本帖最后由 wdhd 于 2016-8-8 10:59 编辑
检测设备
1. 声发射传感器
(1) 传感器工作原理
某些晶体受力产生变形时,其表面出现电荷,而在电场的作用下,芯片又会发生弹性变形,这种现象称为压电效应。常用声发射传感器的工作原理,基于晶体组件的压电效应,将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号,供于信号处理。
压电材料多为非金属介晶体管,包括:锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂、硫酸锂等单晶体。其中锆钛酸铅( )接收灵敏度高,式声发射传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃,常用作高温传感器。
传感器的特性包括:频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度,取决于许多因素,包括:(1)晶体的形状、尺寸及其弹性和压电常数;(2)芯片的阻尼块及壳体中安装方式;(3)传感器的耦合、安装及试件的声学特性。
(2) 类型与选择
传感器属检测系统的关键部位,其响应多敏感于表面振动的垂直位移,包括:位移、位移速度、位移加速度,这主要取决于传感器的频率响应和灵敏度特性。
传感器可分为压电型、电容型和光学型。其中,常用的压电型有可分为:谐振式(单端和差动式)、宽带带式、锥型式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式,其主要类型、特点和适用范围如下表所示。
类型
特点
适用范围
单端谐振传感器
谐振频率多位于50~300kHz内,典型应用为150kHz,主要取决于芯片的厚度,敏感于位移速度。响应频带载,波形畸变大,但灵敏度高,操作简便、价格便宜,适于大量常规检测
大多数材料研究和构件的非破坏检测
宽带带传感器
响应频率约为100~100kHz,取决于芯片的尺寸和结构设计。灵敏度低于谐振传感器,幅频特性不甚理想,单操作简便,适于多数宽带带检测
频谱分析、波形分析等信号类型或噪音的鉴别
锥型传感器
100~1500kHz内,频率影响平坦,灵敏度高于宽带带传感器。采用微型芯片和大被衬结构,尺寸大,操作不便,适于位移测量类检测。
源波形分析、频谱分析。也可作为传感器校准的二级标准
差动传感器
两个压电芯片的正负极差接而成,输出差动信号。与单端式相比,灵敏度较低,但对共模电干扰信号有好的抑制能力,适于强电磁噪音环境。
强电磁干扰环境下,可替代单端式传感器
高温传感器
采用居里点温度高的芯片,如铌酸锂芯片。使用温度可达540℃
高温环境下的检测,如在现反应容器
电容传感器
一种直流偏置的静电是位遗传感器。直到3MHz,频率响应平坦、物理意义明确,适于表面法像位移的定量量测,但操作不便,灵敏度较低,约为 ,适于特殊应用
源波形定量分析或传感器绝对灵敏度较准
光学传感器
属激光干涉计量的一种应用,直到20MHz,频率响应平坦,并具有非接触、点测量等特点,适于表面垂直位移的定量测量,但操作不便、灵敏度低,约为 ,适于特殊应用
仅用于实验室定量分析,也可作为标准位移传感器
(3) 传感器绝对灵敏度校准
绝对灵敏度较准,是声发射定性定量分析、二级标准传感器选择所不可缺少的环节,有表面脉冲法和互易法两种。绝对灵敏度( ),一般用在一定频率下,传感器的输出电压( )与表面垂直位移速度( )之比来表示,其单位为: 。
A、 表面波脉冲法
在半无限体钢制式块表面上,以铅笔芯或玻璃细管的断裂作为跃力点源,
B、
(4) 传感器相对灵敏度校准
在批量检测中,需要一种简便而经济的相对校准方法,以比较传感器灵敏度的变化。此类方法只提供传感器对仿真源的相对幅度或频率响应。
2. 电缆
(1) 电缆类型
传感器、前置放大器及主机之间通过电缆线连接。电缆类型包括:同轴电缆、双芯胶合线和光纤电缆。 同轴电缆微常用的基本类型,可满足电磁屏蔽和阻抗匹配的基本要求。前置放大器的电源线和信号输出线,一般共享同一个同轴电缆。
(2) 电缆中的噪音问题
传感器电缆,其屏蔽作用有限,对电磁波起着类似“天线”的作用,易受电磁波的干扰。为减少其影响而应限制其长度,一般不一大于1.5m。同理,传感器与金属试件之间不得短路,要保持电绝缘。强电磁噪音环境中,也可直接采用前置放大器内置式传感器,以消除由电缆线引入的噪音。此外,传感器本身也是电容器,因而电缆的分布电容会相应降低传感器的灵敏度。为使传感器之间的灵敏度保持一致,宜采用等长度电缆。
信号电缆线和连接件,在使用中常由于损伤或开路而会引起电磁噪音干扰。
(3) 阻抗匹配
当信号在电缆中传输时,如信号线的阻抗与终端或始端不匹配,信号将在传输线内发生反射,造成信号衰减,与有与两端都匹配才使信号衰减最小。为获得最佳传输功率,电缆线与前置放大器和主机都应当匹配。
前置放大器的输出阻抗和主机的输入阻抗一般为 ,因而,其连接都采用 的信号电缆。当主机的输入阻抗并非 时,应另加上阻抗匹配器。
(4) 电缆长度
传感器电缆很短,其传输衰减可忽略。但是,前置放大器置主机的电缆长度,可从几米至300m或更长的范围内变化,对常电缆应考虑信号衰减问题。一般而言,权限的衰减不宜大于3dB。当电缆长度大于300m时,应串接中继放大器。
3. 信号调节
(1) 前置放大器
前置放大器置于传感器附近,放大传感器的输出信号,并通过长电缆供主机处理。主要作用为:(1)高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹配,以防信号衰减;(2)通过放大微弱的输入信号,以改善与电缆噪音有关的信噪比;(3)通过差动放大,降低由传感器及其电缆引进的共模电噪音;(4)提供频率滤波器。
<前置放大器的主要性能包括:
A、 增益:通常提供40dB固定增益。有的还备有20dB和60dB附加增益,以适用不同的用途。
B、 频率范围:放大器本身可提供较宽的频率范围,通常约为2kHz~1MHz。然而,实际频宽取决于滤波器的选择,包括低通、高通和带通滤波器。
C、 噪音:噪音水平取决于晶体管的性能、放大器频宽、输入阻抗和环境因素,而频率范围越宽噪音水平就越高。因而,噪音水平,只有再同一频宽下比较才有意义。
D、 动态范围:可用最大输出信号幅度对输出噪音幅度之表示。为适用于宽的信号幅度范围,放大器的动态范围应尽可能大,一般为60~85dB。
(2) 滤波器
频率滤波器一般采用插件式或编程序,包括高通、低通和带通滤波器,主要用来排除噪音和现定检测系统工作频率范围。
选择滤波频带时,在噪音和传播衰减之间应适当作折衷考虑。例如,机械噪音的频率成分,多集中在100kHz以下,而传播衰减则约从300kHz起便的很大,从而限制着可监视范围。因此,在多数应用中,优先采用100~350kHz的带通滤波器。但对高衰减材料的检测,则不得不采用100kHz以下的低频滤波器。在宽带带检测中,则多采用100~1200kHz的带通滤波器。
4. 信号探测与处理
(1) 信号类型
在示波器上观察到的传感器输出信号有两种基本类型:突发型和连续型。突发型信号,指在时域上可分离的波形。实际上,所有声发射源过程,均为突发过程,如断续的裂纹扩展。不过,当声发射频度高达时域上不可分离的程度时,就以连续型信号显示出来,如塑性变形和泄漏信号。在实际检测中,也会出现其混合型。对于不同的信号类型,要采用不同的信号处理方法。
(2) 门坎比较器
为排除低幅度背景噪音及确定系统灵敏度,对前置放大器的输出,设置高于背景噪音水平的阀值电压,及称为门坎值。门坎比较器仅将幅度高于门坎值的信号鉴别为声发射信号,其原理如下图。
门坎电路采用固定门坎和浮动门坎两种。其中,浮动门坎可随背景噪音水平的波动而上下浮动,主要用于连续型信号背景下突发信号的探测。
(3) 信号特性参数
特征提取电路将过门坎信号测量为几何信号特性参数。连续信号参数包括:振铃计数、平均信号电平和有效值电压,而突发信号参数包括:波击计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差。
[此贴子已经被作者于2005-10-8 21:39:01编辑过]
|