声发射源定位的测试方法

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无损检测之声发射检测

无损检测之声发射检测无损检测之声发射检测7.声发射检测声发射检测技术是一种与X射线、超声波等常规检测方法不同的、特殊无损检测方法。

用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。

7.1 声发射的概念声发射——材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。

（AcousticEmission，简称AE），也称为应力波发射。

声发射事件—引起声发射的局部材料变化。

声发射源——材料中直接与变形和断裂机制有关的弹性波发射源声发射源的实质是指声发射的物理源点或发生声发射的机制源。

材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。

其它声发射源——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。

也称为二次声发射源。

声发射技术是一种动态无损检测方法，它通过探测受力时材料内部发出的应力波判断承压设备内部损伤程度。

声发射检测技术主要用于在用承压设备装个系统安全性评价。

原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

声发射检测的的主要目的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，以精确确定缺陷的性质与大小。

示例：球罐的声发射检测能力范围a）能检测出金属材料承压设备加压试验过程的裂纹等活性缺陷的部位、活性和强度；b）能够在一次加压试验过程中，整体检测和评价整个结构中缺陷的分布和状态；c）能够检测出活性缺陷随载荷等外变量而变化的实时和连续信息。

局限性a）难以检测出非活性缺陷；b）难以对检测到的活性缺陷进行定性和定量，仍需要其它无损检测方法复验；c）对材料敏感，易受到机电噪声的干扰，对数据的正确解释要有较为丰富的数据库和现场检测经验。

全相位与Geiger算法的岩石声发射源定位方法

全相位与Geiger算法的岩石声发射源定位方法黄晓红;孙国庆;张凯月【摘要】Geiger定位算法在岩石定位分析中得到广泛应用，但是对初始值要求非常严格，若初始值选择不当，则很难进入收敛范围。

为了提高定位精度，减少迭代次数，针对这些问题，提出全相位与Geiger算法的岩石声发射源定位方法。

首先进行花岗岩（50 mm×100 mm×50 mm）断铅实验，接着充分利用全相位FFT 相位不变性的优势分析断铅信号，通过相位差法求出时延同时反演声发射源求出Geiger迭代初始值，最后综合最小二乘法与Geiger算法，迭代求出最优解。

实验仿真结果显示此算法的平均误差相比美国PCI-2型声发射仪器定位结果降低了约5 mm，有效解决了Geiger初始值选取的问题，能够迅速进入收敛范围，提高了收敛速度和定位精度。

%Geiger localization algorithm is widely used in the analysis of rock localization,however,it is very strict on the initial value,if the initial value is not properly selected,it is difficult to enter the convergence range. In order to improve the positioning precision and reduce the number of iterations,rock acoustic emission source localization method based on all phase and Geiger algorithm is put forward. First of all,the experiment was carried out on the granite(50 mm×100 mm×50 mm). Secondly,making full use of the advantage of apfft phase invariance to analyse the lead signal,and the delay time is obtained by the phase difference method,at the same time,the initial value of the Geiger iteration is obtained by the inversion of the acoustic emission source. In the end,combining least square method and Geiger algorithm to obtain optimum solution. Experimental simulation results are shown:Comparingthe positioning results of the United States PCI-2 type acoustic emission instrument,the average error decreased by about 5 mm. This method can effectively solve the problem of selecting the initial value of Geiger,so that it can quickly enter the convergence range,improving the convergence speed and positioning accuracy.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2016(029)011【总页数】6页(P1705-1710)【关键词】信号分析;声发射源定位;全相位相位差;Geiger;最小二乘法【作者】黄晓红;孙国庆;张凯月【作者单位】华北理工大学信息工程学院，河北唐山063009;华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009;华北理工大学信息工程学院，河北唐山063009【正文语种】中文【中图分类】TU45在一般情况下，由于受力或其它作用下，材料产生瞬间弹性波的现象被称为声发射AE（Acoustic Emission）。

石灰岩声发射分析及源定位研究

张：＝对于ＫＡ２：：对于ＫＡ：
一
（４）
从信的角度来说，小波去噪是对信号进行滤波，在去噪后还能成功地保留原始信号的特征号学，所以在这一点上优于传统的低通滤波器。因此，小波去噪实际上是提取特征参数和低通滤波功能的综合。２．互相关分析两个随机的时间历程和互相关函数的定义是在时，在时乘积的平均值，即：
摘
要：首先，利用声发射仪器对石灰岩样品进行声发射断铅试验来获取声发射信号；然后，用小波变换对获取的声发射信号进行去噪处理，
并用互相关方法对去噪后的信号进行分析，求取各个传感器之间的时差；最后，通过最小二乘法求取声发射源坐标，并将定位结果与仪器自带的定位结果进行比较。通过比较，得出了互相关方法在声发射源定位这一领域的可行性。关键词：声发射石灰岩互相关声发射源定位利用安装在样品表面不同位置的传感器在同一时间测定某一位置的声发射信号，利用该信号到达各个传感器的时差来确定声发射源的位置坐标『５１。下图为声发射源位置确定的计算模型：
２０１３
～
望年盎１０一月＿ ■ 一
Ｃｈ中ｉｎａ国Ｃ化ｈｅｍ工贸ｉｃａｌＴ易ｒａｄｅ
石灰岩声发射分析及源定位研究
席婷
０６３００９）（河北联合大学电气工程学院。河北唐山
信息焦本
对于ＫＡ１：

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。

声源定位和GPS模拟

θφ cos1 D A2 B2
其中：
A x2(x12 y12 Δ12 ) x1(x22 y22 Δ22 )
B y2(x12 y12 Δ12 ) y1(x22 y22 Δ22 )
D
Δ1(x22
y
2 2
Δ22 )Δ2(x12
y12
Δ12 )
φ tg1 B A
Δ1 CΔt1,Δ2 CΔt2
i
[ ( Xi
X)2
( Yi
Yபைடு நூலகம்2
c2ti2 ](Yi
Y
)
0
i
[(Xi X)2 (Yi Y)2 c2ti2 ]ti2 0
i
这是一个三元非线性代数方程组，可通过牛顿迭代法求解。
实验仪器介绍
钢板作为传播媒质。传感器、放大器、脉冲发生器。时差测定仪：以单片机为核心的测量装置，
声源定位和GPS模拟
声源定位：在周围媒质性质给定的条件下，根据在有
限时间内几个位置的响应来反推出源的性质。 GPS技术：
通过导航卫星发出的电磁波信号来确定用户在地球坐标系中的位置。
本实验是在二维平面上，模拟声源定位和 GPS技术。
实验目的和教学要求
电声转换和超声波的发生、接收。声波传播特性的观察和测量。实验数据的计算机采集、通讯和处理。
置。要求测量10个点以上。编程计算3个接收器的位置及声速C，且分析
主要误差来源。（2）注意事项：
电脉冲放大后的信号必须接到时差仪的第4 通道，该通道读数为0，其余通道开始计时。
谢谢
2. GPS模拟
两维定位，只要两颗模拟“卫星” 。但为了提高定位精度，应取多个“卫星”位置和时差信息。
(Xi X)2 (Yi Y)2 C2ti2 ,(i 1,2,...)

第6章声发射检测技术

第6章-声发射检测技术第6章声发射检测技术6.1检测仪器选择的影响因素在进行声发射试验或检测前，需首先根据被检测对象和检测目的来选择检测仪器，主要应考虑的因素如下：(1) 被监测的材料：声发射信号的频域、幅度、频度特性随材料类型有很大不同，例如，金属材料的频域约为数kHz～数MHz，复合材料约为数kHz～数百kHz，岩石与混凝土约为数Hz～数百kHz。

对不同材料需考虑不同的工作频率。

(2) 被监测的对象：被检对象的大小和形状、发射源可能出现的部位和特征的不同，决定选用检测仪器的通道数量。

对试验室材料试验、现场构件检测、各类工业过程监视等不同的检测，需选择不同类型的系统，例如，对实验室研究，多选用通用型，对大型构件，采用多通道型，对过程监视，选用专用型。

(3) 需要得到的信息类型：根据所需信息类型和分析方法，需要考虑检测系统的性能与功能，如信号参数、波形记录、源定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。

表6.1列出了选择检测系统时需要考虑的主要因素。

表6.1 影响检测仪器选择的因素性能及功能影响因素工作频率传感器类型通道数源定位信号参材料频域、传播衰减、机械噪声频响、灵敏度、使用温度、环境、尺寸被检对象几何尺寸、波的传播衰减特性、整体或局部监测不定位，区域定位、时差定位连续信号与突发信号参数、波形数显示噪声鉴别存储量数据率记录与谱分析定位、经历、关系、分布等图表的实时或事后显示空间滤波、特性参数滤波、外变量滤波及其前端与事后滤波数据量，包括波形记录高频度声发射、强噪声、多通道多参数、实时分析6.2 检测仪器的设置和校准声发射检测系统的校准包括在试验室内对仪器硬件系统灵敏度和一致性的校准与在现场对已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准。

对仪器硬件系统的校准需采用专用的电子信号发生器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置放大器或仪器的主放大器。

对现场已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准采用在被检构件上可发射机械波的模拟声发射信号，模拟声发射信号的产生装置一般包括两种，一种是采用电子信号发生器驱动声发射压电陶瓷传感器发射机械波，另一种是直接采用铅笔芯折断信号来产生机械波，铅笔芯模拟源如图6.1所示。

光纤光栅声发射检测信号分析与源定位技术研究的开题报告

光纤光栅声发射检测信号分析与源定位技术研究的
开题报告
一、研究背景
光纤光栅是一种利用光学原理进行测量的传感器技术，在工业、民
用和科研领域都有广泛应用。

特别是在声学传感领域，光纤光栅声发射
探头已经成为一种有效的测量声波信号及其传播性质的工具。

通过对声
波信号的采集、分析和处理，能够实现声源定位、声场诊断、结构物健
康监测等应用。

二、研究目的
本研究旨在探究光纤光栅声发射检测信号的分析与源定位技术，通
过实验验证和数据分析，提高声源定位的精度和可靠性。

三、研究内容
1. 光纤光栅声发射检测信号的采集和分析。

2. 声源定位算法的研究与实现。

3. 实验验证和数据分析，评估算法的有效性和精度。

4. 对算法进行优化和改进，提高声源定位的可靠性和精度。

四、研究方法
1. 理论分析法：分析光纤光栅声发射探头的信号特性、声波传播模
型及声源定位算法。

2. 实验方法：利用实验装置进行声源定位实验，并采集相应的数据。

3. 数据处理方法：利用MATLAB等软件进行数据处理与分析，评估
算法的有效性和精度。

五、研究意义
通过研究光纤光栅声发射检测信号的分析与源定位技术，可以提高声源定位的精度和可靠性，为工业、民用和科研领域提供一种新的声学传感器技术。

同时，在结构物健康监测方面也可以得到广泛应用，为提高结构物安全性和可靠性提供保障。

连续声发射信号的源定位技术

n
∑ RAB (τj) =
ai + jbi
i =0
j = 0 ,1 ,2 , …, n
n
∑ RAB (τj) =
aibi - j
(3)
i =0
j = - 1 , - 2 , …, - n
n
∑ RAB (τj) =
aibi j = 0
i =0
方程 (3) 中 ai + j 和 bi - j的下标随 RAB (τj ) 中 τj 的变
在泄漏发生前预先测量信号的电平或者观察与泄漏
源相距很远的探头都可测到背景噪声信号。后一种
方法不适用于仅采用两个探头的情况或探头阵列中
的背景噪声为不均匀的情况。
3 互相关式定位方法
常用的测量两个突发型声发射波之间时差的技
术不适用于连续型声发射源 ,而互相关技术既适用
于断续波之间的时差或时间延迟测量 ,也适用于连
续波之间的时差或时间延迟测量[3 ] ,这一技术已被
成功地应用于管道声发射检测的泄漏源定位[4 ] 。
任意一个波 A ( t) 和另一个延迟时间为 τ的波 B ( t +τ) 之间的互相关函数 (CCF) 可由下式给出
∫ RAB (τ)
=
1 T
T
A ( t) B ( t + τ) d t
0
(2)
式中 T ———一个有限的时间间隔从方程 (2) 可见 , 如果 τ是变化的 , 则互相关函
幅度测量法定位与两个探头之间的相对幅度值紧密相关 ,而与探头输出的绝对幅度值无关。然而 , 这些测量必须基于两个先决条件 ,即 ①将所有通道
(b) 平面定位 ,探头 7 具有最大输出信号 , 探头 4 具有第二大输出信号

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JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY

NaturalSciencesEdition

Vol.25　No.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、T

,它们的

距离为S,当此棒受力时,棒上A点在时刻t0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,T1和T2分别在时间t1和t

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:SJB、SJC,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

t1-t0=ABV=S-ACV(1

)

t2-t0=

V(2)

由(2)式减去(1)式,可以得到∃t=

2AC-SV=S-2AB

V(3)

由(3)式改写可以得到AC=12(S+V󰃖∃t)(4)

AB=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∃t12为1、2传感器收到信号的时间差,∃t13为1、3传感器也收到此信号的时间差,如果以2号传感器为圆心,以∃t12・V为半径,则可以画出一个圆;如果再以3号传

34作者:时书丽　声发射源定位的测试方法© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net感器为圆心,以∃t13・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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net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JK触发器,

均采用IC双列直插组件.A1～A3、A16、A18为片74LSOO;A7、A10、A19、A20为1片74LSO4;

A4～A6、A8、A9、A11～A15、A17为4片74LS10;B1～B4为2片74LS76.图中SJ0

为0通道

接收的声发射信号,SJ1为1通道接收的同一声发射信号.SQ为时差单元清零按钮,

为仪器的总清按钮,按钮按下为“0”电平,弹起为“1”电平.xh0是最先收到声发射信号通道的标志,xh0=“0”表示SJ0先送入0通道,xh0=“1”表示SJ1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xh

“0”,门A14输出“0”,导致Q

—

2=“1”,Q3=“1”,Q4=“1”,即系统清零,门A3“0”→“1”.(2)手

松开后,清零按钮弹起,则门电路控制使A14输出“1”,导致B2、B3、B4进入准备工作状态.

当0通道收到SJ0后,Q2从“0”→“1”,B1开始计数,当1通道收到SJ1后,Q2从“1”→“0”,B1停止计数,计数个数为K.CP=1Λs,因为SJ0和SJ1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A3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∃t1;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∃t2;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∃t3,如图3中的(b)

所示

根据∃t1、∃t2、∃t3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3～5mm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

(

所示,正方形面定

位声发射源如图4

(

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

54作者:时书丽　声发射源定位的测试方法