声发射第三章--声发射波的探测(2015年11月)
声发射培训教材
声发射技术简介及有关标准国家质检总局锅检中心第一章概论1.1 声发射技术概念声发射技术（AET—Acoustic 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（AE—Acoustic 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μV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：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④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：①检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；②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。
声发射检测
（5）复合材料：研究和测量复合材料内基体和纤维的断 复合材料： 脱开、分层和整体失效等； 裂、脱开、分层和整体失效等； 磁性材料：通过测量磁声发射的信号， （6）磁性材料：通过测量磁声发射的信号，研究磁性材 料的某些特性； 料的某些特性； 陶瓷材料：研究陶瓷材料的受力和破坏特性， （7）陶瓷材料：研究陶瓷材料的受力和破坏特性，对陶 瓷材料进行无损评估； 瓷材料进行无损评估； 核工业领域：对核容器和管道的泄漏进行监测， （8）核工业领域：对核容器和管道的泄漏进行监测，对 核压力容器进行无损检测和安全评定； 核压力容器进行无损检测和安全评定； 焊接过程控制： （9）焊接过程控制：通过实时监测焊接过程中金属冷却 产生的声发射信号来控制焊接质量； 产生的声发射信号来控制焊接质量； 10） 机械加工： （ 10 ） 机械加工 ： 通过探测机械加工过程中产生的声发 射 信号，监测刀具的磨损情况； 信号，监测刀具的磨损情况； 11） 机械诊断： （ 11 ） 机械诊断 ： 通过监测机器在运转过程中产生的声 发 诊断机器轴承的磨损情况。 射信号 ，诊断机器轴承的磨损情况。
12） 医学领域 ： 研究骨头的摩擦 |受力和破坏特性 ， 无 12）医学领域：研究骨头的摩擦|受力和破坏特性， 损 检测和评价骨关节的状况。 检测和评价骨关节的状况。
4
压力容器的声发射检测（球罐、尿素合成塔、 压力容器的声发射检测（球罐、尿素合成塔、
长管拖车） 长管拖车）
a 准备工作 b 布置换能器和校准声发射仪器 c 升压并进行声发射检测 d 检测结果的分析与评价
5 储油罐的泄漏检测（地下加油站） 储油罐的泄漏检测（地下加油站）
5 声发射检测特点
a 能够检测出活动的缺陷，即材料的断裂和裂纹的扩展， 能够检测出活动的缺陷，即材料的断裂和裂纹的扩展， 从而为使用安全性评价提供依据； 从而为使用安全性评价提供依据； b 可远距离操作，长期监控设备允许状态和缺陷扩展情 可远距离操作， 况； c 无法探测静态缺陷； 无法探测静态缺陷； d 设备价格昂贵； 设备价格昂贵； e 检测过程中干扰因素较多； 检测过程中干扰因素较多； f 声发射检测完成后，一般需要常规无损检测方法（UT） 声发射检测完成后，一般需要常规无损检测方法（UT） 复验。 复验。
声发射及其基本原理
声发射是材料受外力或内力作用产生变形或断 裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象。 声发射也指固体内部的缺陷或潜在缺陷，在外 部条件作用下改变状态而自动发声。
声发射检验的基本原理就是由外部条件（如力、 温度等）的作用而使物体发声，根据物体的发 声推断物体的状态或内部结构变化。
声发射信号单参数分析方法
经历图分析方法：声发射信号经历分析 方法通过对声发射信号参数随时间或外 变量变化的情况进行分析，从而得到声 发射源的活动情况和发展趋势。最常用 和最直观的方法是图形分析。经历图分 析方法可用于进行声发射源的活动性评 价 ，如凯赛尔(Kaiser)效应评价 。
声发射信号单参数分析方法
声发射特点
声发射检测是一种动态无损检测方法。可获得关于缺陷的动态 信息，从而评价缺陷的严重性和危险性，还可连续长期监视大 型构件在使用过程中的安全性。
声发射不需移动传感器，操作简便。可以大面积检查和监视缺 陷的活动情况，确定缺陷所在位置。灵敏度高，在用声发射获 得缺陷的动态信息后，常需用超声、X射线和磁粉等方法验证， 有时需微观分析方法补充。
其他分析方法
谱分析 谱分析是工程信号处理中广泛使用的一 种方法，是通过对信号进行短时傅立叶变换， 把时域信号转换到频域中，用频谱特性去分析 和表现时域信号的特性。
小波分析 主要是小波基的选择、小波分析尺度 的选择以及特征提取的方法。
神经网络的训练与局部决策 神经网络的训练过 程的目标误差精度和最大迭代次数可根据实际 应用由用户自己设置。
声发射信号有两种基本类型
连续型：声发射信号的幅度低，仪器测试系统 的放大倍数要高（通常大于104）
突发型：幅度高的单个应力波脉冲 这种分类不是绝对的，当突发型信号的频度大
声发射监测技术
机械设备故障诊断讲稿＿＿声发射监测技术声发射技术是根据结构内部发出的应力波来判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测技术。
由于该方法能连续监视结构内部损伤的全过程，因此得到了广泛应用。
一、声发射监测的基本原理在日常生活中，人们会注意到，折断竹杆可以听到噼啦的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。
通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。
其实质是物体受到外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放能量的一种现象。
由于声发射提供丁材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。
声发射源往往是材料损坏的发源地。
由于声发射源的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态(存在、位置、严重程度)，而且可知道它形成的历史，并预测其发展趋势。
这就是声发射监测的基本原理。
二、声发射监测具有以下持点：(1)声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息。
结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报警。
而超声波探伤，只能检测过去的状态，属于静态情况下的探伤。
(2)声发射监测不受材料位置的限制。
材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。
(3)声发射监测只接收由材料本身所发射的超声波；而超声波监测必须把超声波发射到材料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。
(4)灵敏度高。
结构缺陷在萌生之初就有声发射现象；而超声波、x射线等方法必须在缺陷发展到一定程度之后才能检测到。
(5)不受材料限制。
因为声发射现象普遍存在于金属、塑料、陶瓷、木材、混凝土及复合材料等物体中，因此得到广泛应用。
由于声发射具有以上特点，因此得到了科学家和工程技术人员的重视。
美国在l 964年就研制成功一套实用的声发射监测系统，并用于火箭发动机壳体水压试验的监测。
声发射实验原理和仪器介绍(全文)
声发射实验原理和仪器介绍1、实验原理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进展状态，就要在固体表面接收这种声发射信号。
接收、处理、分析和显示声发射信号便是对声发射信号的处理过程。
固体材料内部缺陷的发生和扩展，以弹性波的形式释放能量，并向四周传播，缺陷便成为声发射源。
为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置，可以将几个压电换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器阵（或称阵列），测定声源发射的声波传播到各个换能器的相对时差。
将这些相对时差代入满足该阵几何关系的一组方程求解，便可以得到缺陷的位置坐标。
在实际操作中，通常有以下几种定位方法：1）直线定位法。
2）归一化正方阵定位法。
3）平面正方形定位法。
4）平面正三角形定位法。
5）任意平面三角形定位法。
6）球面三角形定位法。
7）区域定位法。
在实际操作中，我们常常采纳直线定位法。
下面我们将简单介绍直线定位法。
直线定位法就是在一唯空间中确定声发射源的位置坐标，亦称线定法。
线定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷和裂纹的定位。
在一唯空间放置两个换能器，它们所确定的源位置必须在两个换能器的连接直线或弧线上。
如下图1所示，取坐标原点为两换能器之间连接直线的中点，取12的方向为正方向。
如换能器1首先接收到声发射信号，时差计数器所计的数值取负号；反之，换能器2首先接收到声发射信号，时差计数值取正号。
2、实验仪器介绍声发射信号是前沿时间只有几十到几百毫微秒、重复频率高的瞬变随机波信号。
局部瞬变产生的声发射波在试样表面的垂直位移约为10-7～～10-14米，频率分布在次声到超声频率范围（几千赫兹到几十赫兹）。
目前的声发射仪器大体上可分为两个基本类型，即单通道声发射检测仪和多通道声发射源定位和分析系统。
单通道声发射检测仪一般采纳一体结构，也可以采纳组件组合结构。
它由换能器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器以及数模转换器组成。
无损检测技术中的声发射检测方法
无损检测技术中的声发射检测方法声发射检测方法是无损检测技术中的一种重要方法，它通过监测材料或结构在受力或变形时产生的声波信号，识别出潜在的缺陷或病态信号，从而实现对材料或结构的监测和评估。
声发射检测方法具有灵敏度高、可靠性强、非破坏性的特点，被广泛应用于航空航天、能源、交通、制造等领域。
声发射检测方法的基本原理是利用物体在受力或变形时产生的应变能释放出声波信号。
当材料或结构中存在缺陷或病态时，这些缺陷会在受力或变形时产生能量释放，从而引起声波信号的发射。
通过分析和处理这些声波信号的特征参数，可以确定缺陷的位置、大小、性质以及材料或结构的损伤程度。
声发射检测方法在无损检测领域中有着广泛的应用。
首先，它可以用于评估材料或结构的完整性。
在航空航天领域，飞机的结构完整性是至关重要的，声发射检测方法可以用来监测飞机的机翼、机身等关键结构是否存在潜在的裂纹、疲劳或腐蚀等问题。
其次，声发射检测方法还可以用于监测材料或结构在受力或变形时的响应情况。
例如，在能源领域，声发射检测方法可以用来监测核电站压力容器的变形和疲劳破坏，以确保其安全运行。
此外，声发射检测方法还可以用于提前预警材料或结构的潜在问题，以便采取相应的维修和保养措施，避免事故的发生。
声发射检测方法具有许多独特的优点。
首先，它是一种非破坏性的检测方法，不需要对材料或结构进行破坏性的取样或试验，可以对大型、复杂的结构进行在线监测。
其次，声发射检测方法对缺陷的敏感性高，能够检测到微小的缺陷，如微小裂纹、微小气泡等。
第三，声发射检测方法具有较高的可靠性和准确性，可以对缺陷进行实时监测和评估，及时发现潜在问题并采取相应的措施。
此外，声发射检测方法还具有较强的定位能力，可以确定缺陷的具体位置和分布。
然而，声发射检测方法也存在一些局限性。
首先，对于复杂结构和材料的检测，声发射检测方法可能受到环境噪音的干扰，影响信号的采集和处理。
其次，在某些情况下，声发射检测方法可能存在误报和漏报的情况，需要进一步的分析和判断。
声发射检测
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。
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
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：
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。
声发射检测原理
五、声发射信号的种类和参数
目前人为的将声发射信号分为突发型和连续 型。如果声发射事件信号是断续的,且在时间上可 以分开，那么这种信号就称为突发型声发射信号， 如下图所示。裂纹扩展、断铅信号等都是突发型声 发射信号。
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型声发射信号。如 下图所示。一般流体泄露，金属塑性变形等都是连 续型信号。
突发型声发射信号的各个参数 Db=20lg(v/1uv)-pre
Hale Waihona Puke 撞击:超过门槛并使某一个通道获取数据的任何信 号称之为一个撞击。它反映了声发射活动的总量和 频度,常用于声发射活动性评价。 事件：同一个撞击被多个通道同时检测到并能进行 定位. 计数：超过门槛信号的振荡次数，用于声发射活动 性评价。 能量：信号检波包络线下的面积，反映信号的强度 持续时间：信号第一次越过门槛至最终降至门槛所 经历的时间间隔。 上升时间：信号第一次越过门槛至最大振幅所经历 的时间
三、声发射检测的优点
声发射检测方法在许多方面不同于其它常 规无损检测方法,其优点主要表现为: （1）声发射是一种动态检验方法，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仪器提供；
（2）声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，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；
（5） 航天和航空工业:航空器壳体和主要构件的检 测和结构完整性评价,航空器的时效试验、疲劳试验 检测和运行过程中的在线连续监测等。 （6） 金属加工：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，加工过程的碰撞探测和预防。 （7） 交通运输业：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
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第三节 材料弹性和塑性变形
大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果： 滑移 屈服 留德尔斯线（钢） 裂纹尖端塑性区 空隙增长和聚结 韧性斯裂
35
第三节 材料弹性和塑性变形
孪生变形 • 孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但
不发生在钢与铝中。 36
第三节 材料弹性和塑性变形
6 据分析显示。
1 声发射技术发展
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功能和缺陷检测准确率。
九十年代：美国PAC公司、美国DW公司和德国 Vallen Systeme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。
应变是无量纲，即无单位，应变通过分数或百分数表示 。 应力与应变的关系——在应力和应变很小的条件下，固体
材料呈弹性的性质，应力与应变成正比；当作用应力达到 较高值的条件下，应力与应变不成正比关系。 29
第二节 材料力学
材料的应力应变曲线(应力与应变的关系) 30
第二节 材料力学
弹性模量——材料在弹性变形范围里，应力与 应变的比值。
15
第一章习题：
16
第二章 声发射检测的物理基础
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第一节 材料的结构
晶体材料——固体材料中原子按一定的规则 进行排列，则这些材料被称为晶体材料。如 金属、陶瓷、各种无机盐和各种岩石（包括 钻石、矿石）
非晶体材料——原子以无序状态进行排列或 者原子之间互相形成长链的大分子而大分子 以无序状态进行排列，则这些材料被成为非 晶体材料，比如玻璃、各种有机固体材料 （包括塑料、、橡胶、木材）液态急冷产生
声发射标准介绍20151115
ASTM
ASTM E1419b2002 ，CGA C-18
钢制无缝压 力容器 时差定位
ISO/FDIS 16148
GB181822000 /GB181822012
金属压力容 器及管道 时差定位区 域定位
金属构件 时差定位
气瓶 时差定位 ， MAE
根据活动度、 高幅度、计 根据源的强 结果评价参数 数率、大幅 度和活动度 度信号等参 数
相同
相同，其他无损验证 相同 相同 无
第一部分：标准的理解
小结： （本标准的与国内外标准相比较有几个特点： ） 从涵盖范围来说，包括压力容器、压力管道、锅炉，包 括新制造和在役； 从标准的先进性来说，检测方法标准，取消了含缺陷的 处理—评定； 从定位方法来说，本标准主要以时差或区域定位方法； 从信号的评价准则来说，根据强度和活度确定综合级别 没有考虑大幅度事件； 美国ASME标准的定位方法还是采用区域定位方法。 发现缺陷的处理没有给出建议
美国标准:压缩气体协会 CGA
CGA C-18管制无缝气瓶声发射检测方法
第一部分：标准的理解
日本标准:压缩气体协会
JISZ2342-2003压力试验过程中压力容器的
声波发射试验方法和试验
第一部分：标准的理解
国际标准(ISO)： ISO12713-1998 无损检测 声发射检测 换能
NB/T 4730-2012 承压设备无损检测 第９部分：声发射检测 GB/T 181820-2012 /00 金属压力容器声发射检测及评价方法
第一部分：理解标准
第二部分：使用标准
NB/T 4730-2012 承压设备无损检测 第９部分：声发射检测 GB/T 181820-2012 金属压力容器声发射检测及评价方法
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第二节
传感器
激光脉冲法的标定
原理如下：在一个大的铝块上置一水箱，利用二氧化碳脉冲 激光器发出的激光光束与水的表面作用，在水中产生冲击 波，用非接触的光学方法测量冲击波的压力，控制冲击波 的强度。置于铝块下表面的待定传感器接收冲击波。
第二节
传感器
玻璃毛细管破裂装置
工作原理：标定块为762ⅹ762ⅹ381毫米，重量为 两吨的软钢块，内部无缺陷（经无损检测），
第二节
传感器
• 传感器的标定 ——用激励源对传感器的技术参数 进行核准。 • 传感器的标定方法 ——因激励源和传播介质不同， 可以组成多种多样的方法，但是不管哪一种方法， 目前都没有被普遍承认。 • 激励源 ——用于激发声发射信号的装置。 • 激励源的种类——噪声源、连续波源和脉冲波源 三种类型。属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀 和金镉合金相变等；连续波源可以由压电传感器、 电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生；脉冲 波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断 裂、落球和激光脉冲等产生。
第二节
传感器
• 传感器的主要元件——传感器通常由敏感元件、 转换元件和转换电路组成 。 这些元件的功能是： 敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出 某一物理量（包括电学量）。 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。
第一节
压电效应
• 正压电效应的应用——利用正压电效应制成的压 电式传感器，将压力、振动、加速度等非电量转 换成电量，从而进行精密测量。利用正压电效应 研制的压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点 火装置等多种电压发生器；在测试技术中，压电 转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可 变换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机 械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇 航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。
第一节
压电效应
• 逆压电效应的应用——利用逆压电效应可制成超 声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体 振荡器（如每昼夜误差<2×10-5s的石英钟、表） 等。逆压电效应可用于声发射信号产生。 • 声发射探头的压电元件：
第二节传感器Fra bibliotek• 声发射传感器（探头、换能器）——可以把声发 射信号转换成电信号的装置。 • 传感器工作原理——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。利用了诸多的效应（包括物理效应、 化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料 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。在声发射检测过程中，通常使用 的是压电效应。
第二节
传感器
玻璃毛细管和待定传感器置于中心位置附近。传 感器接收到信号的记录时间是130微秒，在记录 时间内，应不受边界反射波的影响。传感器接收 的信号经放大和滤波后，由瞬态记录仪存储记录， 经计算机进行频谱分析。玻璃毛细管的直径为 0.3—0.25毫米，用一个石英力规测量压破玻璃管 的力。用电容传感器作为标准传感器测量由于玻 璃毛细管破裂产生脉冲波的垂直位移δ，实际测得 的结果与根据理论计算公式进行比较。
前放
主放
参数采 集处理
记录 显示
第一节
压电效应
• 压电效应分类——正压电效应、逆压电效应。 • 正压电效应——当某些电介质沿一定方向受外力 作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负 异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状 态，这种现象就被称为正压电效应
正压电效应
第一节
压电效应
逆压电效应——当在电介质的极化方向施加电场， 某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机 械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消 失，这种物理现象称为逆压电效应。
第二节
传感器
电火花装置
第二节
传感器
断裂铅笔芯 • 断裂铅笔芯原理：可以产生一个阶跃函数形式的 点源力。采用直径为0.3毫米的、2H石墨铅笔芯。 这种方法简单、经济、重复性好，而且调节铅笔 芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向。 载荷突然释放的时间与玻璃毛细管相近（<0.1微 秒），适当地配用力规也可以测出力的大小。采 用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法， 计算40微秒接收波形结果与实验相一致。铅笔芯 断裂源设备简单容易携带常应用于工程应用现场 的传感器标定。
第三章 声发射波的探测
声发射检测就是检测接收声发射信号并进 行分析得到声发射源（缺陷）的信息。
大型储罐检测示意
球罐检测示意
贮罐
油面
V
腐蚀信号
t
内置前 放的传 感器
腐蚀点
信号电 缆线
内置 声发射 卡 计算机系统
常压储罐的声发射检测
低温储罐的声发射检测
常压储罐底板声发射检测的开罐验证
由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱， 这个频率谱所包括的频率范围可以从几赫兹到几十 兆赫兹，因此，在进行某项具体的检测工作时，首 先应该知道所要检测的材料(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上下限。 在频率窗口确定后，就能依此为根据来选定传感器 和带通滤波器。
第一节
压电效应
压电效应的特点——压电效应是可逆的，正压 电效应和逆压电效应的总称为压电效应。习惯 上把正压电效应称为压电效应。
第一节
压电效应
• 压电常数 —— 电介质受力所产生的电荷与外力的 大小成正比，比例系数为压电常数(压电应变常数、 压电电压常数、厚度振动频率常数、机电耦合系 数)。它与机械形变方向有关，对一定材料一定方 向则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于 变形的形式（压缩或伸长）。 • 厚度振动频率常数 ——当压电晶片的厚度t等于该 频率下的半波长 λ 时，压电晶片将产生共振 ,t=0.5 λ, t=0.5v/f，ft=常数。压电晶片的谐振频率与厚 度的乘积为一常数，大约为0.5倍波速。
第一节
压电效应
压电材料——具有明显压电效应的材料称为压 电材料。常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、 镓酸锂LiGaO3、锗酸铋Bi12GeO20等单晶和经 极化处理后的多晶体如钛酸钡压电陶瓷、锆钛 酸铅系列压电陶瓷 PZT 。锆钛酸铅压电材料灵 敏度高,是声发射传感器常用材料。铌酸锂居里 点达1200 ℃，可用作高温传感器。
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。 假定传感器所在区域的输入参量是均匀的，就可排除与位置的 相关性。（传感器有一定的大小，作用在每点上的力学量不同，而实际
测出的是对作用在作用面上的平均值。传感器的输入和它所在的位置有关）
假定传感器的输入就是无传感器时的输入。（传感器的存在会改变
铅笔芯折断标定。
第三节
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。
1—压电元件 5—高频插座
2—壳 6—吸收剂
3—上盖 7—底座
4—导线 8—保护膜
第二节
传感器
• 传感器的输入与输出——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。
第二节
传感器
• 实际现场声发射检测中的传感器标定—— 多通道声发射系统工程应用中还常用声发 射传感器自身产生声发射信号来进行传感 器性能简易标定（具体方法是输入给系统中某声发
射传感器电脉冲使其产生声信号并在应用对象中传播，其 它传感器接收这个信号，根据接收信号的有无、幅度大小、 波形频率特征等情况判断传感器的工作情况。）或用
第二节
传感器
• 作为标定传感器用的激励源要求 ——在测 量的频率范围内，希望具有恒定的振幅。 • 实际标定传感器用的声发射激励源——脉 冲源。 • 脉冲源种类及性质——在脉冲源中，激光 脉冲设备昂贵，限制了它的应用；玻璃毛 细管很难做到壁厚均匀，在使用中难以获 得良好的重复性；落球法获得的信号频率 低；电火花法受气候、湿度和其它因素影 响；铅笔芯断裂法受操作人和材料表面条 件影响。
d(t) 系统 T(t) u(t)
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， 简化处理假定只有垂直分量作用在传感器上。由此建立输 入与输出两组标量之间的转换关系。
第二节
• 传感器灵敏度——
传感器
U ( ) T ( ) D( )
传感器
• 声发射传感器灵敏度要求——在一般情况下，传 感器的灵敏度要求不低于0.5千伏/米.秒-1。 • 前置放大器要求——由传感器接收到的信号转换 为电信号后，由同轴屏蔽电缆馈送给前置放大器。 在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。一 般要求前置放大器具有40~60分贝的增益，噪声电 平不超过5微伏，并有比较大的输出动态范围和频 率宽度。 • 声发射传感器应真实反映声源信息，即传感器将 检测到的信号转换为电信号时，应尽量减少畸变
第一节
压电效应
• 新型压电材料：有高分子压电薄膜（如聚 偏二氟乙烯 PVDF ）和压电半导体（如 ZnO 、 CdS）。 • 单晶材料的压电效应是由于这些单晶受外 应力时其内部经格结构变形，使原来宏观 表现的电中性状态被破坏而产生电极化。 经极化（一定温度下加以强电场）处理后 的压电陶瓷、高分子压电薄膜的压电性是 电畴、电极偶子取向极化的结果。