声发射源定位的测试方法

辽宁大学学报

自然科学版

第25卷　第1期　1998年JOU RN A L O F L IA ON IN G UN IV ER S IT Y N atu ral S ciences E d ition

V o l.25　N o.1　1998

声发射源定位的测试方法

时书丽

(辽宁大学电子科学与工程系,沈阳110036)

摘　要　本文作者介绍了声发射源定位的测试方法,推导了时差测量公式,设计

了时差测量电路,总结了多通道声发射测试仪的时差测量的方法.

关键词　声发射;声发射源;源定位;时差测量.

0　引言

声发射,顾名思义就是物体发出声音的意思,它是一种常见的物理现象.例如,用力弯曲一根细竹棍儿,开始时听不到声音,随着施力的增加,就会听到噼噼啪啪的声音,这个回声就是声发射.如果再继续增加弯曲力,就会使竹棍儿在某处断裂,这个断裂处就是声发射源.这是我们亲眼所见、亲耳听到的现象.如果给一个大型构件施加压力,使其内部某处产生裂纹,而且发出声波.但是,人的眼睛看不到裂纹处,人的耳朵听不到裂纹声,这就要借助高灵敏度的声发射测试仪器去检测.

声发射检测法依据的基本原理,就是给检测对象施加压力或其它外部条件(如温度等),使检测对象中的缺陷或潜在缺陷自动发声,根据接收到来自缺陷的应力波推测缺陷的位置和大小.声发射技术的发展十分重视声发射源的研究,发展声发射源定位的技术和评价被测物体缺陷的有害度.源定位就是利用声发射信号的特点找出缺陷所在的位置,这是声发射检测的重要内容.为此,我们研制了双通道、四通道声发射信息分析测试系统,本文就其中源定位功能做以介绍.

1　声发射源的测定

确定声源的位置就要使用多通道声发射仪,每个传感器对应一个通道,传感器的任务就是把声波信号转换成电信号.利用两个以上的通道,将传感器按一定方式配置构成阵列,利用声源发出的声波到达几个传感器的时间差确定声发射源的位置.

下面利用两个传感器组成线阵列,测定两传感器连线范围内的物体缺陷所在的位置,如图1中的(a)所示.在一个棒状物体两端B、C两点上各放置一个传感器T1、T2,它们的

本文1997年8月28日收到

距离为S ,当此棒受力时,棒上A 点在时刻t 0发出声发射波,此波以速度V 沿棒向B 、C 图1　时差图两点传播,因此,T 1和T 2分别在时间t 1和t 2

接收到此声波,如图1中的(b )、(c )所示.从

而在后面的事件形成单元里得到了和它们相

对应的事件信号:S J B 、S J C ,如图1中的(d )、

(e )所示.显然,A 点是声发射源.

如果测出时间差∃t ,就可以求出从A 点

到B (或C )点的距离

.从图1中的(a )可以知道t 1-t 0=A B V =S -A C V

(1)t 2-t 0=A C

V (2)

由(2)式减去(1)式,可以得到

∃t =2A C -S V =S -2A B V (3)

由(3)式改写可以得到

A C =12

(

S +V ∃t )(4)A B =12(S -V ∃t )(5) 在上面的推导过程中,因为V 和S 都是

确定值,所以,测出了∃t ,就可以确定出声发射源的位置.

用三个以上的传感器组成平面阵列,测定声发射源位置.如果某一板状构件中有一裂纹产生了,在它的周围任意布置了三个传感器,如图2中的(a )所示.裂纹以弹性波的形式

图2　多个传感器平面分布图

释放出能量,那么弹性波的波前相当于一个圆向外传播,首先到达1号传感器,依次到达2、3传感器设∃t 12为1、2传感器收到信号的时间差,∃t 13为1、3传感器也收到此信号的时123

4作者:时书丽　声发射源定位的测试方法

感器为圆心,以∃t 13・V 为半径,则可以再画出一个圆;如果再做第三个圆,使其与前面的两个圆相切,并经过1号传感器,那么第三个圆的圆心O 点就是声发射源位置.

四个传感器可以构成不同的面阵列,如图2所示,其中(b )图中的A 、B 和C 、D 是两组互相独立的线阵列,A 、B 传感器测得的一组时差表明声源位于A ’B ’双曲线上,C 、D 传感器测得的一组时差表明声源位于C ’D ’双曲线上,A ’B ’和C ’D ’

两条双曲线的交点即为声源的平面位置.在图(d )和(e )中,利用声源与传感器的相对位置,可以推导出计算声源位置的方程式,再利用传感器得到的两组或三组时差,就可直接计算出声源位置.2　测量时差的方法

确定声源位置的参量是时差∃t

,那么怎样才能测出∃t 的值呢?可以这样来考虑,有图3　时差测量电原理图及波形图

44辽宁大学学报 自然科学版 1998年　第1期

一个初始值为零的计数器,当第一个信号到来时,它开始计数,当第二个事件到来时,它停止计数.如果计数器输入的时钟周期为单位时间(Λs ),即CP =1Λs 个,计数的值为K ,则∃t =K ・CP (Λs ).

时差测量电原理图如图3中的(a )所示,A 代号表示门电路,B 代号表示J K 触发器,均采用IC 双列直插组件.A 1～A 3、A 16、A 18为片74L SOO ;A 7、A 10、A 19、A 20为1片74L SO 4;A 4～A 6、A 8、A 9、A 11～A 15、A 17为4片74L S 10;B 1

～B 4为2片74L S 76.图中S J 0为0通道接收的声发射信号,S J 1为1通道接收的同一声发射信号.SQ 为时差单元清零按钮,ZQ 为仪器的总清按钮,按钮按下为“0”电平,弹起为“1”电平.x h 0是最先收到声发射信号通道的标志,x h 0=“0”表示S J 0先送入0通道,x h 0=“1”表示S J 1先到达1通道.JQ 为时差计数输出端.

电路工作过程如下:加载开始前,(1)手动按下SQ 或ZQ ,门电路自动控制使x h 0=“0”,门A 14输出“0”,导致Q —

2=“1”,Q 3=“1”,Q 4=“1”,即系统清零,门A 3“0”

→“1”.(2)手松开后,清零按钮弹起,则门电路控制使A 14输出“1”,导致B 2、B 3、B 4进入准备工作状态

.当0通道收到S J 0后,Q 2从“0”→“1”,B 1开始计数,当1通道收到S J 1后,Q 2从“1”→“0”,B 1停止计数,计数个数为K .CP =1Λs ,因为S J 0和S J 1是同一个声发射信号到达不同通道的标志,所以它们传输的时差∃t =K ・CP =K (Λs ),至此整个电路都“锁定”了,只有清零才能重新工作,测量下一个声发射信号的时差,这个清零信号由门A 3自动控制给出.

延时电路的设计是为打印机服务的,一般情况下,打印机打印速度较慢,延时Σ秒可以在打印过程中使数据保持稳定,以防止打错码,打印结束后再清零,保证打印机可靠工作.

假定由四个传感器构成一个阵列,则电路中要设计出三套时差设计电路,当声发射信号第1到达某个通道时,每个时差计数器都开始计数,当此信号第2到达另一通道时,第1个计数器停止计数,测得时差为∃t 1;当此信号第3到达另外两个通道中的一个时,第2个计数器停止计数,测得时差∃t 2;当此信号第4到达最后一个通道时,第3个计数器停止计数,测得时差为∃t 3,如图3中的(b )所示.

根据∃t 1、∃t 2、∃t 3的数值,按阵列中传感器的排列方式和相应的数学关系,通过计算机处理数据,将声发射源定位显示在屏幕上.

在实验室测试某钢板的声发射源,用一块边长为1m 、厚度为3～5m m 的钢板,传感器分别布置为线定位和方形面定位,把模拟源(模拟实际声发射信号的探针)置于检测区域内,则在屏幕上显示出声发射源的位置.一维线定位声发射源如图4(a )所示,正方形面定位声发射源如图4(b )所示.3　结束语

声发射源定位测试是多通道声发射检测系统的重要组成部分之一,十多年来,在无损探伤应用领域中,它起到了很大的作用.随着电子技术的飞跃发展,声发射源定位技术一

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4作者:时书丽　声发射源定位的测试方法