声发射检测

3.光导纤维电缆 光导纤维电缆是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小 而柔韧的传输介质。应用光学原理，由光发送机产生光束，将 电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收 机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再 处理。 与其它传输介质比较，光纤的电磁绝缘性能好、信号衰减小、 频带宽、传输速度快、传输距离大。主要用于要求传输距离大 于100米的声发射应用。
一般的线性系统的激励与响应所满足的关系，用下图来表示：
传感器输出u(t)是电学量的电压标量，输入d(t)可以是表面原子 的位移、力学量的力矢量F(x,t)、速度矢量V(x,t)等。假定只有垂 直分量作用在传感器上，这样就可以建立输入与输出两组标量 之间的转换关系。 传感器的灵敏度可以定义为：
T为灵敏度可用对数表示，ω为频率，U为传感器的输出电压、 D为表面原子的垂直位移分量或表面压力垂直分量。
4. 电缆中的噪音问题 电子设备中噪声有从信号电缆和电源电缆上产生的传导噪声和 空间辐射的辐射噪声两大类。这两大类中又分为共模噪声和差 模噪声两种。 差模传导噪声是电子设备内噪声电压产生的与电源电流或信号 电流相同路径的噪声电流。减小这种噪声的方法是在电源线和 信号线上串联电感（差模扼流圈）、并联电容或用电感和电容 组成低通滤波器，减小高频的噪声。
（6）外观上色泽鲜明，透明度高，不含气泡； （7）均匀性好，不含颗粒或杂质，使用时不堵塞管口； （8）稳定性好，不变色、不改变稠度、不分层、不析出、不变 质、不腐败； （9）不腐蚀或损坏传感器。 因此，提高检测率，减少耦合影响，降低检测成本有着重要意 义。常用耦合剂为硅脂。
固定方法
传感器的固定方法主要包括机械固定、粘接固定和磁吸附固定 方式。选择何种固定方式主要根据传感器的类型和待测面表面 情况和对声发射信号的影响情况所决定。
一、探测处理转换过程—压电效应等
固体介质中传播的声发射信号含有声发射源的特征信息，要利 用这些信息反映材料特性或缺陷发展状态，就要在固体表面接 收这种声发射信号。 声发射信号是瞬变随机波信号，垂直位移极小约为10-7~10-14米， 频率在次声到超声频率范围（几赫兹到几十兆赫兹）。这就要 求声发射检测仪器具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动 态范围、强阻塞恢复能力和频率检测窗口可以选择等性能。 在声发射检测过程中，检测到的信号是经过多次反射和波形变 换的复杂信号。声发射信号由传感器接收并转换成电信号。
对试件开始加载时，有声发射产生。卸去载荷后再进行第二 次加载时，在载荷没有超过第一次加载的最大载荷时没有声 发射信号出现，只有当第二次加载 的载荷超过第一次的最大载荷值 时，才开始产生声发射信号，这一 现象称为声发射的不可逆效应。 这是由材料的变形和裂纹扩展的 不可逆性决定的。
凯赛尔效应在声发射技术中的重要用途：
共模传导噪声是在设备内噪声电压的驱动下，经过设备与大地 之间的寄生电容，在电缆与大地之间流动的噪声电流。 减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感（共模扼 流圈）、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器。
5. 阻抗匹配 器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系， 以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。 对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只 要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认 为阻抗匹配良好。
下图为一个稳态源模型的声发射源事件的能量分配 过程。对于裂纹增长这样一个事件, 释放的能量仅有一 部分转变为弹性波, 其它大部分转变为新界面的表面能、 晶格应变能和热能。
如能测得源事件发射的弹性波能量和确定能量分配函数，就可 算出源事件的能量，提供了解材料微观断裂过程的一种方法。 由于受源周围环境、能量释放速率、材料纵波和横波波速不同、 表面波的色散等因素影响，每个源的分配函数互不相同，探测 器测量到的弹性能量随不同位置而变化。
有些情况不能将声发射传感器直接放在被测试对象的表面例如 高温、高压、低温、表面疏松等，而需要通过波导实现声联接 即通过波导接收声发射信号。常见的波导有金属棒或金属管组 成的波导，一端固定（焊接或机械连接）在检测对象表面，另 一端面上放置声发射传感器。
4. 传感器类型与选择
第四节 声发射检测仪器系统
①在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测，
②岩体等原先所受最大应力的推定， ③疲劳裂纹起始与扩展声发射检测， ④通过预载措施消除夹具的噪声干扰， ⑤加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。
五、影响声发射特性的因素
声发射技术的应用均以材料的声发射特性为基础。不同材料的 声发射特性差异很大。 即使对同一材料而言，影响声发射特性的因素也十分复杂，如 热处理状态、组织结构、试样形状、加载方式、受载历史、温 度环境和气氛等。 对同一试样作声发射试验，在同样的内部和外部条件下，由于 试样的声发射源不同，也会表现出不同的声发射特性。
传感器的种类繁多，应用极广。但为了满足各种参数的检测， 除了需要研制新型敏感元件，增加元件品种以及改善其性能外， 还需用正确的构成传感器的方法，即用敏感元件、转换元件、 转换电路的不同组合方法，去达到检测各种参数的目的。 本节主要介绍压电原理的声发射传感器。
1.结构 声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连 接导线及高频插座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸 钡和铌酸锂等。 谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种。单 端谐振式传感器的结构简单，如图。将压电元件的负电极面 用导电胶粘贴在底座上；另一面焊出一根引线与高频插座的 芯线连接，外壳接地。
耦合剂的好坏与得到的信号质量密切相关。质量不好的耦合剂 可使声波能量损失，分辨力降低，甚至损坏传感器。对耦合剂 的要求如下： （1）声衰减系数小，透声良好； （2）声阻抗介于传感器的面材与检测面之间，匹配良好；
（3）粘附力低，容易擦掉；
（4）粘滞性适中，使用时不会流淌，又容易挤出； （5）保湿性适中，不容易干燥；
1. 突发和连续声发射 材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以 从小于10-15 m到10-9m, 达到106量级（120dB）的范围。另外声发射 信号的产生率也是变化无常的，所以将声发射信号分为突发和连 续发射。 如果声发射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信 号就叫突发声发射信号，如图所示；
网状导体，最外面是一层保护性塑料。金属屏蔽层能将磁场反
射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆 比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。
2. 双绞电缆(TP) 将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的 干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相 互扭绕而成，也称为双绞线。 双绞线是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组 成，典型直径为1毫米。两根线绞接在一起是为了防止其电磁感 应在邻近线对中产生干扰信号。 声发射仪器中仅用双绞电缆传输数字信号，如采用前端数字化 的声发射检测系统。
5.其它声发射源
①流体介质的泄漏 ②氧化物或氧化层的开裂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
③夹渣开裂
⑤液化和固化 ⑦流体和非固体
④摩擦源
⑥元件松动、间歇接触 ⑧裂纹闭合
二、波的传播 三、波的衰减 （略）
四、凯塞(Kaiser) 效应
声发射信号一般是不可逆的，具有不复现性。同一试件在同 一条件下产生的声发射只有一次，这就是所谓的凯塞尔(kaiser) 效应，如图所示。
传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性 体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的 原理制成的。它利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和 气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测 量变换成电量。
了解传感器所基于的各种效应，对其理解、开发和应用都是非 常必要的。在声发射检测过程中，通常使用的是压电效应。
一、信号电缆
从前置放大器到声发射检测仪主体，往往需要很长的信号传 输线和前置放大器的供电电缆； 在前置放大器和主放大器也需要进行信号传输，通常需要采 用信号电缆实现。 信号电缆包括同轴电缆、双绞电缆和光导纤维电缆。
1.同轴电缆 广泛使用的同轴电缆有两种： 50Ω(指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比) 同轴电缆，用 于数字信号的传输，即基带同轴电缆； 75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。 同轴电缆以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，外覆密集
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 就叫做连续声发射信号,如图所示。 实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只 不过太密集不能单个分辨而已。
2. 晶体材料中的声发射源
3 非金属材料中的声发射源
人们进行声发射研究和应用的非金属材料主要为岩石、玻璃和 陶瓷，由于这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差， 因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。
二、传感器
传感器常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。
敏感元件： 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。 转换元件： 将敏感元件输出的非电物理量，如位移、应变、应力、光强等 转换为电学量（包括电路参数量、电压、电流等）。
转换电路： 将电路参数（如电阻、电感、电容等）量转换成便于测量的电 量，例如电压、电流、频率等。
第九章 声发射检测
声发射技术概论 声发射检测物理基础 声发射波的探测 声发射检测仪器系统 缺陷的判定与评价
第二节 声发射的物理基础
一、声发射源
材料中有许多种机制可以产生声发射源。声发射的能量一般由 外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。 声发射源模型大致可分为两类,： 一类将源看作一个能量发射器, 并用应力应变等宏观参量来得到 这一问题的稳定解, 叫稳态源模型。 另一类是应用在源附近随时间变化的应力应变场，计算与源的 行为有关的动力学变化，叫动态源模型。
4. 复合材料中的声发射源 根据复合材料第2相材料的不同，可分为3类：扩散增强复合材 料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。 扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括： 基体开裂和第2相颗粒和基体的脱开。 纤维增强复合材料中的声发射源主要包括： ①基体开裂 ②纤维和基体的脱开 ③纤维拔出 ④纤维断裂 ⑤纤维松弛 ⑥分层 ⑦摩擦 ①到⑤的声发射源如图所示。
3. 传感器的耦合和安装 声发射信号经传输介质、耦合介质、换能器、测量电路而获 取，接受到的信号影响因素很多。因此，在传感器表面和检 测面的耦合以及传感器的安装等细节方面都要严格要求。
耦合剂
使用耦合剂的目的: a.充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影 响声波的穿透； b. 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，从而减小能量在此界面的反射损失。 c.“润滑”作用，减小传感器面与检测面之间的摩擦。
1—压电元件 2—壳 3—上盖 4—导线 5—高频插座 6—吸收剂 7—底座 8—保护膜
2. 灵敏度 传感器的输入端作用是力、位移或者速度，输出则为电压。可 以认为力、位移或者速度转化为电压的整个系统为线性系统。 在分析线性系统时，并不关心系统内部的各种不同的结构情况， 而是要研究激励和响应同系统本身特性之间的联系。
影响材料声发射信号强度的因素
第三节 声发射波的探测
在外力诱导下，声发射源（缺陷）发出一种应力脉冲波，即声 发射信号。这种应力脉冲波即声发射信号是机械振动波在声发 射源所在材料中传播。 声发射检测就是检测接收上述声发射信号，并进行分析得到声 发射源（缺陷）的信息。
由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱，该频率谱所 包括的频率范围可以从几Hz到几十MHz，在进行某项具体的检 测工作时，首先应该知道所要检测的缺陷在外力作用下产生的 声发射的大致频率范围，然后再从这个总范围内选择一个最适 合的频率窗口，以便滤去噪声的干扰。 一般的机械噪声和电气噪声的频率都比较低，因此在声发射检 测中首先要确定频率窗口的下限。在频率窗口确定后，就能依 此为根据来选定传感器和滤波器。