声发射检测技术基本原理及漏点的确定(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

1.声发射检测技术基本原理

  声发射(ACOUSTIC EMISSION,简称AE) 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,也称为应力波发射。声发射是一种常见的物理现象,大多数工程材料变形和断裂时都有声发射产生,如果释放的应变能足够大,还可产生人耳听得见的声音。例如坐在椅子上晃动身体时,可以听见嘎吱声。

  在检测实践中,通常我们需要借助灵敏的电子仪器来探测从缺陷处发出的声发射信号,这种利用仪器探测、记录、分析声发射信号并利用声发射信号进一步推断声发射源性质的技术称为声发射检测技术。该技术涉及声发射源、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。

  由于声发射的产生机制不同,传统意义所讲的声发射检测技术主要是采集并分析突发型声发射信号来推断结构损伤严重性的技术。而分析由于泄漏介质与漏孔摩擦产生的连续型声发射信号推断泄漏的部位、大小的技术称为声发射泄漏检测技术。

2声发射泄漏检测技术原理

  声发射泄漏检测技术是声发射技术应用的重要分支之一。其原理是:当气体或液体在一定压力作用下从漏孔泄漏时会在漏孔处激发出连续的机械波,通过示波器观察泄漏激发的声发射波形,其形状为幅度波动很小的、连续的、几乎无任何规律的波动。泄漏声发射波的频带范围分布随漏孔大小、泄漏速度、泄漏介质不同可从几Hz到几百kHz不等。利用适合的声发射传感器接收这些来自泄漏部位的声发射波,然后将机械波转变成电信号并放大后传送至声发射主机,经过分析处理就可以确定并得到泄漏的位置和泄漏量的大小等信息。
一般而言,泄漏量越大,激发的声发射信号幅度也越高。对于声发射泄漏检测技术而言,所用的传感器频率越低,则能监听更远距离的泄漏源。由于受到环境噪声的影响,声发射泄漏检测的频率范围多数在几十KHz~几百KHz之间。资料显示,目前声发射泄漏检测的灵敏度最高可以达到10-2~10-3P.m3/s。因此,可以看出声发射泄漏检测技术是一种相对灵敏度较低的检测技术,目前其主要应用在航空航天、石油化工、电力、核电等行业的管路、阀门、容器、贮罐等。

3 声发射泄漏信号的表征

  泄漏激发的声发射信号属于连续型声发射信号,表征连续型声发射信号的大小通常用平均信号电平值(简称ASL)和有效值电压(RMS)来表示。ASL值是用dB表示的信号幅度的平均值,RMS值是用电压V表示的信号幅度的平均值。一般而言,RMS值表征泄漏信号比ASL值要灵敏些,一些专用的声发射泄漏检测仪器就是利用RMS值的变化来推断泄漏是否发生的。而一些通用的声发射检测系统,则多通过观察ASL值的变化来判断泄漏是否发生。

  声发射泄漏检测时,采集到的信号RMS值和ASL值是一种综合效应,除泄漏声发射信号外还包括仪器本身的电噪声、环境电磁噪声、流体噪声、结构变形声发射等等。在这些影响因素中,仪器本身电噪声对于一台特定的仪器基本是固定不变的,而环境电磁噪声则随检测环境不同而变化较大。随着仪器制造水平的不断提高,仪器适应环境噪声的能力已经大大提高,除非在非常恶劣的电磁环境中,例如靠近大功率发射台站等,其对信号幅度的影响不是特别显著。

  流体噪声和结构变形声发射是声发射泄漏检测的主要影响因素。对于流体噪声,我们经常会在在线检测管路和容器时遇到,由于其声发射机制与泄漏产生声发射的机制一致,因此最难排除和处理,通常解决这类噪声的影响,只能采取提高检测频率,牺牲检测灵敏度的办法。对于结构变形声发射的影响,我们可以在保压时进行泄漏监测,因为保压时,大多数结构的声发射会趋于平静、收敛,这时结构变形声发射对监测的影响最小。

  综上可以看出,判断是否发生泄漏的主要办法就是观察信号幅度(ASL或RMS值)是否异常上升并维持在一定的水平,排除干扰因素后就基本可以判断是否发生了泄漏。

4 泄漏源位置的确定

  在声发射泄漏检测中,泄漏源位置的确定一直是技术的难点。从泄漏声发射定位技术上看,泄漏源定位主要包括区域定位和时差定位。

  区域定位可以确定泄漏源大致的发生在哪个检测通道监视区域内,而准确定位则需要通过其它手段来实现。例如当泄漏产生时,在泄漏源处会激发出连续的声发射信号,这些声波以泄漏源点为中心向四周传播,这样信号就被布置在四周的声发射传感器所接收,各通道所接受的信号大小就在仪器上以ASL值或RMS值的形式显示出来。假如被检结构是各向同性并在各个传递方向上声波衰减率一致。则可以做出如下判断:哪个通道的信号幅度高则泄漏源距离这个检测通道最近。这样就可大致确定泄漏产生的区域。如果同时比较其它检测通道的信号幅度高低还可以进一步缩小泄漏源所在的区域。这种方法对于单一泄漏源的判断比较适合,然而对于在监测区域内存在多个泄漏源时则判断就十分困难。?

  泄漏信号的时差定位技术是声发射泄漏检测技术研究的热点。近来有文献表明,在单点泄漏的情况下可以利用两个声发射通道进行成功定位。时差定位法可以较为准确的确定泄漏源的位置,常用的有幅度衰减法、互相关法等等。幅度衰减法的原理是利用事先测量被检对象在各个方向的信号幅度衰减曲线,并利用两个或两个以上传感器的已知位置距离和对应的信号幅度值进行计算来确定泄漏源的准确位置。

  另外一种时差定位方法为互相关时差定位法,其原理是采集多通道声发射信号的波形,通过波形分析和频谱分析利用数学互相关的方法来确定泄漏源信号到达传感器阵列各传感器的时差,进而确定泄漏源的位置。这种技术在工况简单的构件上有较好的效果,但对于复杂的构件、多点泄漏源的情况,由于声波传播过程的衰减和波形畸变严重,使得这种方法定位精度受到很大干扰。

  从检测实践来看,无论哪种定位方法,都有自身的局限性,在实际应用中会受到各种干扰因素的影响,一般而言不同材料、结构的被检件其定位的具体算法和判断也有很大差异。实践证明,结构越简单定位准确率也越高。

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