聲發射檢測技術
6.1檢測儀器選擇的影響因素
在進行聲發射試驗或檢測前，需首先根據被檢測對象和檢測目的來選擇檢測儀器，主要應考慮的因素如下：
??? (1) 被監測的材料：聲發射信號的頻域、幅度、頻度特性隨材料類型有很大不同，例如，金屬材料的頻域約為數kHz～數MHz，復合材料約為數kHz～數百kHz，巖石與混凝土約為數Hz～數百kHz。對不同材料需考慮不同的工作頻率。
??? (2) 被監測的對象：被檢對象的大小和形狀、發射源可能出現的部位和特征的不同，決定選用檢測儀器的通道數量。對試驗室材料試驗、現場構件檢測、各類工業過程監視等不同的檢測，需選擇不同類型的系統，例如，對實驗室研究，多選用通用型，對大型構件，采用多通道型，對過程監視，選用專用型。
??? (3) 需要得到的信息類型：根據所需信息類型和分析方法，需要考慮檢測系統的性能與功能，如信號參數、波形記錄、源定位、信號鑒別、及實時或事后分析與顯示等。
表6.1列出了選擇檢測系統時需要考慮的主要因素。
表6.1? 影響檢測儀器選擇的因素
性能及功能?影響因素
工作頻率
傳感器類型
通道數
源定位
信號參數
顯示
噪聲鑒別
存儲量
數據率?材料頻域、傳播衰減、機械噪聲
頻響、靈敏度、使用溫度、環境、尺寸
被檢對象幾何尺寸、波的傳播衰減特性、整體或局部監測
不定位，區域定位、時差定位
連續信號與突發信號參數、波形記錄與譜分析
定位、經歷、關系、分布等圖表的實時或事后顯示
空間濾波、特性參數濾波、外變量濾波及其前端與事后濾波
數據量，包括波形記錄
高頻度聲發射、強噪聲、多通道多參數、實時分析
6.2 檢測儀器的設置和校準
6.2.1 校準信號的產生技術
聲發射檢測系統的校準包括在試驗室內對儀器硬件系統靈敏度和一致性的校準與在現場對已安裝好傳感器的整個聲發射系統靈敏度和定位精度的校準。對儀器硬件系統的校準需采用專用的電子信號發生器來產生各種標準函數的電子信號直接輸入前置放大器或儀器的主放大器。對現場已安裝好傳感器的整個聲發射系統靈敏度和定位精度的校準采用在被檢構件上可發射機械波的模擬聲發射信號，模擬聲發射信號的產生裝置一般包括兩種，一種是采用電子信號發生器驅動聲發射壓電陶瓷傳感器發射機械波，另一種是直接采用鉛筆芯折斷信號來產生機械波，鉛筆芯模擬源如圖6.1所示。
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圖6.1 鉛筆芯模擬聲發射信號裝置
6.2.2 校準的步驟
??? (1) 儀器硬件靈敏度和一致性的校準：對儀器硬件系統的校準直接采用專用的電子信號發生器來產生各種標準函數的電子信號直接輸入前置放大器或儀器的主放大器，來直接測量儀器采集這些信號的輸出。比如，GB/T18182-2000標準規定：儀器的門檻精度應控制在?2dB范圍內；處理器內的幅度測量電路測量峰值幅度值的精度為?2dB；處理器內的能量測量電路測量信號能量值的精度為?5%，同時要滿足信號能量的動態范圍不低于40dB；系統測量外接參數電壓值的精度為滿量程的2%。
(2) 現場聲發射檢測系統靈敏度的校準：通過直接在被檢構件上發射聲發射模擬源信號來進行校準。靈敏度校準的目的是確認傳感器的耦合質量和檢測電路的連續性，各通道靈敏度的校準為在距傳感器一定距離（壓力容器規定為100mm）發射三次聲發射模擬源信號，分別測量其響應幅度，三個信號幅度的平均值即為該通道的靈敏度，多數金屬壓力容器的檢測規程規定，每通道對鉛筆芯模擬信號源的響應幅度與所有傳感器通道的平均值偏差為土3dB或±4dB，而玻璃鋼構件為土6dB。
(3) 現場聲發射檢測系統源定位的校準：通過直接在被檢構件上發射聲發射模擬源信號來進行校準。源定位校準的目的是確定定位源的唯一性和與實際模擬聲發射源發射部位的對應性，一般通過實測時差和聲速以及設置儀器內的定位閉鎖時間來進行儀器定位精度的校準。定位校準的最終結果為，所加模擬信號應被—個定位陣列所接收，并提供唯一的定位顯示，區域定位時，應至少被一個傳感器接收到。多數金屬容器檢測方法中規定，源定位精度應在兩倍壁厚或最大傳感器間距的5%以內。
6.2.3 傳感器的選擇和安裝
??? (1) 傳感器響應頻率的選擇：應根據被檢測對象的特征和檢測目的選擇傳感器的響應頻率，比如金屬壓力容器檢測用傳感器的響應頻率為100～400KHz，壓力管道和油罐底泄漏檢測傳感器的響應頻率為30～60KHz等。
(2) 傳感器間距和陣列的確定：構件聲發射檢測所需傳感數量，取決于試件大小和所選傳感器間距。傳感器間距又取決于波的傳播衰減，而傳播衰減值又來自用鉛筆芯模擬源實際測得的距離一衰減曲線。時差定位中，最大傳感器間距所對應的傳播衰減，不宜大于預定最小檢測信號幅度與檢測門檻值之差，例如，門欖值為40dB，預定最小檢測信號幅度為70dB，則其衰減不宜大于30dB。區域定位比時差定位可允許更大的傳感器間距。在金屬容器中，常用的傳感器間距約為1～6m，傳感器陣列采用三角平面或曲面定位，多數容器的檢測需布置約8～40多個傳感器。
(3) 傳感器的安裝：傳感器表面與試件表面之間良好的聲耦合為傳感器安裝的基本要求。試件的表面須平整和清潔，松散的涂層和氧化皮應清除，粗糙表面應打磨，表面油污或多余物要清洗。對半徑大于150mm的曲面可看成平面，而對小半徑曲面應采取適當措施，例如，可采用轉接耦合塊或小直徑傳感器。對于接觸界面，應填充聲耦合劑，以保證良好的聲傳輸。耦合劑不宜涂得過多或過少，耦合層應盡可能薄，表面要充分浸濕。耦合劑的類型，對聲耦合效果影響甚少，多采用真空脂、凡士林、黃油、快干膠及其它超聲耦合劑。對高溫檢測，也可采用高真空脂、液態玻璃及陶瓷等。但是，須考慮耦合劑與試件材料的相容性，即不得腐蝕或損傷試件材料表面。多用機械壓縮來固定傳感器。常用固定夾具包括：松緊帶、膠帶、彈簧夾、磁性固定器、緊固螺絲等。所加之力，應盡可能大一些，約為0.7MPa。
6.2.4 儀器調試和參數設置
(1) 檢測門檻設置：檢測系統的靈敏度，即對小信號的檢測能力，決定于傳感器的靈敏度、傳感器間距和檢測門檻設置。其中，門檻設置為其主要的可控制因素。
檢測門檻，多用dBae來表示。檢測門檻越低，測得信息越多，但易受噪聲的干擾，因此，在靈敏度和噪聲干擾之間應作折衷選擇。多數檢測是在門檻為35～55dB的中靈敏度下進行，最為常用門檻值為40dB。不同的門檻設置與適用范圍見表6.2。常用金屬壓力容器檢測的門檻一般為40 dB，但長管拖車的檢測門檻為32 dB，纖維增強復合材料壓力容器的檢測門檻一般為48 dB。
表6.2? 門欖設置與適用范圍
門檻（dBae）?適??? 用??? 范??? 圍
25－35?高靈敏度檢測，多用于低幅度信號或高衰減材料或基礎研究
35－55?中靈敏度檢測，廣泛用于材料研究和構件無損檢測
55－65?低靈敏度檢測，多用于高幅度信號或強噪聲環境下的檢測
??? (2) 系統增益設置：增益是儀器主放大器對聲發射波形信號放大倍數的設置，一些20世紀70年代生產的老的聲發射系統通常有分開的可變增益（dB）和門檻電壓（伏特），在某些系統中，增益或門檻中的一個可能被固定，通過提高增益dB或降低門檻電壓能獲得較高的靈敏度。
20世紀80年代以后生產的儀器，均采用集成電路系統，對于操作者設定的增益（dB）和門檻（dBae），系統就能計算出合適的電壓，把它放在門檻比較器上。因此，門檻的功能為主要控制靈敏度，改變增益設置將不改變靈敏度。增益的設置并不影響所測量的計數，持續時間，上升時間或幅度。但增益設置也是十分是重要的，它直接影響能量的測量和聲發射信號的能量計數。
對于目前常用聲發射儀器，為了保持系統在一合適的操作范圍內，應根據檢測靈敏度的要求來選定門檻，而增益十門檻應處于一定的范圍，比如有些設備在55和88dB之間。
??? (3) 系統定時參數設置：定時參數，是指撞擊信號測量過程的控制參數，包括：峰值定義時間（PDT）、撞擊定義時間（HDT）和撞擊閉鎖時間（HLT）。
峰值定義時間，是指為正確確定撞擊信號的上升時間而設置的新最大峰值等待時間間隔。如將其選得過短，會把高速、低幅度前驅波誤作為主波處理，但應盡可能選得短為宜。
撞擊定義時間，是指為正確確定一撞擊信號的終點而設置的撞擊信號等待時間間隔。如將其選得過短，會把一個撞擊測量為幾個撞擊，而如選得過長，又會把幾個撞擊測量為一個撞擊。
撞擊閉鎖時間，是指在撞擊信號中為避免測量反射波或遲到波而設置的關閉測量電路的時向間隔。
聲發射波形隨試件的材料、形狀、尺寸等因素而變，因而，定時參數應根據試件中所觀察到的實際波形進行合理選擇，其推薦范圍如表6.3所示。
表6.3? 定時參數選擇
材料與試件?PDT（?s）?HDT（?s）?HLT（s）
復合材料?20～50?100～200?300
金屬小試件?300?600?1000
高衰減金屬構件?300?600?1000
低衰減金屬構件?1000?2000?20000

6.3 加載程序
6.3.1? 加載準備
多數情況下，加載操作僅有一次機會，關系到聲發射檢測的成敗，須作充分的準備。
(1) 加載方式：應盡量模擬試件的實際受力狀態，包括：內壓、外壓、熱應力及拉、壓、彎；
(2) 加載設備：試壓泵、材料試驗機等，應盡量選擇低噪聲設備；
(3) 加載程序：主要決定于產品的檢測規范，但有時因聲發射檢測所需，要作些調整。常用的加載參數包括：升壓速率、分級載荷和最高載荷及其恒載時間，有時需要增加重復加載程序；
(4) 應確定聲發射檢測人員與加載人員之間的聯絡方法，以實時控制加載過程；
(5) 應確定記錄載荷的方法。多用聲發射儀記錄載荷傳感器的電壓輸出。
6.3.2? 載荷控制
(1) 升載速率：慢速加載會過分延長檢測周期，而快速加載也會帶來不利的影響。首先，會使機械噪聲變大，如低壓下的流體噪聲；其次，會引起高頻度聲發射活動，以致因超過檢測儀的極限采集速率而會造成數據丟失；再則，由于應變對應力的不平衡而會帶來試驗安全問題。壓力容器的加載，多采用較低的加載速率，且要保證均勻加載。
(2) 恒載：多數工程材料，在恒載下顯示出應變對應力的遲后現象。一些材料在恒載下可產生應力腐蝕或氫脆裂紋擴展。恒載周期又為避免加載噪聲或鑒別外來噪聲干擾提供了機會。近年來，恒載聲發射時序特性已成為聲發射源嚴重性評價和破壞預報的一主要依據，必要時，可忽略升載聲發射，而只記錄恒載聲發射。對于壓力容器，分級恒載時間約設定2～10min，而最高壓力下約恒裁10～30min。
(3) 重復加載：對一些新制容器，當首次加載時常常伴隨大量無結構意義的聲發射，包括局部應力釋放和機械摩擦噪聲，這給檢測結果的正確解釋帶來很大困難，為此需進行二次加載檢測。另外，在役容器的定期檢測，原理上也屬于重復加載檢測，以發現新生裂紋。費利西蒂效應，為重復加載檢測提供工基本依提因此，對首次加載聲發射過于強烈的構件、復合材料及在役構件，宜采用重復加載檢測方法。