3基金项目：国家自然科学基金项目(50465002)；广西自然科学基金项目(桂科基0448014)
3
A E Technology and Application in the Test
胡昌洋 杨钢锋 黄振峰 毛汉领
(广西大学机械工程学院，广西南宁530004)
摘 要：介绍了声发射检测技术原理及其发展历程和现状，综述声发射信号处理的困难、降噪方法、信号分析方法、源定位和在检测中的应用，以及目前我国声发射技术需解决的问题和发展趋势。关键词：声发射技术；信号处理；源定位；安全评定 1 声发射技术及其发展
声发射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。声发射技术属于检测超声技术领域，是一种动态无损伤检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与纪录、
解释与评定等方面，基本原理如图1所示。
图1 声发射检测原理外室1H
现代声发射技术的开始二十世纪50年代初Kaiser 在德国所作的研究工作为标志。
声发射技术在20世纪70年代初引入我国，希望利用声发射进行断裂力学难点裂纹的开裂点预报和测量研究。20世纪80年代初，国内开始尝试将声发射技术用于压力容器检验等工程，但是由于当时声发射仪器性能和信号处理方面的限制，以及缺乏对声发射源性质和声发射信号传输特性等理论知识，声发射技术陷入低谷。20世纪80年代中期，从美国PAC 公司引进声发射仪器，使我国声发射技术的研究、应用和仪器技术水平不断提高。20世纪90年代至今，随着声发射仪研制国产化程度不断提高，声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。2 声发射信号处理分析技术
211 声发射信号及信号处理的困难：从时域形态上，一
般将声发射信号分为两种基本类型：突发型和连续型。突
发型信号，指在时域上可分离的波形。如断续的裂纹扩展。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，如流体泄漏信号。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、
持续时间和时差等；连续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压。图2常用信号特征参数的定义:
图2 发信号特征参数
声发射信号处理分析是实现声发射源定性识别、定位判断和定量评价。AE 信号处理面临的最大难题，首先是AE 源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。不同的AE 源机制，可以产生完全不同的AE 信号。其次,AE 信号传输途径的影响。AE 传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果。声发射信号在材料或结构中经多次反射、衰减以及波形转换后，其波形将发生很大畸变。声源发出的声波可以经多种路径到达传感器，因此，所探测到的声信号波形是不同路径到达传感器声波的叠加，使信号趋于复杂。此外，由于传感器本身的“振铃”效应，从而导致输出信号更加复杂。AE 信号处理技术面临的另外两大困难是AE 信号的微弱性和干扰噪声的多样性。声发射是以被动检测的方式用于动态监测，噪声干扰十分严重，外部干扰噪声可能远远大于AE 信号。AE 检测干扰噪声主要有：环境噪声、机械噪声和电子仪器干扰噪声等。
这些噪声的主要时域特征是随机地分布在整个采样时间范围内，不仅影响信号采集速率，而且造成采集的数据非常庞大难以有效处理，很难保证AE监测的实时性。212 克服干扰噪声的常用方法：在AE检测中，克服干扰噪声十分重要，也是AE信号的处理方法。常用的降噪的方法如下:
(1)选择适当的工作频率。
(2)利用差动传感器。
(3)设置阈值或降低测试灵敏度。同时去除低于阈值的AE信号和噪声信号。
气体收集(4)在声源处阻止噪声发生。设备适当接地或屏蔽，噪声源和传感器间引入屏蔽或衰减介质。
(5)时间闸门。为抑制来自电源开关的噪声，测试电路仅在产生有用AE信号时才工作。
(6)负载控制闸门。采用电子闸门电路，仅在负荷接近最大值时才记录AE数据，排除其他期间噪声干扰。
(7)护卫传干器和空间滤波。
(8)进行前沿滤波，选择频率滤波，降低噪声干扰。
kawd-445
(9)数据分析(模式识别、相关分析及聚类分析等)。213 AE信号处理技术
21311 AE信号参数分析：早期的声发射仪不具备对信号进行瞬态波形捕捉和实时处理的能力，因此信号分析中用得较多的是参数分析方法。
尽管每个声发射参数都能提供与声发射源特征的相关信息，但声发射参数只是对声发射信号波形某个特征的描述，用其表征整个声发射源的特征具有局限性。参数分析方法的最大缺点是有关AE源本质的信息往往被谐振式传感器自身的特点所掩盖或模糊掉，其实验结果的重复性很差。此外，传统参数分析方法认为AE信号是以某一固定速度传播的假设，在具有较强声各向异性的复合材料检测中受到了严重挑战。
21312 声发射信号波形分析：波形分析是指通过分析声发射信号的时域波形或频谱特征来获取信息的一种信号处理方法。从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而波形是表达AE源特征的最精确的方法，并可获得信号的定量信息。美国G orman等人在复合材料板的声发射波形特征方面提出了“模态声发射”的概念，区分参数分析方法。模态声发射技术基于导波理论，吸收了超声波传播中易解释和接受的物理模型方面的优点。被测材料结构中的源或声发射事件在负载作用下产生的是频率和模态丰富的导波信号，利用导波理论和牛顿力学定律将声发射应用中源定位不准确、信号解释困难和噪声问题等从理论上得到了较好的解释和表达，并通过建立简单明确的物理数学模型表征问题。21313 频谱分析：频谱分析方法可以分为经典谱分析和现代谱分析，是声发射信号处理中最常用的分析方法。两种谱分析方法都是通过把声发射信号从时域转换到频域，在频域中研究声发射信号的各种特征，到识别声发射源本征信息。但信号的频谱分析要求被分析的信号是周期性的平稳信号，并且谱分析是一种忽略局部信息变化的全局分析方法。声发射信号是一种随时间变化的非平稳随机信号，某个时段细节特征对声发射信号的分析特别重要，因此用频谱分析不是分析声发射信号特征的有效方法，分辨率不高且谱估计的误差较大。
真空磁悬浮列车21314 小波分析：在声发射信号处理方面主要是利用小波分析的信噪分离和良好的时频局部化特性，以提取声发射信号的特征出其内在规律，达到识别声发射源，了解其传播特性。
21315 神经网络识别：神经网络由于具有自组织、自适应及自学习功能，还有很高的容错性和鲁棒
性，因此可以很好地解决声发射检测中存在的噪声干扰问题，成为声发射检测中缺陷识别的重要方法之一。
3 声发射源的定位技术
声发射源定位是进行声发射检测的一项重要工作，是声发射检测与评定的一项重要指标，其准确程度反映了声源检测位置与实际出现的活动缺陷位置的吻合程度。目前，定位方法主要可以分为时差定位法、区域定位法和智能定位法。时差定位法是根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的时间差，经波速、传感器间距等参数的测量和算法运算，确定声源的精确位置，是一种精确而复杂的定位方法。区域定位是根据声发射信号的传感器个数和相对时差时序来判定声发射源所处的区域，是一种快速、简便而粗略的定位方法。区域定位法对传感器布置位置无特殊要求，但要求检测强区域内源信号至少被一个传感器接收到。传感器位置布置灵活，检测范围大，但检测的声源的位置表示一定区域，具有不确定性。多用于复合材料等由于声发射信号的频率过高、传播过程衰减过大、检测通道数量有限等场合。智能定位法是利用声发射特征参数作为人工神经网络输入的声发射源定位方法，是一种极具潜力的定位方法，特别适用于材料各项异性及结构复杂的情况。
4 声发射技术在工程中的应用
声发射技术作为一种新兴的动态无损检测方法已被广泛地应用在石油化工、电力工业、材料试验、土
木和矿山工程、航天和航空、金属加工、交通运输等领域。
在石油化工工业，利用材料形变释放出弹性能并通过材料本身以弹性波的形式传递的原理，检测材料结构性质。采用参数分析和波形分析的方法对AE特征进行
研究，有效地判断复合材料损伤破坏过程。利用区域定位法确定声源的区域，通过对两个通道的区域定位信号进行统计分析，得到声发射事件—压力曲线，对各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和管道的泄漏检测等。
在电力工业中，利用声发射技术对管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。
在材料试验中，由于声发射对缺陷起始和扩展特有的敏感性，及其所具有的动态检测强度和评估使用寿命的独特功能，声发射技术用在材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等方面。采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布，从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。声发射技术还可区分复合材料层板不同阶段的断裂特性，如基体开裂、纤维与树脂界面开裂、裂纹层间扩展和纤维丝断裂等。
在土木、矿山工程上，利用声发射技术对桥梁、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续
监视等。首先利用声发射三维定位技术对断裂过程区的确定，声发射事件的发展趋势反映了混凝土内部破坏的微观过程，由此可以反演出混凝土/岩石的断裂过程，同时利用声发射曲线可以定性地判断材料的脆性，对结构进行安全评价。因此，利用可以发射技术对矿岩的局部冒落、矿柱的突然失稳事故进行监测和预报。声发射技术在边坡工程中的应用，护堤的声发射活动和位移相互之间对应得很好，根据声发射活动和位移的变化趋势来监测护堤的稳定程度。此外，利用声发射凯塞效应量测地应力，从地层中取出岩芯，将岩芯在实验室进行再次加载，根据其声发射时的应力状态推算出地应力，不仅经济有效地进行量测工作，而且还可以简捷方便地获得大量实测数据，提高测量数据的可靠性。
在航天和航空工业上，利用声发射技术对航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。首先研究裂纹扩展与声发射信号包络参数之间的关系，然后对数据进行适当处理，建立声发射数据的统计参数与裂纹扩展之间的关系，利用了波形分析技术进行信号识别和分析，从而获得与损伤有关的声源(裂纹扩展)信息，识别声发射信号与噪声，完成了对飞机、航天器关键结构的声发射疲劳监测。
在金属加工中，工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。近年来,AE技术由于具有高响应速度和高敏感程度，被广泛应用于智能化高精度加工。实验发现AE总计数与刀具后刀面的磨损存在着非常密切的相关性，刀具破损时AE信号比正常切削时大得多，并且大都有
前兆信号。因此，可以利用AE监测刀具破损。在磨削过程中磨削裂纹监测方面，由于磨削裂纹形成而产生的AE信号在(600～800)kHz之间，而在正常磨削情况下AE信号的频率一般在400kHz以下，用高通滤波方法把磨削裂纹产生的AE信号提取出来，从而达到对磨削裂纹的产生进行在线监测的目的。在磨削过程中监测砂轮的钝化、修整方面，通过监测AE信号的幅值变化，评价砂轮的锋利程度和确定砂轮的工作寿命，并可以利用BP神经网络建立AE信号和砂轮钝化程度和砂轮破裂和破损之间的非线性关系。识别加工过程中的积屑瘤方面，日本东京大学研究了切削形成机理与AE信号之间的关系，提出了一种挤裂切削和断续切削形成的机理，并能通过检测AE信号来识别屑瘤是否存在。焊接过程中的实时监测，焊接过程中电弧、母体熔化和结晶等因素都会产生声发射信号，但是与焊接裂纹形成和扩展的声发射信号有明显的区别，因此利用声发射技术可以有效地检测焊缝质量和缺陷的位置进行定位。
在交通运输业中，公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。
5 结束语
目前，虽然我国的声发射技术取得了很大进展，但与欧美等工业发达国家相比，在很多方面还有差距，在缺陷检测和监测和结构评价等方面需要研究的工作:(1)声发射波传播和波形转换方面的理论研究，为声发射技术在工程应用提供理论依据;(2)开发适用于各种工程检测声发射信号数据分析与处理软
件和仪器;(3)研制适用不同环境、不同结构和性能的声发射传感器，促进声发射技术的应用。(4)同模式识别和预测技术相结合，充分利用声发射信号包含的声发射源信息，实现声发射源模式识别、结构失效预测和自动报警。(5)加强声发射仪的开发和研制，尤其全数字式声发射仪的开发和生产，国内在这方面尤为落后。(6)制定声发射检测/监测、评价的新方法及标准。
(下转第6页)
响。差压变送器测量液位安装方式主要有三种，为了能够正确指示液位的高度，差压变送器必须做一些技术处理———即迁移。迁移分为无迁移、负迁移和正迁移。3 测量范围、量程范围和迁移量的关系
差压变送器的测量范围等于量程和迁移量之和，即测量范围=量程范围+迁移量。如图4所示,a 量程为30kPa ，无迁移量测量范围等于量程为30kPa ;b 量程为30kPa ，迁移量为-30kPa ，测量范围为(-30～0)kPa ;c
量程为30kPa ，迁移量为30kPa ，测量范围为(30～60)kPa
杨梅采摘机。
图4 测量范围、量程范围和迁移量的关系
由此可见，正、负迁移的输入、输出特性曲线为不带迁移量的特性曲线沿表示输入量的横坐标平移。正迁移向正方向移动，负迁移向负方向移动，而且移动的距离即为迁移量。
综上所述，正、负迁移的实质是通过调校差压变送器，改变量程的上、下限值，而量程的大小不变。如果从负压室来看，也可以简单理解为正迁移，好比在负压室增加ρgh 迁移量，而正迁移好比在负压室减少ρgh 迁移量。
4利用迁移原理对液面测量方法进行改进
从以上分析中可以了解到差压变送器测液面正、负迁移的原理，这样在实际应用中，就可以根据生产装置的工艺情况和仪表的使用条件及周围环境等灵活应用，对液面的测量方法进行相应的改进。5 量程的迁移
在实际的安装过程中，由于所需要的压力和所采购的压力变送器有一定的出入，这就要求对压力变送器进行量程的迁移。量程的迁移也分为两种；一是为了获得更大的量程范围，将量程扩大；二是为了获得在小量程范围内更好的压力电流灵敏度，将量程缩小。不论是将量程扩大还是缩小，我们都不建议进行量程的迁移，因为这样做将可能使变送器的线性失真，同时还可能损坏变送器，降低了使用寿命。所以最好还是使用和压力匹配的变送器。
液位的准确控制是生产装置稳定运行的前提保证，只有掌握了差压变送器测液面迁移的原理，才能在实际应用中灵活运用，及时准确的处理现场仪表出现的故障,
以及对控制方案进行改进。
参考文献
[1]浙大中控CXT 系列变送器使用说明书.浙江浙大中控自动化仪表
有限公司.
[2]中国冶金建设协会编.冶金工业自动化仪表与控制装置安装通用
图册(第一版).冶金工业出版社,1994(3).头笼
[3]Verabar Flow Sensor v150Installation Instructions.
作者简介：吴晨，男，工程师。工作单位：新疆计量院热工检测中心。通讯地址:830011新疆乌鲁木齐市北京南路40号附9号。
薛文艳，高晓枫，新疆计量院热工中心(乌鲁木齐830011)。收稿时间:2008-02-19
(上接第3页)
参考文献
[1]耿荣生.声发射技术发展现状———学会成立20年回顾.无损检测,1998(6),pp 1151-154.
[2]中国无损检测学会声发射专业委员会.全国第八届声发射会议(论
文集).上海,1999.
[3]中国无损检测学会声发射专业委员会.全国第九届声发射会议(论
文集).成都,2001.
[4]戴光.声发射技术的应用与研究进展.大庆石油学院学报,2001(3)pp 195-99.
[5]易若翔，刘时风，耿荣生等.人工神经网络在声发射检测中的应用[J ].无损检测,2002,24(11):488-496.
[6]李光海，刘时风.声发射信号处理和分析技术.无损检测,2002
(1).
[7]沈功田，耿荣生，刘时风.声发射源定位技术.无损检测,2002,24(3):114-117.
[8]徐彦廷，戴光，李伟1地上立式金属储罐在线声学检测及评价方法
研究.第九届声发射学术研讨会论文集,2001:84-89.
[9]杨明纬.声发射检测.北京：机械工业出版社2005,1.
[10]穆雷，魏杰等.声发射(AE )技术及其特征参数在机械工程领域的
研究应用，精密制造与自动化,2005(3),pp 121-25.
作者简介：胡昌洋，男，研究生。工作单位：广西大学机械工程学院。通讯地址:530004广西南宁广西大学西校园A182信箱。
杨钢锋，黄振峰，毛汉领，广西大学(南宁530004)。收稿时间:2008-03-14
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议