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大型金属构件在使用过程中经常会受到多次交变应力的作用, 受力构件的材料内部就会出现缺陷萌生、裂纹扩展和塑性形变, 材料的晶体内部的位错移动和复合材料内部基体的破裂, 以及材料物质结构的变化。声发射(Acoustic emission, 简称AE) 是指物体在受到形变或外界作用时, 迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的物理现象[1]。声发射是一常见的物理现象, 大多数材料形变和损伤时有声发射发生[2]。利用AE 现象对机械构件损伤进行检测和评价的技术称为AE 技术。AE 技术具有如下特点: ( 1) 实时性, 即信号是由损伤源发出的, 因此可以对损伤源在线实时监控; ( 2) 完整性, 通过传感器阵列可以准确确定损伤源的位置; ( 3) 适应性, 即可以对大型复杂结构进行检测, 而不受试件几何形状的限制。沧州欧谱由于AE 检测技术的以上优点, 使得AE 技术在材料损伤检测、大型构件完整性评估、结构健康评价和智能材料研究等领域得到了广泛的应用。尤其在美国和欧洲等国家的航空航天领域, AE 技术已经成为飞行器设计、开发和测试必不可少的技术手段之一。目前, 声发射技术已广泛应用于石油化工工业、电力工业、交通运输、医学、微机电系统、航天和航空等领域。它也是广泛应用于金属材料现代无损检测和构件材料性能研究的一种新技术。 2 声发射技术理论介绍 2.1 声发射技术的原理与特点 声发射是在材料内部动态过程中, 材料局部能量释放引起材料内质点震动从而产生的一种弹性波。声发射是弹性介质中能量释放的结果, 一般将声发射信号分为连续型和突发型两种。连续型的特点是波幅没有很大的起伏, 发射频率高而发射能量小。突发型表现为脉冲形式, 脉冲峰值很大但衰减很快。根据声学理论, 弹性波在材料内部是以纵波和横波两种形式传播的, 由于弹性波传播到材料表面时会发生反射和折射, 使弹性波发生波形转换, 因此在材料表面会存在纵波、横波、Rayleigh 波或Lamb 波, 也造成声发射波分析的复杂性。 2.2 声发射实时检测的可行性和常用的测量参数 当弹性波传播到材料表面时, 可引起材料表面的微小垂直位移, 这种垂直位移一般为10- 7~10- 14m, 可见其幅值很小, 这时传感器接受到的信号电压仅约为数微伏。因此要求声发射检测系统应有高的检测灵敏度和宽的动态范围, 并且固有噪声低。但是因为声发射信号是在材料的动态过程中产生的, 这使得对材料损伤的实时检测成为可能。声发射检测属于无损检测方法的一种, 由于材料的损伤可以通过声发射这种物理现象表现出来, 因此我们只要通过对声发射信号进行检测就能获取材料损伤的信息。声发射测量参数包括事件记数与事件记数率、幅度分布、能量和能量率、有效值电压和频谱分布。 3 声发射传感器研究现状 3.1 光纤声发射传感技术介绍 声发射检测技术自从1960 年代问世以来, 受到工业发达国家的普遍重视, 在理论研究、实验研究和实际应用方面得到了很大的发展。在声发射检测系统的研制方面, 许多新型的声发射检测系统不断问世并被成功应用。声发射换能器的研究是声发射检测技术的一项重要内容。现在的商用声发射检测系统通常采用谐振式压电传感器, 其压电材料是锆钛酸铅( PZT) 一类的压电陶瓷。 特点是灵敏度高但频带窄, 不能在电磁干扰、高温和腐蚀等恶劣环境下使用。近20 年来, 随着光纤( FiberOptic, FO) 传感技术的快速发展和在各个领域中的广泛应用, 用于无损检测领域的光纤声发射传感器( FO AESensors) 的研究也取得了一定的进展, 在许多领域得到了应用。与传统压电声发射传感器相比, 光纤声发射传感器灵敏度高、体积小、频带宽, 易于构成分布式检测, 且能在强电磁干扰、高温高压、核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下使用, 因此在材料损伤检测、大型构件完整性评估、结构健康评价和智能材料研究中有着广泛的应用前景。高温、腐蚀和强电磁干扰等工作环境对传感检测系统的环境耐受力提出了严格的要求。因此, 目前常用的声发射检测系统不能完全满足这种要求。而光纤声发射传感器能够满足机械零件在线实时监控和损伤评价要求, 因此, AE 技术和光纤检测技术的结合, 是完全可以满足机械零件在线实时监控和评估的要求。 3.2 光纤声发射传感技术研究现状 通过被测物理量(AE) 对传输光参数进行调制, 然后解调已调制的光信号, 得出被测量从而了解对象当前状态就是光纤声发射检测。根据传输光调制参数的不同, 用于声发射信号检测的光纤传感器类型主要有强度调制、相位调制、波长调制和偏振调制等类型, 并且都有成功应用的例子。沧州欧谱在国内外所报道的关于FO AE 传感器的文献中, 主要都是这几种类型。 相位调制光纤传感器具有以下特点: ( 1) 灵敏度高; ( 2) 探头设计灵活多样; ( 3) 可检测的参数广泛。由于现在还不能对光相位直接检测, 因此必须采用光纤干涉仪利用光干涉原理把相位转化为光强来进行检测。目前已研制成马赫- 曾德尔(Mach- Zehnder) 干涉仪, 塞格奈克( Sagnac) 干涉仪, 法布里- 珀罗( Fabry- Perot, F- P) 干涉仪以及麦克尔逊(Michlson) 干涉仪等, 都已应用于光纤传感器。1999 年, 张克勤等设计了一种基于EFPI 的非接触 AE 传感器[3] , 通过对压电片产生的模拟AE 源进行检测,验证了所设计的传感器可用于AE 信号的检测, 但其没有考虑工作点稳定问题。国外开展这方面的研究比较早,研究也较为深入。2001 年, Peter Finkel, R. Miller[4]等人研制了一种基于EFPI 干涉仪的声发射传感器, 介绍了该传感器设计原理以及通过实验对一些典型的模拟声发射源进行检测, 验证了所设计的传感器可用于AE 信号的检测。 强度调制传感器具有信号解调简单和健壮的优点,因此一些学者对其在AE 检测领域的应用进行了一定的研究[5]。2000 年, L. ippert 等人进行了基于微弯原理的强度调制光纤传感器用于复合材料损伤的检测[6]。作者在传感试验中, 利用了自适应滤波等信号分析处理工具, 验证了所设计的传感器可用于AE 信号的检测。 布喇格光纤光栅AE 传感器属于波长调制类型传感器, 其灵敏度较高, 容易构成分布式测量, 但其对温度敏感, 因此解调方案复杂。焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.comFBG 传感器多用于低频静态应力的测量, 而用于高频动态应力( 如AE 波) 检测的例子较少。2003 年, Chris S. Baldwin 等人作了基于FBG 的AE传感技术的研究[7] , 对铅笔折断和复合材料损伤等AE 源进行了检测, 试验结果达到了预期的目的, 但传感器的温度敏感性问题没有得到解决。 3.3 分布式光纤声发射检测技术 由于一只声发射传感器只能检测到有限区域的声发射信息, 要实现大型机械构件材料的无损检测, 通常采用多传感器阵列。尤其是对复杂机械构件的在线实时监测,无疑增加了监测系统的复杂性和监测成本。而采用分布式光纤传感技术可以有效地解决这个问题。分布式光纤传感器就是用一根光纤既作为传感元件又作为传光通路, 获得被测量随时空变化的分布性信息。分布式光纤传感检测技术从1970 年代末期发展至今, 得到了一定程度的发展, 大体可以分为准分布式光纤传感技术和全分布式光纤传感技术两类。根据原理的不同, 该类传感技术可分为4 类[8] : ( 1) 利用后向瑞利散射的传感技术; ( 2) 利用喇曼效应的传感技术; (3)利用布里渊效应的传感技术;(4)利用前向传输模耦合的传感技术。在声发射检测领域,常常利用时分复用和波分复用技术来实现对大型构件的AE 信号检测, 其中基于波分复用技术的布喇格光纤光栅AE 传感分布检测技术是最有希望的一种分布式光纤声发射传感技术。 |
