声发射传感器.ppt
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1、 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用主要内容主要内容无损检测无损检测 NDT NDT(Non-destructive testingNon-destructive testing),就是利用声、),就是利用声、光、磁和电等特性,在光、磁和电等特性,在不损害或不影响被检对象不损害或不影响被检对象使用使用性能的前提下,检测被检对象中是否存在缺陷或不均性能的前提下,检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,匀性,给出缺陷的大小、位置、性质和数量给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息,等信息,进
2、而判定被检对象所处技术状态(如合格与否、剩余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。寿命等)的所有技术手段的总称。背景介绍背景介绍无损检测方法无损检测方法l目视检测目视检测 Visual Testing Visual Testing(缩写(缩写 VTVT)l超声检测超声检测 Ultrasonic TestingUltrasonic Testing(缩写(缩写 UTUT)l射线检测射线检测 Radiographic TestingRadiographic Testing(缩写(缩写 RTRT)l磁粉检测磁粉检测 Magnetic particle Testin
3、gMagnetic particle Testing(缩写(缩写 MTMT)l渗透检测渗透检测 Penetrated Testing Penetrated Testing(缩写(缩写 PTPT)l声发射声发射 Acoustic Emission(Acoustic Emission(缩写缩写 AE)AE)l涡流检测涡流检测Eddy current Testing Eddy current Testing(缩写(缩写 ETET)l泄漏检测泄漏检测 Leak TestingLeak Testing(缩写(缩写 LTLT)背景介绍背景介绍折断竹子发出的声音折断竹子发出的声音撕报纸发出的声音撕报纸发出的
4、声音声发射技术概论声发射技术概论裂纹裂纹裂纹裂纹分层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,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!也会发声,产生声发射信号!颗粒断裂颗粒断裂但这些信号很微弱,人耳听不到,必但这些信号很微弱,人耳听不到,必须借助先进的设备来检测须借助先进的设备来检测声发射技术概论声发射技术概论声发射声发射(acousticemission,简称,简称AE)是指材料或结构)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。出应变能的现象。应变能足够
5、强,则人耳可以听到。应变能足够强,则人耳可以听到。许多金属材料的声发射信号强度很弱,人耳不能直许多金属材料的声发射信号强度很弱,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。接听见,需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。AESystem应力波应力波什么是声发射?什么是声发射?结构材料源结构材料源塑性变形塑性变形相变相变亚临界裂纹扩展亚临界裂纹扩展其他源其他源压力泄漏压力泄漏摩擦及磨损摩擦及磨损裂纹面闭合与摩擦裂纹面闭合与摩擦撞击撞击磁畴壁运动磁畴壁运动燃烧燃烧沸腾沸腾凝固与熔化凝固与熔化氧化膜、锈皮和熔渣开裂氧化膜、锈皮和熔渣开裂声声发发射射源源如何产生声发射?如何产生声发射?起重机主梁
6、裂纹检测起重机主梁裂纹检测管道裂纹检测管道裂纹检测声发射源的典型例子声发射源的典型例子储储油油罐罐油面油面传传感感器器腐蚀点腐蚀点传感器传感器传传感感器器储油罐漏油检测储油罐漏油检测变压器局部放电检测变压器局部放电检测声发射源的典型例子声发射源的典型例子 5050年代年代:德国人德国人KaiserKaiser发现发现KaiserKaiser效应效应 50-7050-70年代年代:实验室阶段实验室阶段 70-8070-80年代:工程应用年代:工程应用 90-90-本世纪初本世纪初:迅速发展、广泛应用迅速发展、广泛应用声发射技术的发展声发射技术的发展l美国物理声学公司一美国物理声学公司一PAC公司
7、作公司作为声声发射技射技术领导者、世界著名生者、世界著名生产商,商,PAC公司有完整的、系公司有完整的、系统化的声化的声发射射产品生品生产线。其声。其声发射射产品占全球声品占全球声发射市射市场的的85%以上。声以上。声发射系射系统是是PAC公司主公司主导产品之一。完整的声品之一。完整的声发射系射系统包括:声包括:声发射卡、声射卡、声发射主机、声射主机、声发射射传感器、声感器、声发射前置放大器、声射前置放大器、声发射射处理理软件,其核心部件包括声件,其核心部件包括声发射卡,采集分析射卡,采集分析软件、件、传感器和前置放大感器和前置放大器。器。PAC公司声公司声发射射产品依据其声品依据其声发射卡型
8、号不同而构成三个声射卡型号不同而构成三个声发射系射系统。即:即:DiSP系系统、SAMOS系系统、PCI-2系系统。三个系。三个系统的采集卡均采用的采集卡均采用标准准PCI总线技技术,并由先,并由先进的表面封装的表面封装设备(SMD)制造的多)制造的多层高密度卡。最近高密度卡。最近公司又研制出公司又研制出ARB-1410卡卡采用采用标准的准的PCI总线,14位位A/D,速度速度为100MSample/sec的任意波形的任意波形发生卡生卡.同同时,此卡使用此卡使用专用的用的WaveGen1410软件件,可以可以产生各种生各种类型的波形型的波形.PAC公司的声公司的声发射射产品广泛品广泛应用于用于
9、压力容器力容器检测、管道管道检测、航空航天材料航空航天材料检测、起重起重设备检测、铁路罐路罐车检测、桥梁梁检测、贮罐罐检测、金属材料、金属材料检测、复合材料复合材料检测、陶瓷、陶瓷检测、水泥构件、水泥构件检测、岩石、岩石及及电器器产品等品等检测。lPAC公司公司拥有世界上有世界上领先的声先的声发射研究中心(射研究中心(RD)及最)及最优秀的秀的专家,家,为不不同行同行业开开发了解决工程了解决工程问题的的专家系家系统:VPAC(阀门定量泄漏定量泄漏检测声声发射射专家系家系统)、MONPAC(压力容器力容器检测声声发射射专家系家系统)、TANKPAC(油(油罐罐底腐罐罐底腐蚀状况声状况声发射在射在
10、线检测专家系家系统)、CORPAC(工(工业结构中局部构中局部腐腐蚀状况声状况声发射在射在线监控系控系统)、PDDPAC(变压器局部放器局部放电声声发射射检测专家系家系统)。)。l声声发射系射系统在如下在如下领域域应用:用:lTraditionalMaterialTesting(声声发射射对传统材料的材料的检测)AdvancedCompositeMaterialTesting(声声发射射对高高级复合材料的复合材料的检测)FatigueTesting(声声发射在疲射在疲劳测试中中应用用)PressureVessel(Metal&FRP)SafetyVerification(声声发射射对金属及玻璃
11、金属及玻璃钢压力容器安全力容器安全检测)CryogenicVesselTesting(声声发射射应用于低温容器用于低温容器检测)SphereTesting(声声发射射对球罐的球罐的检测)StorageTankIntegrateVerification(声声发射射对储罐完整性的罐完整性的检测)TankBottomConditionAssessment(声声发射射对罐底状况的罐底状况的评价价)QuantitativeGasValveLeakDetection(声声发射射对气体气体阀门泄漏定量泄漏定量检测)TubeTrailerTestingRailRoadTankCarTesting(声声发射射对
12、铁路罐路罐车的的检测)CorrosionDetection(声声发射腐射腐蚀检测)BuriedPipelineLeakDetection(声声发射射对埋地管道埋地管道检测)ConcreteTesting(声声发射射对混凝土混凝土检测)RockTesting(声声发射射对岩石岩石检测)BridgeandInfrastructureTesting(声声发射射对桥梁及地基梁及地基检测)PartialDischargeDetectionofTransformersandGasInsulatedStation(声声发射射应用于用于变压器及器及GIS局部放局部放电检测)PowerPlantSteamPip
13、elineandBoilerLeakDetection(声声发射射对电站蒸气管道及站蒸气管道及锅炉泄漏的炉泄漏的检测)AerialLiftingDeviceTesting(声声发射射对吊吊车设备检测)AgingAircraftTesting(声声发射射对老化老化飞机机结构的构的检测)Aircraft&AerospaceStructureandFatigueTesting(声声发射射应用于用于飞机及宇航机及宇航结构疲构疲劳检测)HardDiskDriveContactStart/StopTesting(声声发射用于硬射用于硬盘驱动器器检测)ToolWearandToolBreakageDetec
14、tion(声声发射射对工具磨工具磨损及断裂及断裂监测)WeldingProcessingMonitoring(声声发射在射在焊接接过程程监测)BearingandGearConditionMonitoring(声声发射射对轴承及承及齿轮的的监测)ProcessDiagnosis(声声发射用于射用于过程程诊断断)l北京声北京声华兴业科技有限公司是科技有限公司是专业的无的无损检测仪器生器生产商。公司商。公司从事声从事声发射射检测仪、管道泄漏、管道泄漏检测仪、超声波探、超声波探伤仪、超声波、超声波测厚厚仪,超声波液位,超声波液位计等声学等声学测试仪器的研器的研发、生、生产和技和技术应用服用服务。本公
15、司生。本公司生产的的产品广泛品广泛应用于用于压力容器、机械加工、隧道力容器、机械加工、隧道桥梁、梁、矿山山设备、各种材料断裂等方面的无、各种材料断裂等方面的无损检测和和测试。l北京声北京声华兴业科技有限公司于科技有限公司于2007年自主研年自主研发出出USB2.0接口接口的多通道声的多通道声发射射检测仪,并于当年在美国加州第六届世界声,并于当年在美国加州第六届世界声发射射会会议和第十五届美国声和第十五届美国声发射会射会议上上发布世界上第一台多通道布世界上第一台多通道USB2.0接口的声接口的声发射射检测仪产品。自品。自1998年声年声华科技研科技研发出第一出第一台台PCI多通道数字声多通道数字
16、声发射系射系统E98至今,我至今,我们从未停止从未停止过对于声于声发射前沿技射前沿技术研究和研究和产品品创新的追求。新的追求。l北京声北京声华兴业科技有限公司于科技有限公司于2006年自主研年自主研发出第一代超声出第一代超声波波测厚厚仪,目前已,目前已经拥有穿透涂有穿透涂层功能的超声波功能的超声波测厚厚仪、高精度、高精度大量程超声波大量程超声波测厚厚仪等系列各型号的超声波等系列各型号的超声波测厚厚仪产品。品。l北京声北京声华兴业科技有限公司于科技有限公司于2008年开年开发出第一代出第一代SUFD1型型超声波探超声波探伤仪,目前已,目前已经拥有有2个系列个系列6各型号的超声波探各型号的超声波探
17、伤仪。l北京声北京声华兴业科技有限公司于科技有限公司于2009年年5月研制成功管道泄漏月研制成功管道泄漏检测定位系定位系统,目前,目前产品分品分为用于用于现场快速定位的管道泄漏快速定位的管道泄漏检测仪,以及管网在,以及管网在线长期期监测用途的管道泄漏用途的管道泄漏检测系系统。(1)声发射是一种)声发射是一种动态检验动态检验方法,声发射探测到的能量来自被方法,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;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)在一次试验过程中,声发射检验能
18、够整体探测和评价整个结构中结构中活性缺陷活性缺陷的状态;的状态;(3)由于对构件的)由于对构件的几何形状不敏感几何形状不敏感,而适于检测其它方法受到,而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。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)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时或连续信息,因而适用于工业过程在线监控在线监控及早期或临近破及早期或临近破坏预报;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)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,如能接近环境下的检测,如
19、高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境;等环境;声发射技术的优点声发射技术的优点 (1)(1)声发射特性声发射特性对材料敏感对材料敏感,又易受到机电噪声的干,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;场检测经验;(2)(2)声发射检测一般需要声发射检测一般需要适当的加载程序适当的加载程序。多数情况。多数情况下,可利用现成的加载条件,但还需要特作准备;下,可利用现成的加载条件,但还需要特作准备;(3)(3)由于声发射的由于声发射的不可逆性不可逆性,实验过程的声发射信号,实验过程的声发射信
20、号不可能通过多次加载重复获得,因此,每次检测过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。成宝贵数据的丢失。声发射技术的局限声发射技术的局限 概述概述 声发射的理论基础声发射的理论基础 声发射信号的检测与分析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声发射在设备状态监测中的应用主要内容主要内容 声发射波的传播声发射波的传播 声发射波的衰减声发射波的衰减 凯撒效应凯撒效应 费利西蒂效应费利西蒂效应声发射的理论基础声发射的理论基础声发射波的传播形式:声发射波的传播形式:l纵波纵波l横
21、波横波l表面波(瑞利波)表面波(瑞利波)l板波(板波(在板厚与波长相当的薄板中传播的波)在板厚与波长相当的薄板中传播的波)声发射波的传播声发射波的传播半无限体自由表面半无限体自由表面:(如薄板)如薄板)在固体介质中,声发射源处同时产生在固体介质中,声发射源处同时产生纵波纵波和和横波横波两种传播模式。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。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体自由表面上,一定的条件下还可
22、转换成表面波表面波,厚度接近波长的,厚度接近波长的薄板中又会发生薄板中又会发生板波板波。O-O-波源波源 L-L-纵波纵波 S-S-横波横波 R-R-表面波表面波声发射波的传播声发射波的传播 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情况不多,经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板厚钢板,波在这种介,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。式转换。这样传播的波称为循轨波。具有一定厚度的材
23、料:具有一定厚度的材料:O-O-波源波源 L-L-纵波纵波 S-S-横波横波 R-R-表面波表面波声发射波的传播声发射波的传播 衰减衰减就是信号的就是信号的幅值随着离开声源距幅值随着离开声源距离的增加而减小。衰离的增加而减小。衰减控制了声源距离的减控制了声源距离的可检测性。可检测性。压力容器衰减曲线压力容器衰减曲线声发射波的频率越声发射波的频率越高,则衰减越严重高,则衰减越严重声发射波的衰减声发射波的衰减引起声发射波衰减的原因:引起声发射波衰减的原因:l几何扩展衰减: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
24、大使面积上的能量逐渐减传播距离的增加,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。少,造成波的幅值下降。l材料吸收衰减: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。度随传播距离以指数式下降。l散射衰减: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、波的不规则反射,使波源原传播方向上的
25、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。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:措施包括:减小传感器间距。减小传感器间距。声发射波衰减的抑制:声发射波衰减的抑制:声发射波的衰减声发射波的衰减 凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在1
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