门槛所经历的时间间隔，以ms表示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上升时间事件信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间间隔，以ms表示因甚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有效值电压（RMS）采样时间内，信号电平的均方根值，以V表示与声发射的大小有关，测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号，主要用于连续型声发射活动性评价平均信号电平（ASL）采样时间内，信号电平的均值，以dB表示提供的信息和应用与RMS相似，对幅度动态范围要求高而时间分频率要求不高的连续型信号，尤为有用。也用于背景噪声水平的测量时差同一个声发射波到达各传感器的时间差，以ms表示决定了波源的位置、传感器间距和传播速度，用于波源的位置计算外变量试验过程外加变量，包括经历时间、载荷、位移、温度及疲劳周次不属于信号参数，但属于波击信号参数的数据集，用于声发射活动性分析3.5 数据显示所测得信号的数据集，包括信号参数和外变量，经系统