声发射技术研究及应用进展.docx
- 文档编号:11153493
- 上传时间:2023-05-29
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:25.58KB
声发射技术研究及应用进展.docx
《声发射技术研究及应用进展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《声发射技术研究及应用进展.docx(11页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
声发射技术研究及应用进展
2006年第27卷第5期中北大学学报(自然科学版Vol.27 No.5 2006(总第109期JOURNALOFNORTHUNIVERSITYOFCHINA(NATURALSCIENCEEDITION(SumNo.109
文章编号:
1673-3193(200605-0456-06
声发射技术研究及应用进展
杨瑞峰,马铁华
(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051
摘 要:
通过阐述声发射检测的基本原理,总结了声发射检测的特点.介绍了国内外声发射检测技术的发
展历程和现状,并概述了声发射检测技术在压力容器、转动设备、航空航天工业、复合材料等方面的应用进
展,提出了我国目前声发射检测急需解决的问题和发展趋势.
关键词:
声发射;压力容器;复合材料
中图分类号:
TG116.28 文献标识码:
A
AStudyontheApplicationsofAcousticEmissionTechnique
YANGRui-feng,MATie-hua
(KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina
MinistryofEducation,Taiyuan030051,China
Abstract:
Basedontheprincipleofacousticemissiontesting,thefeaturesofacousticemissiontestingtechniquearesummarized.Afteranintroductiontothehistoryandpresentsituationofacousticemissiontestingtechnologyhomeandabroad,theauthorshavemadeanreviewoftheapplicationsofacoustice-missiontechniqueinpressurevessel,rotatefacility,aviationandspace-flightindustry,andcompositematerials.Theauthorshavealsopointedouttheproblemstobesolvedanddevelopmenttrendofthisfield.
Keywords:
acousticemission;pressurevessel;compositematerial
0 引 言
声发射AE(AcousticEmission是指材料内部局部区域在外界(应力或温度的影响下,伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象.声发射作为一种检测技术起步于20世纪50年代的德国,20世纪60年代,该技术在美国原子能和宇航技术中迅速兴起,并首次应用于玻璃钢固体发动机壳体检测;20世纪70年代,在日本、欧洲及我国相继得到发展,但因当时的技术和经验所限,仅获得有限的应用;20世纪80年代,开始获得较为正确的评价,引起许多发达国家的重视,在理论研究、实验研究和工业应用方面做了大量的工作,取得了相当的进展[1,2].
1 声发射检测的基本原理
声发射检验技术的基本原理是利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号,然后用电子设备将电信号进行放大和处理,使之特性化,并予以显示和记录,从而获得材料内声发射源的特性参数.通过分析检验过程中声发射仪器所得的各种参数,即可知道材料内部的缺陷情况.如果用多通道声发射检测系统,还可以确定声发射源即缺陷的具体部位[3].
收稿日期:
2006-01-16
作者简介:
杨瑞峰(1969-,男,副教授,博士.主要从事传感器及测试技术研究.
2 声发射检测的特点
AE技术是根据结构内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法.它可以在构件或材料的内部结构,缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行检测.声发射检测已应用于航空、航天、石油、化工、铁路、汽车、建筑和电力等许多领域,是一种重要的无损检测技术,与常规无损检测技术相比有两个基本特点:
一是对动态缺陷敏感,在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现;二是声发射波来自缺陷本身而非外部,可以得到有关缺陷的丰富信息,检测灵敏度与分辨力高.与其它无损检测技术相比,其优点是:
1声发射是一种动态检测方法,声发射探测到的能量来自被测试物体本身,而不是像超声或射线探伤那样由无损检测仪器提供;
2可获得关于缺陷的动态信息,并据此评价缺陷的实际危害程度,以及结构的完整性和预期使用寿命;
3声发射检测方法对线状缺陷较为敏感,它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况,稳定的缺陷不产生声发射信号;
4可提供随载荷、时间和温度等外部变量而变化的实时瞬态或连续信号,适用于过程监控以及早期或临近破坏的预报;
5对被检工件的接近要求不高,因而适用于其它无损检测方法难以或无法接近(如高低温、核辐射、易燃、易爆和剧毒等的环境下的检测;
6用于在役设备的定期检验,可以缩短设备停产时间或者无需停产;
7用于设备加载试验,可预防由未知不连续引起的系统灾难性失效和限定系统最高工作载荷;
8对构件的几何形状不敏感,适用于其它方法不能检测的复杂形状构件.适用范围广,几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射.
3 声发射技术的研究进展
3.1 声发射基础技术的发展
声发射技术从诞生到现在经历了近半个世纪的发展,其基础技术理论的发展经历了以下几个阶段:
1认识阶段.人们很早以前就认识到了声发射这一现象,如“锡鸣”现象,但没有得到重视、研究及应用.
2初步研究与应用阶段.20世纪50年代,德国人Kaiser对多种金属的声发射现象进行了详细的研究并发现凯塞尔效应,为以后的应用打下了基础;20世纪60年代中期,美国人Dunegan等把声发射的测试频率范围移到超声频段,为其实际应用打下了更好的基础;1964年美国对北极星导弹舱成功地进行了声发射检测,这是AE在工程结构上成功应用的第一个实例.
3蓬勃发展阶段.20世纪70年代是声发射技术的蓬勃发展阶段.在理论研究方面,声发射传播理论、波形分析、声发射传感器的校正理论都取得了较大进展,研究范围亦不断扩大;在工程应用方面,做了许多工程实验和实际检测,获得了宝贵的经验和资料,促进了声发射技术的应用.
4缓慢发展阶段.20世纪80年代初,声发射技术有一定的发展,但发展缓慢.因为当时在声发射信号处理方面的能力受限,对声发射源性质、信号的传播特性等的认识深度不够,检测结果的可靠性和重复性存在一定的问题.
5稳步高速发展阶段.20世纪80年代末和20世纪90年代初,随着声发射基础理论研究的深入开展以及现场、实验数据和经验的大量积累,计算机技术、集成电路、人工神经网络等信号处理(尤其是数字信号处理技术及模式识别技术在声发射中得到了广泛的应用,加之日益扩大的应用领域对声发射技术的发展提出了新的要求等,促进了声发射技术稳步高速发展[4,5,6].
457(总第109期声发射技术研究及应用进展(杨瑞峰等
458中北大学学报(自然科学版2006年第5期3.2 声发射信号处理技术的发展
声发射信号处理技术的发展同声发射技术的发展,特别是同声发射采集系统的发展及现代信号处理技术的发展息息相关.按处理信号数据类型的不同可把声发射信号处理技术分为:
一是直接以声发射信号波形为处理对象,根据所记录信号的时域波形及与此相关联的频谱、相关函数等来获取声发射信号所含信息的方法;二是声发射信号特征参量分析法,利用信号分析处理技术,处理由声发射仪采集的声发射信号特征参量.目前主要采用的声发射特征参量如声发射信号的幅度、能量、计数、事件、上升时间、持续时间和门槛等,很多声发射源特性可以用这些声发射特征的统计参量描述,为工程实际应用带来极大的方便[4,7,8].
神经网络模型应用以来,神经网络分析技术迅速发展,并在许多领域得到卓有成效的应用.1989年,Sachse开始研究人工神经网络声发射信号处理,这可以看成是神经网络分析技术在声发射技术上最早的应用.目前,人工神经网络声发射信号处理已成为国际上声发射技术研究的一个热点,人们期望能用人工神经网络方法对声发射信号进行有效性识别,以期得到对声发射源特征的详细描述,克服目前声发射信号处理中存在的声发射源模式不可分、不可识别,以及在信号处理过程中的人为干预、效率低等问题.我国声发射工作者在神经网络技术的应用方面也取得了很大成绩,并曾在刀具磨损监测、声发射谱信号模式识别等方面取得成功[9-12].
3.3 声发射仪器的发展[13-15]
20世纪70年代初,Dunegan等人开展了现代声发射仪器的研制,他们把试验频率提高到100kHz~1MHz,这是声发射试验技术的重大进展.现代声发射仪器的研制成功,为声发射技术从试验室的材料研究阶段走向在生产现场监视大型构件的结构完整性应用创造了条件.随着现代声发射仪器的出现,20世纪70年代和80年代初,人们从声发射源机制、波的传播和声发射信号分析方面开展了广泛和深入的系统研究.
声发射仪器的发展是和声发射技术本身的发展同步进行的.也分为几个阶段:
1单通道(或双通道型声发射仪的产生.20世纪60年代末,产生了第一台单通道型声发射仪器,这种声发射系统只有一个信号通道,功能单一,采用模拟电路,多为测量计数或能量类简单参数,只用于实验室试样的粗略声发射检测.
2第一代多通道声发射仪器出现在20世纪70年代,它把形成各种AE特征量输出的多通道硬件模块插在一个容纳箱内,通过内部总线与当时流行的一台标准小型计算机相连.
320世纪80年代初,出现的第二代多通道声发射系统把数据采集功能和显示、存储及计算功能相分离,由前端处理器独立完成,并利用标准总线(如IEEE488和直接存储器存取(DMA,加快数据的存储和处理速度,在实时显示方面也有一些改进.
4第三代多通道声发射系统起始于80年代末,采用了分布式并行处理技术,在各单元间配置有效的通讯途径以实现快速信息传递和缓冲,避免因通道接口的瓶颈效应而造成数据的死锁和丢失,AE数据处理能力可达每秒几千Hit以上.
520世纪90年代,声发射检测系统进入了全数字式的第4代.全数字化AE检测系统在系统结构和软件配置上保留了第三代产品的优点,放大后的AE信号不必再经过一系列的模拟、数字电路才形成数字特征量,而是直接进行高速A/D转换,提取相应特征量.
我国在声发射仪器的研制和生产上起步并不算太晚,已研制和生产了各种双通道、4通道、8通道和更多通道(32通道的声发射仪,基本上属于模拟声发射仪器的范畴,如沈阳计算机技术研究院的AE-04声发射检测系统、长春试验机研究所的AE-32声发射缺陷定位分析系统,以及劳动部锅炉压力容器检测研究中心的AE95-AT声发射仪等.国外在全数字式声发射仪的研制上发展很快,典型代表是美国PAC公司的Mistras2001,德国Vallen公司的AMSY4和美国数字波形公司(DWC的F-4000声发射检测仪等,其声发射特征量全由数字信号提供,即声发射传感器的模拟信号在到达各种处理器之前首先被数
字化,由于全部信号处理是对离散信号完成的,系统有很高的信噪比和很宽的动态范围.另外,全数字声发射仪一般都(至少作为选购件配以各种支持软件,尤其是模式识别方面的软件,比过去任何声发射仪都能给出更多有用的信息.我国的清华大学已开展全数字声发射仪的研究工作,已研究出样机,并用于现场检测.
4 声发射技术的应用进展
4.1 在压力容器上的应用
压力容器的声发射检测与评价声发射检测主要是针对容器中的活性缺陷,可以在水压试验或其它加载试验过程中,利用少量固定不动的换能器,获得活性缺陷的动态信息,而活性缺陷—声发射源的位置可通过时差定位、区域定位及次序冲击方法来确定.美国MANSANTO化学工业公司应用声发射技术成功地检测了数千台大型金属和复合材料压力容器;该项技术在日本、意大利、澳大利亚和中国等国家也得到广泛研究和应用[5,16,17].
4.2 在转动设备上的应用
故障诊断声发射技术主要应用于滚动轴承和滑动轴承的故障诊断.在机械零件所用材料的评价方面,主要用于滚动轴承和滑动轴承所用材料的评价.主要的分析手段采用:
(1波形分析、频率分析;(2计数法;(3幅度分布;(4AE定位等.其中AE定位在探明AE与滚动疲劳的相关关系上有特别意义.但是声发射测量法与其它的测量方法一样,存在一定的使用范围,用AE测量方法可获得关于疲劳裂纹的发生、扩展的有关信息,但得不到关于剥离出现的信息,这种限制是由源发生机制引起的[18].因而,关于AE测量法的应用,除最大限度有效地使用AE测量法的优点外,应与其它测量方法联合使用,收集必要的信息.
4.3 在复合材料上的应用[18,19]
用复合材料的声发射特性研究声发射已成为研究复合材料断裂机理的一种重要手段.目前,采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布,从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量.声发射技术还可区分复合材料层板不同阶段的断裂特性,如基体开裂、纤维与树脂界面开裂、裂纹层间扩展和纤维丝断裂等.过去常使用声发射参数法(振铃计数、能量、幅度和持续时间,近年来,使用波形识别方法取得了良好效果.
4.4 在航空航天工业中的应用
在航空航天领域,学者们对声发射技术进行了广泛和深入的研究,取得了一些重要成果.早在20世纪80年代初,有关单位就进行了飞机机翼疲劳试验过程中的声发射监测研究,在信号处理和识别技术方面积累了宝贵的经验.北京航空工程技术研究中心在某型飞机的全尺寸疲劳试验过程中(飞行长达16000h,用声发射技术对其主梁螺孔和隔框连接螺栓等部位疲劳裂纹的形成和扩展进行了跟踪监测,历时之长和积累数据之丰富都是前所未有的.他们利用声发射参数组成多维空间的特征矢量,成功地进行了疲劳裂纹产生的声发射信号识别.除多参数识别外,他们还利用趋势分析和相关技术进行了信号处理,建立了一套较为完整的信号识别和处理体系[14].
4.5 其它材料、结构的声发射检测
其它材料、结构的声发射检测与结构完整性评价声发射技术可用于岩石、混凝土的声发射特性研究,主要内容包括:
单轴压缩应力、弯曲应力、拉伸应力以及受温压作用时的岩石和混凝土的声发射特性;探讨和研究应力水平与声发射发生频率的关系,破坏过程中的振幅与频率分布变化,声发射发生的位置;声发射的分形特征,劣化混凝土的声发射特性等以及用于建筑结构、桥梁和铁塔等结构的动态检459(总第109期声发射技术研究及应用进展(杨瑞峰等
460中北大学学报(自然科学版2006年第5期
测和完整性评价.除此之外,还用于地应力测试、大坝建造期间岩石的状态监测、滑坡的监测和钻井过程的监测等,并已经取得明显的效果.
另外,声发射技术作为一种成熟的无损检测方法还应用于常压储罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测.石油化工行业中压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价,电力行业中汽轮机叶片检测、汽轮机轴承运行状况监测、变压器局部放电检测,民用工程如楼房、桥梁、起重机、隧道和大坝的检测,水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视,金属加工中工具磨损和断裂的探测、打磨轮或整形装置与工件接触的探测、修理整形的验证、金属加工过程的质量控制、焊接过程监测、振动探测、锻压测试以及加工过程的碰撞探测和预防,交通运输业中长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位、铁路材料和结构的裂纹探测、桥梁和隧道的结构完整性检测、卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测以及火车车轮和轴承的断裂探测,等等[19-22].
5 存在问题及展望
目前,我国的AE技术取得了很大进展,但与欧美等工业发达国家相比,在很多方面还有差距.主要需要解决的问题及声发射技术发展展望包括:
(1在仪器开发方面,应进一步完善和提高现有机型的功能和可靠性,开发适用于各种工程检测声发射信号数据分析与处理软件包,尤其是适用于埋地管道和油罐底部泄漏检测的商品化仪器和软件.(2在传感器制造方面,应进一步完善和提高现有共振型传感器的制造水平,开发低频和高温传感器,并形成商品销售.(3应进一步拓展声发射检测技术的应用领域,重点开展桥梁、建筑、埋地管道和大型常压油罐的声发射检测技术的研究和应用.(4应进一步开展声发射信号处理分析技术和神经网络模式识别的研究,提高压力容器、压力管道和各种大型机械装备的在线检测应用水平[23-28].
参考文献:
[1] 袁振明,马羽宽,何泽云.声发射技术及其应用[M].北京:
机械工业出版社,1985:
21-35.
[2] 耿荣生.声发射技术发展现状[J].无损检测,2001,20(2:
151-158.
GengRongsheng.ProgressstatusofAEtechnology[J].NDT,2001,20(2:
151-158.(inChinese
[3] 张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京:
科学出版社,1993:
135-146.
[4] 耿荣生,沈功田,刘时风.声发射信号处理和分析技术[J].无损检测,2002,24(1:
23-28.
GengRongsheng,ShenGongtian,LiuShifeng.Anoverviewonthedevelopmentofacousticemissionsignalpro-
gressingandanalysistechnique[J].NDT,2002,24(1:
23-28.(inChinese
[5] GrabeclSachseW.ApplicationofanintelligentsignalprocessingsystemtoAEanalysis[J].JournalofAcousticalSo-
cietyofAmerica,1989,85(3:
79-82.
[6] 沈功田.声发射源定位技术[J].无损检测,2002,24(3:
114-117.
ShenGongtian.Acousticemissionsourcelocation[J].NDT,2002,24(3:
114-117.(inChinese
[7] GengRongsheng.PredictionoffatiguecrackinitiationofaircraftusingAE[C].Proc.ofinternationalConferenceon
FailureAnalysisAndPrevention,Beijing:
1995,1535-1539.
[8] 张平,施克仁.小波变换在声发射检测中的应用[J].无损检测,2002,24(10:
436-439.
ZhangPing,ShiKeren.Applicationofwavelettransformtoacousticemissiontesting[J].NDT,2002,24(10:
436-439.(inChinese
[9] 易若翔,刘时风.人工神经网络在声发射检测中的应用[J].无损检测,2002,24(11:
488-492.
YiRuoxiang,LiuShifeng.Applicationofartificialneuralnetworktotesting[J].NDT,2002,24(11:
488-492.(inChinese
[10] 李光海,刘时风.声发射源特征识别的最新方法[J].无损检测,2002,24(12:
534-538.
LiGuanghai,LiuShifeng.TheUp-to-datemethodsforacousticemissionsourcerecognition[J].NDT,2002,24
(12:
534-538.(inChinese
[11] GrabecI,SachseW.ApplicationofanintelligentsignalprocessingsystemtoAEanalysis[J].JournalofAcoustical
SocietyofAmerica,1989,85(3:
1226-1235.
(总第109期声发射技术研究及应用进展(杨瑞峰等461[12] DaiGuang,XuYanting,WangYali,etal.AEmonitoringanddataanalysisforlargesphericaltanks[J].NDT&EInternational,1993,26(6:
287290.[13] 梁家惠.声发射仪器的进展[J].无损检测,2002,20(10:
285-291.291.(inChineseLiangJiahui.ProgressofAEinstrument[J].NDT,2002,20(10:
285[14] 张丕壮,刘树茂.多通道超声检测系统数据采集与控制技术研究[J].华北工学院学报,2004,25(3:
231234.ZhangPizhuang,LiuShumao.Studyonacquisitionandcontroltechnologyforultrasonicdetectingsystem[J].JournalofNorthChinaInstituteofTechnology,2004,25(3:
231234.(inChinese[15] DrouillardTF.ProgressinAcousticEmission[C].Eapporo,Japan:
TheJapaneseSocietyforNDT,1994,11231127.[16] 沈功田,张万岭.压力容器无损检测技术综述[J].无损检测,2004,26(1:
37-39.ShenGongtian,ZhangWanling.Areviewofnon-destructivetestingtechniquesforpressurevessels[J].NDT,2004,26(1:
37-39.(inChinese[17] DaiGuang,WangYali,XuYanting,etal.AEtestingofalowalloysteelpressurevessel[J].NDT&EInternational,1993,26(6:
291294.[
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 声发 技术研究 应用 进展