传感器灵敏度的校准方法因激励源和传播介质 不同 ,可以组成多种多样的方法 ,激励源可分为噪声源 、连续波源和脉冲波源三种类型源 。20 世纪 80 年代狄荣生等人就利用碰撞脉冲声源测定声发射 ( acoustic em ission简称 AE)换能器绝对灵敏度的方 法 , 90年代北京航空航天大学梁家惠等人利用表面 脉冲的方法研究 AE换能器的校准 ,并尝试了互易 方法 ,基本原理与 N IST和 N SC的相同 。2005年 我国根据 ISO12713和 ISO12714 制订了 GB  / T19800。- 2005无损检测 AE检测换能器的一级校准和 GB / T19801 - 2005无损检测 AE检测换能器的二级校准 标准 ,对校准中使用的模拟声源做了规定 。二 级校准主要是基于脉冲信号的比较法 ,需要模拟产 生声 发 射 源 信 号 , 只 要 它 能 提 供 足 够 能 量 用 于 100kHz到 1MH z的频率范围内的校准测量 。在现 有 ISO 等标准推荐的使用的校准方法中 ,良好的脉 冲特性声源至关重要 。本文通过对玻璃毛细管 破裂 、铅笔芯断裂 、落球等脉冲波源产生的信号进行 实验分析 ,研究传感器灵敏度校准的可靠性和优化 方法。

 

            2 灵敏度校准实验装置及设计

              实验用 AE检测仪为美国 PAC公司生产的 6006 型 4通道数字式检测系统 (如图 1) ,传感器选用 PAC 公司生产的单端宽频带传感器 R15,频带范围 50kH -1MHz,增益为 20-60dB 的前置放大器 。钢质试块长46.5cm, 宽 12.3cm, 高 4.8cm 。校准实验示意图见图2 。根据不同的声源 , 设计三种不同方式的实验 , 即钢球垂直落下 , 压断毛细玻璃管和压断铅芯。分别通过多次重复实验 , 对比以上三种实验产生的脉冲声源 ,测量其信号主要参数 , 如上升时间 ( 信号第一次越过门槛至最大振幅的时间间隔 ) 、峰值幅度 ( 信号波形的最大振幅 ) 等 , 分析其时域特征和频谱特征 , 进行不确定度计算 , 得出优化方法 , 为声发射传感器比较法中的参考声源提供性能评判的依据。

          3 实验及数据分析

          3.1落球法

          选用直径为 5.9mm, 4.7mm, 3.8mm 三种规格的钢球从不同高处垂直下落撞击试块产生脉冲声源 , 各进行 8 次试验 , 并记录数据 , 分析其时域特征和频谱特征。

          3.1.1  改变落球的大小

          保持下落高度不变 , 直径分别为 5.9mm 、 4.7mm和 3.8mm 的钢球从 500mm 处下落 , 每个规格各进行8 次实验 , 得钢球从 500mm 处下落的峰值和上升时间统计图 3 和图 4 。整理测量值并通过不确定度计算 ,得对比分析结果 , 见表 1 。从数据分析可得 , 直径为4.7 mm 的钢球的上升时间均值最小 , 不确定度也最小 ; 5.9mm 钢球下落的信号强度较大 , 峰值均值最大 ,但其不确定度远大于 4 .7mm 钢球 , 也就是说其稳定性不如 4.7mm 钢球好 ; 3.8mm 钢球的峰值与 4.7mm钢球的峰值相同 , 但其上升时间不确定度远大于4.7mm 钢球 , 综合考虑 , 直径为 4.7mm 的钢球较适合当作声发射校准中的模拟声源。

          3.1.2 　改变落球高度

          改变直径为 4.7mm 钢球的下落高度 , 多次重复实验得图 5 和图 6 统计图 , 整理计算后得不同高度下落的比较分析 , 见表 2 。从实验可知 , 落球从不同高度下落 , 其上升时间均值差距不大 , 即下落高度对上升时间影响不大 ; 随着落球高度的增加 , 声源强度增大 , 峰值增加 , 但是其稳定性并未随之单向变化 ,1000mm 处下落稳定性最差 , 800mm 高处下落最优 ;800mm 处下落高度峰值不确定度略大于 500mm 处下落高度的 , 但其稳定性相对较好 , 且其上升时间不确定度好于后者 , 因此 , 综合评定下落高度为800mm 比较适合作为落球法中的校准声源。

         3.2 　断铅实验

         从铅芯的硬度、直径和断裂长度三个方面分别进行实验 : 选用硬度分别为 2H 、 2B 和 HB, 直径分别为 0.5mm 和 0.7mm, 断裂长度分别为 3mm 和 5mm的铅芯进行实验

         3.2.1 　硬度不同对以上三种不同硬度的铅笔均在为直径为0.5mm, 断裂长度为 3mm 的状态下实验 , 分别得上升时间和峰值统计图 , 见图 7 和图 8 。整理实验数据得表 3 。从分析图表中可以看出 , 在最大幅值方面 , 铅芯硬度对声源信号的影响并不显著 , 不同硬度的峰值均值和不确定度值差距不大 , 铅芯硬度为 2H 的的峰值不确定度最小 ; 随铅芯硬度增大上升时间变短 , 2H 硬度的上升时间最短 , 不确定度也最小 , 可见 , 2H 硬度的铅芯稳定程度最好 , 更接近脉冲信号。

         3.2.2    直径不同以硬度为 2H 的铅芯为研究对象 , 在相同断裂长度条件下 , 分别对 0.5mm 和 0.7mm 的铅芯直径进行实验 , 得图 9 和图 10, 整理以上数据得出表 4 。从数据结果看 , 2H 硬度铅芯在相同断裂长度的条件下 , 直径为 0.7mm 的铅芯幅值较大 , 其稳定性稍好于 0.5mm 的铅芯 , 但相差不大 ; 两者上升时间的均值和不确定度差距也不大。从脉冲特征方面来看 ,直径为 0.7mm 的铅芯要略优于 0.5mm 的铅芯。

         3.2.3 　断裂长度不同对硬度为 2H 、直径为 0.7mm 铅芯在不同断裂长度下实验 , 得实验数据处理结果 , 见表 5 。在相硬度 , 相同直径的条件下 , 3mm 断裂长度的峰值比5mm 的大 , 且其不确定度较小 ; 从上升时间来看 ,3mm 断裂长度的小于 5mm 的 , 其不确定度约为后者的三分之一 , 即稳定性优于后者。综上可推断 , 硬度为 2H 、直径为 0.7mm 铅芯在断裂长度为 3mm 时最适宜作脉冲校准声源。

        3.3 　压断毛细玻璃管

        选用直径为 0.3mm,0.5mm,0.7mm 三种不同规格的毛细玻璃管进行断压实验 , 得毛细玻璃管峰值统计图 11 和上升时间统计图 12 。整理实验数据得表 6 。从数据分析可知 , 随着毛细玻璃管的直径的增大 , 其上升时间减少 , 峰值增大。 0.7mm 毛细玻璃管的上升时间最短 , 峰值最大 , 但在这两方面的稳定程度也最差 , 不适合作声发射校准模拟声源 ; 而 0.5mm 毛细玻璃管与0.3mm 毛细玻璃管比较 , 其峰值较大 , 而上升时间却较小 , 与 0.7mm 的比较均相差不大 , 但在三种规格中 , 其不确定度最小 , 稳定性最好。综合考虑 ,0.5mm 的毛细玻璃管较适宜作声发射校准的模拟声源。

         3.4 　实验误差分析实验中发现 , 若实验中断重新安装传感器会导致出现新的环境 , 由此带来的误差较不重新安装大 ,如在不同大小的钢球从 500mm 处下落实验中 , 中途改变传感器位置 , 读出数据误差加大 , 且不便于比较 , 因此最好在传感器安装固定好、实验环境稳定的情况下一次完成实验。其它实验亦如此。同时在校准实验过程中 , 要特别注意减小由于传感器安装表面的不平整、试块表面的小毛刺、耦合面的污垢以及冲击力作用点及大小的变化 ( 参考值为 9.8N)等情况所引起的变化 , 如 , 对钢球下落冲击试块表面产生的小毛刺要及时清理 , 并尽可能保持试块表面平滑。同时对这些情况可以通过多次安装换能器进行重复校准减小误差。

         声发射换能器无论处于发送状态还是接受状态 , 均要使其处于良好的耦合状态 , 否则会影响传感器输出信号的准确性。比如在断铅实验中 , 发现有的传感器信号不稳定 , 有时有 , 有时无 , 当在传感器上缠绕松紧带 , 在其背部施加一定的压紧力后 , 此情况消失。可见施加一定的压紧力可使其处于良好的耦合状态。在铅芯和毛细管断裂实验中 , 因手工断裂受人为影响因素较大 , 压力控制很重要。断铅向下压时 , 手要捏住铅笔的前端 , 保持一定角度并用力均匀 ; 断压前不能使铅笔芯端头触碰到装置表面 , 断裂后应立马停止用力 , 否则将引起采集记录装置的二次出发 , 即出现干扰信号 , 会影响实验结果的准确性。在压断毛细玻璃施力中 , 两手用力要尽可能均匀、干脆 , 并保持平稳 , 压断后要迅速离开断压表面。

         4 .结论通过重复性的实验研究 , 对比不同规格的钢球 ,铅芯以及毛细玻璃管产生的脉冲声源 , 根据其实时特征和频谱特征 , 对比分析了在声发射校准中的几 种声源灵敏度 , 得出 :

        （1）三种不同规格的钢球下落 , 其中直径为4.7mm 的钢球的上升时间和峰值的稳定性为较好。对同一落球 , 落球高度不同 , 上升时间差别不大 ; 而随着落球高度的增大 , 声源的峰值增大 , 但其稳定性并未随之单向变化 , 1000mm 处下落峰值稳定性最差 , 800mm 高处下落的最优。直径为 4.7mm 的钢球从 800mm 处下落 , 其上升时间最短 , 不确定度最小 , 峰值较大且稳定性较好 , 较适合作为声发射传感器校准的声源。

        （2） 随铅芯硬度的加大 , 峰值变化不明显 , 但上升时间缩短 , 更加接近脉冲信号 ; 对同一硬度的铅芯 , 随铅芯直径增大 , 峰值增大较明显 , 但上升时间差异不大 , 从脉冲特征来看 , 直径为 0.7mm 的铅芯略优于 0.5mm 的铅芯 ; 3mm 铅芯断裂长度的峰值比 5mm 的大 , 上升时间比后者短 , 而且稳定性也优于后者 , 由此推断硬度为 2H, 直径为0.7mm 的铅芯且断裂长度为 3mm 更加接近脉冲声源。

        （3） 随着毛细玻璃管的直径的增大 , 其上升时间减少 , 峰值增加。 0.7mm 的毛细玻璃管的上升时间最短 , 峰值最大 , 但其稳定程度均较差 ; 而 0.5mm的毛细玻璃管 , 其峰值较大 , 上升时间却较小 , 相比之下其稳定性最好 , 因此 , 0.5mm 的毛细玻璃管较适合作声发射校准模拟声源。

        （4）通过实验 , 得出不同声源中最适合做声发射传感器灵敏度校准的脉冲声源 , 总结出优化操作手法 , 同时分析了声发射传感器校准过程中的误差 , 为声发射传感器校准中的参考声源提供性能评判的依据。

                                                             作者：郝永梅 ,邢志祥 ,邵辉 ,顾晓辉 

                                          (常州大学环境与安全工程学院 ,常州   213164)