北京化工大学 硕士学位论文 声发射传感器校准方法的研究 姓名：黄山 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：李大字 20100522
摘要
声发射检测在压力容器等大型结构件的状态监测中具有广泛的应用， 压电型声发射换能器是声发射检测的重要部件，其灵敏度的准确校准是实 现声发射定量技术的前提。 本文针对我国声发射传感器存在无法溯源的问题，从声发射技术中存 在的不同模式声波出发，分别建立了表面波互易校准系统、纵波互易校准 系统和基于脉冲的表面波比较法校准系统以及面对面法简易校准装置。 首先，在回顾目前声发射传感器校准方法和已有标准的基础上，阐述 了互易法校准的原理以及推导了表面波和纵波的互易常数，建立了表面波 互易校准系统和纵波互易自动校准系统，在１００ｋＨｚ－－１ＭＨｚ范围校准不确 定度为１２％（ｋ＝２）。所建系统实现了声发射传感器表面波和纵波的绝对 校准。 其次，对比了不同规格的毛细玻璃管、不同规格的铅笔芯以及利用换 能器的逆压电效应作为模拟声源的声发射信号时域特征和频谱特征。依据 ＩＳ０１２７１４建立的二级校准装置，即表面脉冲法的比较法校准系统，其模 拟声源的重复性能够保证在２％以内，比较法校准系统的不确定度为１ ６％ （ｋ＝２）。所建立的比较法系统为声发射传感器的表面波灵敏度校准提供 了便捷的量传手段。 另外，建立了面对面校准装置，该装置适用于声发射传感器的简易校 准，其校准不确定度为１５％（ｋ－２），面对面法校准装置为工业现场的声发
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声发射传感器灵敏度测试提供有效的技术手段。 声发射传感器校准技术中，参考传感器的选择尤其重要。参考电容传 感器和利用激光多普勒原理测量单点振动位移或者振动速度的方法为本 课题后续的研究方向。
关键词：声发射，传感器，校准，互易法，比较法，纵波，表面波
北京化工大学位论文原创性声明
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作者签名：童璺
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第一章绪论
１．１研究背景
随着现代工业发展，汽车、钢铁、装备制造等诸多行业的检测需求极大促进了检 测技术的发展，其中无损检测技术因为可在不影响检测对象使用的情况下完成检测， 倍受重视而得到快速发展【Ｉ Ｊ。无损检测方法主要有：射线、磁场、涡流、超声、声发 射、微波和光学等方法Ｉｚｊ。 声发射（Ａｃｏｓｕｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，简称ＡＥ）技术是根据材料内部发出的应力波来判断 材料内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法。材料内局部应力瞬间变化，往往会 以声波的形式将能量向周围传播，声发射传感器可以检测到所处位置的应变，并将应 变转换为电信号输出来反映所检测到的应变程度【３ｊ。 实现能量转化的装置称之为换能器。换能器往往处于检测系统中信号路径的最前 端，其它形式附有缺陷信息的能量信号经过换能器转化为便于处理的信号后，就可以 方便地应用各种成熟技术和方法来进行数据分析和控制。 在声发射技术的应用中，换能器的工作频带和灵敏度对ＡＥ检测的结果具有决定性的作用，换能器的校准是ＡＥ定量研究的基础［４１。ＡＥ换能器按照原理分为压电型换能器、电容换能器和光学换能器，实际应用中大部分为谐振型的压电换能器，电容换 能器和光学换能器则应用于实验室场合。 尽管ＡＥ检测技术已经应用很长时间，也制定了相关的ＩＳＯ标准，但是统一的 ＡＥ测量标准和可溯源的校准方法和校准装置尚未完全建立，这无疑限制了ＡＥ测量 技术在压力容器等关键安全构件上的应用【５一。ＡＥ换能器及整个ＡＥ检测系统需要符 合实验室认可质量管理认证体系，要求压电型ＡＥ换能器在计量学上具有量值的可溯 源性。建立可溯源的校准方法，才能实现测量结果的统一、保证测量量值准确可靠。 本文在回顾已有声发射校准技术的基础上，建立声发射传感器的校准装置，研究 声发射传感器的校准方法。 声发射传感器校准方法的研究为中国计量科学研究院的基本科研业务费资助项
目。
１．２
ＡＥ技术与ＡＥ传感器
１．２．１ＡＥ技术
声发射技术是一种新兴的动态无损检测技术，涉及声发射源、声波传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、分析与评定等。声发射技术作为一种现代检测技术，
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起步于２０世纪５０年代初德国Ｋａｓｉｅｒ所作的研究工作。他在几种金属材料的变形过 程中观察到声发射现象，并提出了著名的声发射不可逆效应。２０世纪６０年代，声发 射作为无损检测技术，在美国原子能、宇航技术中兴起，在焊接延迟裂纹监视、压力 容器与固体发动机壳体等检测方面出现了应用实例；２０世纪７０年代，声发射技术在 日、欧、中国相继得到了发展；２０世纪８０年代，随着计算机技术和一些基础研究的 进展，声发射技术获得迅速发展。其研究与应用从实验室研究扩展到结构评价、工业 过程监视等各领域。首先在金属、玻璃钢压力容器、储罐、管道等结构件中，进入工 业应用和标准化阶段，成为一种新兴动态无损检测方法。 声发射技术于２０世纪７０年代开始引入我国，正值我国断裂力学发展的高峰，人 们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。声发射检测的主要目标是：确定声发射 源的位置；鉴别声发射源的类型；确定声发射发生的时间和载荷；评定声发射源的严 重性。与其它无损检测方法相比，声发射技术的特点：检测动态缺陷，获取的是正在 活动的材料内部信息，比如裂纹的扩展；缺陷的信息来自于缺陷本身，不需要外部输 入信号。 声发射检测技术的主用应用领域包括：（１）压力容器的ＡＥ检测（２）大型常压储罐 的在线检测（３）航空航天工业中的应用，包括新材料特性研究、飞行器结构件的裂纹 预测等（４）复合材料的ＡＥ特性研究（５）大型水坝岩石的声发射监测（６）机械制造过程 中的ＡＥ监控（７）滚动机械中滚动轴承的ＡＥ检测（８）管道与阀门泄漏的ＡＥ检测（９） 变压器局部放电ＡＥ检测（１０）木制材料的ＡＥ检测。 声发射技术从实验室研究到目前许多工业领域成功应用，取得了很大进展，今后 的发展趋势之一就是加快声发射相关标准的制修订步伐，建立我国声发射检测的标准 体系，声发射传感器的校准是其中尤为重要的一部分内容。
１．２．２声发射传感器 材料内部应力的释放会产生微弱的声发射信号，其频率范围处于听觉之外的超声 频率范围内，声发射传感器能够探测到这一信号并将其转换为电信号。由于声发射信 号的产生和传播具有很大的复杂性，所以探测到材料内部完整的声发射信号尚无法实 现。在目前的现场检测的应用中，常使用多个声发射传感器，来尽可能完整的探测声 发射信号转换为能够进行定性、定量分析的电信号。
根据声学理论，固体中只存在两种基本形式的声波：纵波和横波。当固体材料内的局部应力突然释放而产生声发射信号时，释放能量就会以纵波和横波两种传播模式在体内向各个方向传播，进而引起邻近质点的振动嗍。当声波到达材料表面时，会引起材料表面质点的振动，并且产生波的反射。 声发射传感器通过感知材料表面的质点振动或应变来探测声发射信号，因此凡可以探测到质点局部振动或位移的检测装置都可实现声发射信号的探测。由于这种质点 位移量很小，一般小于或远小于纳米级，因此一般的位移检测方法无法探测到如此细微的变化。电容传感器可以测量ｒｉｍ级的位移量且具有理想的响应带宽，但灵敏度低和使用不方便限制了其在工业现场的应用。目前，工业上大量使用的是基于压电效应 的压电传感器。
某些晶片受力产生变形时，其表面出现电荷，而在电场作用下，晶片又会发生弹性变形，这种现象称为压电效应。法国物理学家居里兄弟于１８８０年在石英晶体上首先发现了压电效应，１８８１年科学家又从理论上预计并从实验上证实了逆压电效应的存在。由于压电效应是可逆的，压电材料首先在超声领域得到了广泛应用。用压电材料 制成的换能器既可用作发射器，也可用作接收器。在声发射检测技术中，压电换能器 的主要作用就是接收声波，将声信号转化为电信号，其频率主要集中在几十ｋＨｚ到几 百ｋＨｚ的范围。 目前声发射传感器的换能元件基本都是压电陶瓷材料，声发射领域中著名的美国 ＰＡＣ公司、Ｄｕｎｅｇａｎ公司和德国的Ｖａｌｌｅｎ公司声发射传感器的换能元件也多采用压电 陶瓷材料。我国的声华、科海等公司也采用压电陶瓷材料。
以压电陶瓷为换能元件的声发射传感器简单分类有谐振式（单端输出和差分输 出）、宽频带式、高温式等换能器。不同应用目的需要不同性能的声发射传感器，多数的材料研究和构件的无损检测中使用灵敏度高的谐振式传感器；需要获取真实声发 射波形进行波形分析和频谱分析的时候使用宽频带传感器；而高温环境下只能使用高 温传感器。 实际应用中，声发射传感器的正确选择和正确使用，是声发射技术成功应用的保证。而声发射传感器的灵敏度校准是传感器有效使用的前提。
１．３
ＡＥ传感器校准的研究现状。
在声发射技术的应用中，换能器的工作频带和灵敏度对ＡＥ检测的结果具有决定 性的作用，换能器的校准是ＡＥ定量研究的基础。
在水声和电声学中，传感器也分别称作水听器（ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ）和传声器（ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ），灵敏度一般是指自由场的电压灵敏度，即传感器输出端的开路电压与在声场中引入传 感器前存在于传感器位置处的自由场声压之比就是该传感器的自由场电压灵敏度，单 位为Ｖ／ｐ ｂａｒ。与自由场对应，传声器还有压力场灵敏度。声发射传感器属于声学传 感器范畴，可以用声压灵敏度表示，单位Ｖ／ｕ ｂａｒ或者Ｖ／Ｐａ，此外，声发射传感器往往检测固体表面接收到的声波，可以作为位移传感器或者速度传感器使用，对应的灵敏度单位为Ｖ／ｍ和Ｖ／ｍｓ—ｌ。在声发射相关的技术标准中，主要针对速度或位移灵敏
度开展校准工作，而工业现场较多使用压力灵敏度进行校准。 ＡＥ传感器校准研究中最突出的进展是互易校准和表面脉冲校准： １）互易法２）比较法 ＡＥ信号一般在１００ｋＨｚ以上，常用频段为１５０ｋＨｚ一３００ｋＨｚ，高端到８００ｋＨｚ－－ １ＭＨｚ，压电效应、电容换能器和光学干涉方法均可以用于ＡＥ信号的检测。压电器 件提供的灵敏度最高，广泛使用，当需要宽频带传感器时，可使用电容和光学干涉方 法。各种声发射换能器的灵敏度和带宽如表１．１所示。

ＡＥ换能器的校准分为一级校准和二级校准，一级校准又称绝对校准、原级校准， 得到的是换能器的绝对灵敏度，二级校准主要是利用已知灵敏度的ＡＥ传感器作为参 考的相对校准，现有的与ＡＥ传感器校准相关的标准如表１．２所示。

显然同一种校准方法下的声发射传感器灵敏度可以比较，不同校准方法的校准结果如何进行比较，则是需要研究的另一课题。只有待测传感器接收到同样的机械输入，不同校准方法下的结果才可以比较。
１．３．１基于脉冲声源的比较法
ＡＥ换能器的校准主要是如何准确地得到其针对表面位移或者表面位移速度的频 率响应，其中的难点在于如何获得可溯源的表面位移或表面位移速度。美国和日本在ＡＥ换能器的校准研究方面走在世界前列。早在１９８６年美国材料试验协会ＡＳＴＭ公布了其原级校准方法Ｅ１ １ ０６—８６（２００２）Ｐｒｉｍａ＿ｒｙ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ， ｆｏｒＡｂｓｏｌｕｔｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ日本则于】９９１提出了互易校准的方法ＮＤＩＳ ２１０９．９１，ＭｅｔｈｏｄｓｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｄｕｅｅｌｓ ｂｙ Ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，并于２００４年进行修正；ＩＳＯ１２７１３参照了ＡＳＴＭ Ｅ１１０６标准，相继也推出了二级校准标准ＩＳＯ１２７１４。表面脉冲校准的理论基础，是阶段跃力作用释放后表面波在半无限媒质表面产生的法向位移可由理论算出，电容式传感器对模拟声源的响应则从实验上证明电容式传感器作为标准位移传感器和玻璃毛细管破裂作为阶跃源的可靠性。ＡＳＴＭ ＥＬｌ０６采用毛细玻璃管在大型钢制试块表面的断裂后应力释放产生的弹性波作为脉冲声源，利用标准电容传感器作为参考传感器，施加一定的极化电压，测量距离声源１００ｍｍ处的电容传感器电容变化量，根据弹塑性理论计算出该位置处表面的法向位移，将待测换 能器置于触发音声源的另一侧１００ｍｍ处，根据其电压输出值校准其位移灵敏度，单位为ｍＶ／ｍ或者ｍＶ／（ｒｎ／ｓ）。
理想的参考换能器要求具有足够的灵敏度，足够的带宽，具有重复性和实用性，能够实现绝对校准，对于表面位移或者速度，输出信号是确定的。理想的参考换能器 是非接触式的，电容传感器的频响平坦，美国标准技术研究院ＮＩＳＴ（当时是ＮＢＳ）研制 的圆柱形电容换能器带宽至少为５ ＭＨｚ，与试块表面之间有４ｐ ｍ的空气间隙，此外， 利用低噪声、宽频带的激光干涉仪系统也是测量表面法向位移的一种有效途径。 在基于脉冲声源的比较法校准中，关键是获得稳定可靠的机械声源和如何测量待 测换能器所处位置的位移。研究者尝试了多种声源方式，如铅笔芯断裂、毛细玻璃管 断裂、小钢球下落等碰撞法、气体喷射法、脉冲激光法、电容放电法等。美国 Ｂｒｅｃｋｅｎｒｉｄｇｅ等人[８]设计的电容换能器是ＡＥ换能器校准中的一个重要进展，其灵敏度 达到ｌＯ．１２量级，也是ＡＳＴＭＪｉｒｉ Ｅ１１０６和ＩＳＯ １２７１３中推荐使用的参考换能器。捷克的Ｋｅｐｒｔ等人１９／利用激光干涉仪直接测量脉冲声源作用后钢制试块表面的法向位移，但是信号的信噪比不够理想。从成本上考虑，电容换能器的成本也远小于激光干涉仪 的成本。 从原理上讲，电容换能器可依据弹塑性理论计算出换能器所处位置的位移，可以 得出待测换能器的法向位移灵敏度。但是电容换能器具有诸多严格的要求[５，１０］，制 作困难，且对ＡＥ信号传播试块的表面平行度和光洁度要求较高。同时由于２００Ｖ甚 至更高极化电压的存在，容易在电容换能器和传播试块之间产生放电现象，限制了电 容换能器的长期使用。至今尚未研制出第二只与美国标准技术研究院（ＮＩｓＴ）曾经使用 的电容换能器相比拟的参考换能器。同时采用毛细玻璃管断裂通过释放阶跃力产生触 发音的方式，毕竟引入诸多人为因素，其重复性不够理想，且电容换能器和待测换能 器置于试块表面，具有负载效应，对换能器的灵敏度具有一定影响。 基于脉冲声源的比较法校准现在仍是ＡＥ传感器校准的主要方法。随着人员更替 和设备老化，美国ＮＩＳＴ已经停止了该项校准服务，目前世界范围内已经没有相应机 构提供压电型ＡＥ换能器位移灵敏度的原级校准。美国物理声学公司（ＰＡＣ）等采用曾 在ＮＩＳＴ溯源过的换能器作为参考传感器，利用二级校准方法进行校准。
１．３．２互易法
互易校准是一种绝对校准方法，是绕开不易测准的表面位移速度等声学参数，仅 测量传感器的电学特性就可获得发送响应和接收灵敏度，从而保证测量的准确性。对于两个满足互易定理的换能器，发射和接收传感器的灵敏度乘积等于接收换能器的输出电压和发射换能器的驱动电流之比与两换能器之间的声转移阻抗的比值。互易原理 在传声器和水听器校准中具有广泛应用。 日本ＮｉｐｐｏｎＳｔｅｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＮＳＣ）采用的是互易法进行校准，并制定了日本无损检测的行业标准ＮＤＩＳ２１０９．２００４[７]。换能器的灵敏度为试块表面位移速度灵敏度，单位为ｍＶ／（ｍ／ｓ），互易校准最大的优点是不依赖于机械力源，完全由电信号进行校准。 互易校准包括表面波的互易校准和纵波的互易校准，在ＮＤＩｓ２１０９—２００４中给出了校 准试块的表面粗糙度和校准频率之间的关系，限制了换能器间距与换能器自身直径的 关系，同时对发射换能器的波形进行了推荐性说明，并给出了幅频和相频校准的方法。 日本的Ｈａｊｉｍｅ等人[11]利用脉冲信号作为发射信号，捷克的Ｊｉｒｉ Ｋｅｐｒｔ等人[９]利用 单频正弦信号，均能够对ＡＥ传感器进行有效的互易校准。单频扫频信号的校准精度 应当高于脉冲发射信号的校准结果，但是扫频信号的发射与接收，数据的分析处理， 整个实验耗时较长，需要花费ｌ一２小时。Ｊｉｒｉ将互易法的校准结果与基于脉冲信号的 比较法结果相比较，频响曲线较为一致。 互易法是利用电声互易原理通过轮换测定三个未知特性传感器的输入与输出端 电流和电压，从而求出某一个待测传感器的灵敏度。该方法可以直接测定传感器的绝 对灵敏度。该方法的优点是避免了声场参考点的声压或位移速度的直接测量或计算， 但早期建立在自由场球面波基础上的互易法使其应用于声发射传感器灵敏度校准产 生了困难：声发射信号在不同结构的构件中传播模式复杂，有些目前并不清楚，比如 薄板中声波的传播模式，并不符合自由场球面波声场特性，因而并不能直接用来声发 射传感器的校准。Ｈａｔａｎｏ确定了瑞利波声场和纵波声场下的互易系数，将互易原理成 功应用于声发射传感器的表面波校准[12]。
梁家惠老师认为声发射传感器互易校准的近期发展表现在①进一步提高了校准的准确度，措施包括采用更大的传播媒质以减少界面反射波和模式转换对校准结果的 影响，据报道，日本新日铁公司的试块为直径１．１ｍ高０．７６ ｍ，重达６ｔ的锻铜：改进 信号发送的调制波，用正弦波（周期为调制时间Ｄ作包络，其频谱的旁瓣更加平坦，有利于提取中心频率输出②把表面波互易校准推广到纵波互易校准，其背景是ＡＥ的测量领域扩展，对大尺寸厚壁容器和大型混凝土结构，纵波灵敏度具有重要性；纵波灵敏 度不像表面波那样受到孔径效应的影响，可以更多地反映传感器本身的基本特征，特 别是在高频段。 表面波互易校准和表面脉冲是彼此独立的校准方法，得到的却是对同一传播模式 （Ｒａｙｌｅｉｇｈ波）的响应曲线，因此很自然地期望它们的校准结果会有一致性[13]。比对结 果表明，两者总体一致，但似乎存在某种系统误差，表面脉冲的结果要比互易法高一 些。文献对此作了初步的探索。
１．３．３光学法
ＡＥ换能器的频率响应是其固有特性，但是现有的校准方法对于可溯源的校准测 量有以下几个方面的矛盾：其一，对于使用电容换能器的原级校准，试块表面增加了重量，换能器的存在改变了表面的运动状态。换能器的校准应当在没有负载的条件下进行，任何负载效应均对校准结果具有影响；其二，采用毛细玻璃管断裂等方式作为参考声源，其稳定性和重复性不够理想；其三，换能器和试块表面之问小ｎＴ避免存在空气间隙，耦合剂的选择和耦台层的厚度影响试块表面的运动模态，增加了测量结果的不确定度。第四，ＡＥ信号在试块表面传播时，存在多种渡的模式，ＡＥ换能器进行 测量时往往区分不丌。输入量足表面位移或位移速度，输出是电压，位移是矢量．而电压是标量，不能简单进行校准娅ｊ试，应当对表面位移的分量进行区分，校准换能器在各位移分量下的频率响应。
由于英圆菜航空发动机制造企业因ＡＥ缺乏计量学Ｅ的可溯源性而拒绝使用ＡＥ技术，英崮崮家物理实验室也开展ＡＥ换能器的校准方法研究，图１．１为ＮＰＬ的ＡＥ 传感器纵波频响校准实物图。

纵波响应的校准系统结构示意图如图１－２所示，ＮＰＬ研制宽带的锥形压电换能 器，作为原绒校准的声发射参考源的发射换能器，通过窄脉冲信号或者单频正弦信号的激励，使之在试块一侧产生稳定重复的脉冲声发射信号。在试块的另例，利用高精度、低噪声的激光干涉仪铡量其表面位移，如图ｌ一２所示。选择光学玻璃作为试块 材料的主要原因是光学玻璃易于抛光和进行镀膜处理，可为激光信号提供理想的反射，同时选择遮光材料可以利用干涉仪测量任何一感兴趣表面的位移，另外一点就是光学玻璃中的声速与声发射检测技术通常使用的钢制材料中的纵波和横波波速均较 为接近。光学反射膜采用铝或者铬，控制镀膜厚度的均匀一致。ＮＰＬ的校准系统对 ＡＥ换能器的校准得到了较好的重复性和一致性。


图１．３为剪切波响应的校准系统框图。底部利用剪切波发射探头，在两块光学玻 璃之间发射剪切波，剪切波沿着界面传播，界面上有光学镀膜层，在临近待测换能器 位置处利用光学测量系统测量光学反射膜的法向位移，即可得到待测换能器的输入位 移，通过测量换能器的输出电压得到其不同频率下的灵敏度。关于剪切波响应的校准， ＮＰＬ还推荐了其它几种方案。 英国ＮＰＬ从２００１年至今一直致力于研究新的声发射换能器校准方法研究，并建议国际计量局的电声、超声、振动咨询委员会（ＣＣＡＵＶ）重新制定声发射换能器的校准标准【１６】。
１．３．４压力灵敏度校准
声发射传感器属于声学传感器范畴，类似于检测空气声压的传声器，可以用声压 灵敏度表示，单位Ｖ／口ｂａｒ或者Ｖ／Ｐａ，在声发射相关的技术标准中，主要针对速度或 位移灵敏度开展校准工作，而工业现场较多使用压力灵敏度进行校准，其实应该主要看其使用范围。在进行压力灵敏度校准时，可以和测量空气声压的传声器进行比对。
前面提及的ＡＥ换能器的校准方法均为实验室校准，需要大型的试块提供半无限 大自由场，或者需要光学隔振平台提供理想的光学隔振条件。但是如何对现场环境中的ＡＥ换能器进行简易校准，筛查换能器的优劣？为此，美国ＰＡＣ公司等提出了一种压力场校准方法，基于比较法的面对面（ＦａｃｅｔｏＦａｃｅ）法。利用窄脉冲信号激励谐振频率较高的超声换能器作为发射换能器，使其在换能器表面产生较宽频率成分的压力， 利用已知频响曲线的换能器作为参考换能器对整体系统进行校准后，将待测换能器与发射换能器通过面对面的方式进行耦合，可以得出待测换能器的频率响应曲线，单位 为ｍＶ／Ｐａ。该方法可用于ＡＥ换能器使用现场的简易校准，其不确定度较大。
但在实际使用中，由于ＡＥ传感器耦合在固体表面，并不知道固体变面能够传递 出多大的压力，能够预测的只是该区域在弹性波作用下产生的质点速度和位移，因此 在声发射传感器校准的研究工作中，仍将面对面校准方法称之为简易校准方法。
１．４我国ＡＥ换能器校准研究进展
我国于２００５年根据ＩＳＯ １２７１３和ＩＳＯ １２７１４制定了ＧＢ／Ｔ １９８００．２００５无损检测 ＡＥ检测换能器的一级校准和ＧＢ／Ｔ １９８０１－２００５无损检测ＡＥ检测换能器的二级校准 ［１７－１８】。我国早在２０世纪８０年代耿荣生等人【１９】就利用碰撞脉冲声源测定声发射换能器 绝对灵敏度的方法，９０年代北京航空航天大学梁家惠等人【２０ｌ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ＮＩＳＴ和ＮＳＣ的相同，航天７０３ 研究所也建有类似装置。２００５年北京理工大学从美国ＰＡＣ引进了一套校准设备，同 样采用基于表面脉冲声源的比较法；清华大学和北京声华兴业有限公司联合开展了 ＡＥ换能器的校准装置研究【１０１，依据的主要是ＧＢ／Ｔ １９８００．２００５无损检测ＡＥ换能器 的二级校准，可用于使用换能器的一般检查和二级校准。由于ＡＥ换能器日益广泛的 使用，用户对ＡＥ换能器校准不断提出新的需求，中国计量科学研究院作为国家最高 的法制计量机构，也正着手建立基于比较法的ＡＥ换能器校准装置和校准规范。 我国目前已有的研究主要是压电型ＡＥ换能器的二级校准，从测量的可溯源性要 求和ＡＥ定量技术研究的需求考虑，需要建立ＡＥ换能器统一的原级校准方法【ｌ¨，该 方法需要能被所有使用者接受，同样需要反映换能器的频率响应，重复性等。原级校 准方法要求能够进行量值比对，校准结果作为选择换能器的一个参考。绝对校准是 ＡＥ定量技术的基础，在需要预测裂纹的大小和其它特性时，换能器的校准就显得尤 为重要，互易校准和利用光学方法的绝对校准是可以借鉴的方法。
第二章ＡＥ传感器灵敏度的影响因素
２．１ＡＥ传感器种类
声发射传感器，按照工作频段可分为两类：一类是窄带谐振式，另一类是宽带式。谐振式具有最高的灵敏度，但因为工作频段窄，只能用于已知声发射信号频率的应用。谐振式多由工作在单一振动模式的压电晶片构成，为了提高灵敏度，往往压电晶片的一端为空负载。宽带传感器的工作频段宽，但往往灵敏度低，适用于需要对声发射信号进行谱分析的应用。宽带传感器有多种形式，一种可以由谐振式改制而成，给其空负载端增加重阻尼背衬来实现；一种是通过并联不同谐振频率的压电晶片来实现宽 带；还有报道带背衬的锥形传感器，该宽带传感器在５０ｋＨｚ到１０００ｋＨｚ的频段有３ｄＢ 带宽。静电电容传感器也是一种频带理想的宽带传感器，只是灵敏度不高，使用不方 便。 按照传感器工作温度可将传感器分为两类：一类是工作在普通温度（－－５０℃～１８０ ℃），另一类可以工作在特殊温度下（低至－－２００℃的低温，或高至５００＂Ｃ的高温）。因 为目前商用声发射传感器的换能元件几乎都是压电陶瓷，而压电陶瓷都有居里点，只 有在居里点温度以下才有压电效应，所以传感器工作温度会受换能元件居里点的制约。工作在普通温度下的传感器可以通过波导而实现对特殊温度环境中声发射信号的探测，但前提是波导对声发射信号的衰减小。 按照传感器接收的声波类型来分，有切变波传感器和纵波传感器。在弹性体自由 表面传播的表面波可以看作是纵波和横波在表面附近干涉叠加的结果，因此纵波传感器和切变波传感器对同样表面波信号的响应信号有很大差异。ＨｕＲｏｎ用三种不同传感 器（切变波传感器、纵波传感器、加速度计）记录同一个声发射信号。结果发现，切 变波传感器的响应信号很尖锐，主要信号持续时间小于１０微秒；纵波传感器的响应 信号持续时间比较长有２毫秒左右；加速度计响应信号很差，信号持续时间更长。
按照传感器信号的输出方式分，可以分为单端输出传感器和差分输出传感器。差分输出传感器具有很好的共模抑制比，可应用于强背景噪声环境中。有一种简单的差分传感器，是由同一块压电晶片对半切割后做成。两块形状相同（为了保证有同样的 工作频段）的压电晶片反极性放置，中间绝缘隔离，底面保证电气连接，上表面分别引出信号线。有时为了提高这种结构差分传感器接收性能的各向同性，也采用一个圆柱状压电晶片和圆筒状压电晶片套装的形式。由于晶片的径向对称性，对来自径向的声发射信号不会产生方向性。但两种不同形状的压电晶片的工作模式和工作频带需要精心考虑。
２．２ＡＥ传感器结构
声发射信号一般很微弱，传感器灵敏度越高，就越容易检测到微弱信号，信噪比也会相应得到提高。因此灵敏度不但是传感器的首要指标，也是整个测试系统的重要 环节。声发射传感器的一般结构如图２．１。谐振式传感器为了追求高的灵敏度，压电 晶片通常没有背衬。不设背衬的结果是提高了灵敏度，但降低了信号的保真性，另外 传感器带宽也很窄。选择不同的背衬可以调整带宽，但对灵敏度会产生不同的影响。

声发射传感器使用时，很少直接将压电晶片与检测对象接触，多是在压电晶片前 有耐磨、耐腐蚀的保护膜，以避免压电晶片的磨蚀和损坏。这样压电晶片接收到检测 对象中传播的声波是通过保护膜耦合后的信号。因此，保护膜的作用有两个： 一是保护压电晶片，避免磨蚀； 二是充当材料和压电晶片间的声匹配层； 考虑保护膜的保护作用时，可选用耐磨蚀、强度高、易加工的材料即可；但考虑 保护膜的声匹配作用时，就要选择透声性好，声衰减小的材料，因为声匹配层对材料 特性和尺寸都有要求。如图２－Ｉ所示，自声源Ｓ产生的声波经过材料传播到达声发射 传感器安装位置时，声波首先会激发保护膜振动，进而保护膜将振动传递给压电晶片， 最后由压电晶片完成机械能（声能）到电信号的转换。理想的保护膜应具有无损耗的 将振动传递给压电晶片的能力。实际中，由于材料、保护膜和压电晶片声阻抗的差异， 声波在不同介质间不可避免的反射，保护膜作为中间层，保护膜材料和厚度对于透声 效率都有重要的影响。
２．３ＡＥ传感器的孔径效应与负载效应
当声发射传感器敏感面和声波传播方向平行时，敏感面上各点的振动会不一致，从而引起孔径效应。常见如接收表面波的声发射传感器，敏感面和表面波传播方向平行。设声发射传感器敏感面半径为Ｒ，当距离波源Ｓ足够远时，声波传播到传感器时 可视为是平面波阵面，如图２．２。设传感器敏感面的圆心０点的振动速度为ｕ＝Ａｅｊ，”， 则敏感面的平均激励ｕ可以表示为


由于孔径效应，声发射传感器对高频响应会差。为了获得最佳宽带声发射传感器，美国国家标准局制作了锥形声发射传感器，敏感面是锥形体的小界面，具有５０ｋＨｚ到 １０００ｋＨｚ的３ｄＢ带宽。
当传感器安装或者固定在结构件表面时，它变成为结构件的一部分。结构件表面 的运动情况由于传感器的存在而发生了改变，这便是传感器的负载效应。在校准传感 器的时候，认为若没有传感器的存在，试件表面输入的声信号是存在。传感器接触面 与试件表面接触，最终的运动模式取决于两者组合之后的机械阻抗。 对于一个足够大的试件，可以视为半自由场表面，传感器相应的机械阻抗取决于 弹性波性质和所用试件的密度。文献通过实验验证了钢制试件、铝制试件和玻璃的差 别，铝制试件和玻璃介质时，其灵敏度分别为钢制试件０．５９５和０．４４７．可见传播介质 对于传感器的灵敏度影响是较大的。
第三章ＡＥ传感器校准方法与系统
３．１声发射中的声波模式
声在讨论ＡＥ传感器校准之前首先得了解声发射技术中存在的声波模式。弹性波 分为体波和表面波，体波又有纵波和横波之分，主要区别在质点振动方向与声波传播 方向。由于液奄耦台剂的存在，声发射传感器接收到的横波分量可以忽略，因Ｊ比本文 主要针对声发射传感器的表面波（主要为瑞利波）和纵波灵敏度进行校准。

声波的类型分为：１）纵波．媒质中质点沿传播方向运动的波；２）横波，媒质中 的质点都垂直于传播方向而运动的波：３）表面波， 沿媒质表面层传播，幅值随深 度迅速减弱的波。实质上表面波又分为瑞利波和乐夫波，但比较常见的是瑞利波。本固体中的弹性波有纵波和横波，横波的速度约为纵波速度的６０‰这些波碰到界面就要产生沿表面传播的表面波，表面波的速度约为横波速度的９０％－ 在实际构件中，声发射波的传播要比理想介质的传播复杂的多。在实际声发射检 测中，其对象均为有限介质，例如高压容器是有限厚度的板材。声发射波在有限介质 中的传播、传播过程中的模式转换和传播速度变化等问题尚不能做到理论分析?所以， 在使用声发射传感器进行检测之前，应该对传感器进行校准，校准实验的条件应该与 实际检测的条件一致，而声发射检测在现场面临的检测对象是三种模式的波：表面波， 若在半无限大固体中的某一点产生声发射波，当传播到表面上某一点的时候，纵 波、横波和表面波相继到达．互相干涉呈现复杂的模式，如图３－２所示。与地震的情 况一样，首先到达的是纵波，其次到达的是横波，最后达到的是表面波。在实际的声 发射应用中，能够把检测对象看作半无限大介质的情况并不多，经常遇到的是像高压 容器壁那样的厚钢扳。声发射在一定厚度的钢板中传播时，波在传播过程中在两个界 面上发生多次反射，每次反射都要发生模式变换，这样传播的波称之为寻轨波。即从声源发出单一频率的波，经过寻轨波的传播具有复杂的特性，因此，要处理像声发射 波这样的过渡现象，是十分困难的。粗略的讲，寻轨波在传播速度上大体与横波的传 播速度相差不多。 有上述可知，在实际应用中，声发射传感器接收的波信号不可能只是单一模式的 波，通常是横波，纵波和表面波的叠加。这就需要我们对传感器分别进行单一模式波 条件下的校准。由于表面波只在构建表面存在，而横波和纵波在固体中的传播方向相 同，所以声发射传感器的校准应该在表面波和纵波的条件下分别进行。同时，纵波校 准比较表面波校准，具有一定的优点。纵波是三种模式中速度最快的，所以纵波校准 可以尽可能的减少波反射的影响，提高校准的精确度。
３．２互易法校准
３．２．１互易校准原理 互易法校准是利用电声互易原理校准传感器的一种绝对校准方法。Ｍａｃｌｅａｎ最早 提出了互易原理，Ｂｏｂｂｅｒ等人最早将互易原理用于水听器校准，而Ｈａｔａｎｏ随后将互 易原理应用于瑞利波声场和纵波声场的声发射传感器的校准。电声互易原理是指一个 线性、无源、可逆的电声换能器用作接收器时的声场灵敏度Ｍ和用作发射器时的发送 响应Ｓ之比和换能器本身的结构无关的原理。Ｍ／Ｓ或Ｓ／Ｍ称为互易常数，该常数仅与 声场性质有关，而与换能器结构无关。 对于以压电材料为换能元件的声发射传感器，因为压电材料的正向和逆向压电效 应，使声发射传感器既可作接收器将机械能输入转换为电能输出，也可作发射器实现 电能到机械能的转化。根据互易原理，当声发射传感器用作接收器时的声场电压灵敏 度Ｍ０和用作发射器时的发送电流响应ＳＩ之比仅由声场的性质决定，与传感器结构无 关；同样用作接收器时的声场电流灵敏度ＭＩ与用作发射时的发送电压响应Ｓ０之比也 仅由声场的性质决定，与传感器结构无关。在水声学中，互易校准是在球面波的自由 声场中进行。在声发射技术中，声传感器校准是在瑞利波和纵波声场中进行，因而以 下定义和水声学中不同。



３．２．２表面波互易常数
Ｈａｊｉｍｅ Ｈａｔａｎｏ在１９７５年实现了声发射传感器的互易校准，其方法如图３．３所示。 此处校准中的传感器都是可逆的。












３．２．４影响因素
首先，以上两种互易常数的推导假设了传感器与试块表面实现理想的压紧耦合， 传感器的感应面与试块表面之间不存在能量的损失。但是，由于在实际校准中需要使 用耦合剂来实现二者的耦合，所以理想的能量传递是不能实现的。由于耦合剂所导致 的校准误差需要结合针对耦合剂影响因素的实验来确定，包括耦合剂的厚度、材料、 压紧力等。 其次，上面的推导过程认为传感器是感应面很小，可以认为是一个点。或者说， 表面波与纵波在接收传感器和发送传感器的感应面范围内的法向位移速度都是相同， 也就是说忽略了传感器的尺寸所产生的孔径效应。同样，这种假设会对校准结果产生 一定的影响，针对孔径效应同样需要设计方案来定量孔径效应对校准结果的影响。 以上两方面是影响互易校准的主要因素，在校准中需要对二者对校准结果的影响 加以确定。
３．３表面波灵敏度校准系统
表面波灵敏度校准的关键是模拟声源和参考换能器的选择，ＮＩＳＴ早期建成的装 置包括毛细玻璃管断裂的模拟声源，以及电容换能器作为参考换能器，本文尝试研制 类似的电容换能器，但是实验结果不是很理想；日本ＮＤＩＳ推荐使用互易法进行校准， 本文采用互易法进行绝对校准，采用毛细玻璃管、铅笔芯断裂作为和声发射换能器作为 声源，利用互易法校准后的传感器作为参考传感器进行比较法校准。
３.３．１表面波互易校准系统

表面波互易法校准装置系统组成：ＡＲＢ信号源Ａｇｉｌｅａｔ３３２２０Ａ，功率放大器，电 流传感器采用的是ＴＥＫ的ＴＣＰ３０，结合ＴＣＰ００３０电流传感器的使用，带宽１２０ＭＨｚ、 量程３０Ａ（５Ａ），基于霍尔效应技术，ｌｍＡ／ｄｉｖ灵敏度，数据采集系统采用的是ＤＰ０７０５４ 示波器，前置放大器为２０ｄＢ，４０ｄＢ，６０ｄＢ增益可选。其中电流传感器的精度是ｌｍＡ， 示波器为８位，采样率可以设为２０ＭＨｚ甚至更高。

其中表面波传播试块直径８００ｍｍ，高度４００ｒａｍ．材料为锻钢，经过超声波探伤 没有明显回波，表面粗糙度要求高于ＩＳＯ标准中的规定，传感器１和传感器２分别由 两个固定距离的加载装置固定加载。表面渡声场传播介质是圆柱形锻铜，在５６６℃或更高的温度进行应力释放，上下两端面平行度≤０ １２ｍｍ，上表面ＲＭＳ粗糙度≤ｌ 下表面ＲＭＳ机糙度≤４ｐｍ，圆柱嘶ＲＭＳ粗糙度≤６.３
ｕｍ，对材料进行２ ２５ＭＨｚ的超声纵向检测。缺陷回波不大于第一次界丽ｌ叫波的１０％，在材料上表面进行不少于１５个点的脉冲回波时间测量，纵波和横波的波速与平均波速相差不大于0.001和0.003。
３，３．２表面波比较法校准系统 
比较法校准利用ＰＡＣ公司的ＰＣＩ２卢发射信号采集悟，本文搭建了声技射信号采集平台，包括装有ＰＡＣ公司的ＰＣＩ－２信号采集卡的丁控机，ＰＡＣ公司的￥９２０８ （Ｓｔａｎｄａｒｄ）、Ｒ１５（ｓｔａｎｄａｒｄ）声发射传感器和４０ｄＢ／６０ｄＢ前置放大器、示波器、与表面波互易相同的试块，以及基于ＬａｂＶＩＥＷ８ ６的声发射信号采集软件。其中，ＰＣＩ－２信号采集卡在记录波形数据时，其采样频率为１０ＭＨｚ。声发射传感器￥９２０８（Ｓｔａｎｄａｒｄ）
是ＰＡＣ公二】生产的标准（Ｓｔａｌｌｄａｒｄ）宽频传感器，其频率响应范围２０ｋＨｚ到１Ｍｌｔｚ。 前置放大器的放大倍数设置为４０ ｄＢ。试块的上表面经过抛光，其直径为８００ｍｍ，高 为４００ｍ。传感器与试块表面通过凡士棒耦台，在声源处．一块７６.２×２５.４ｘＯ.８mm的载玻片通过相同的耦合剂与试块表面耦合。工控机运行基于ＬａｂＶＩＥＷ８ ６平台信号 采集程序。


毛细玻璃管压断装置，参考国家标准《ＧＢ．Ｔ １９８００－２００５无损检测声发射检测 换能器的一级校准》选用１２ｍｍ的压载玻璃棒。安装使用前，将玻璃棒用强力胶固定 在槽内，然后将装置固定在试块上方的支架上。当转动手柄时，螺杆会向下推进，由 于螺杆与小平板由推力轴承相连接，所咀装有玻璃棒的小平板将垂直向下移动直至压 断毛细玻璃管。两端的导杆起到固定引导方向的作用。 设计制作的铅笔芯压断装置能够保证铅笔甚在一定的角度下受应力而断裂。这种装置与ＡＳＴＭ标准中的Ｎｉｅｌｓｅｎ Ｓｈｏｅ断铅装置相类似，本文使用的压断装置采用塑料村质，并且在接触部分采用圆滑设计，选样可以避免压断装置与构件接触时产生脉冲噪声。在使用时，保证铅芯与试块平面的角度成一定角度。
根据压电元件的可逆性，对声发射换能器施加脉冲电压使其产生声信号。本文使 用ＰＡＣ公司的￥９２０８作为发射换能器．加以脉冲信号或者单频正弦信号激励。

３．３．３传感器和声源的距离选择
在声发射传感器校准的过程中，传感器与声源的距离是一项重要参数，它直接影 响着校准结果的准确性。已经知道，在钢材中：纵波波速％２圳４ｕｍ／ｓ，横波波速V5＝３２５０ｍ／ｓ，表面波波速VR＝３０１０ｍ／ｓ。换能器距离声源的距离为Ｘｍｍ。当模拟声源在试样表面的中心位置产生声发射信号时，则圆柱形试样内同时激发并且传播的 有纵波、横波和表面波，并且各个模式的波以一定的时间顺序依次到达传感器，路径 １是表面波的传播路径，路径２是纵波和横波的传播路径。试样直径为８００ｒａｍ，高度 为４００ｍｍ，如果距离Ｘ等于１００ｍｍ，可以计算出传感器接收到的首次纵波、横波和 表面波的传播时间。

可见在上述条件下，有ｌＯＯＰｓ的时间用于数据采集。同样，在声发射校准的国家标准和ＩＳＯ标准中，也涉及到了Ｘ参数的选取。在一级校准的标准中，没有规定试块的尺寸，但是推荐了标准换能器与待检换能
器应当放置在距离冲击力作用点ｌＯＯｍｍ±ｌｍｍ的位置，并且把记录声源信号的时间窗 定在１０２?４芦，也就是说以１０２．４ｐｓ作为声发射模拟标准信号的时间长度。 在二级校准的标准中，规定了试块的尺寸至少为直径４００ｍｍ，长度１８０ｍｍ的钢 质圆柱，声源到参考传感器和声源到待检传感器的距离应为100mm±2mm。声源数据记录的总长度为102.4μs，但是并不是以这一时间长度的原始波形作为声发射脉冲信号。由上述分析结合标准的推荐，在比较法表面波灵敏度校准中，选择的声源到传感器的距离为100mm，这种情况下至少有１００μｓ的时间用于数据采集而避免其它模式声波的影响。


纵波互易的系统框图，其数据采集系统和信号激励部分与表面波互易系统相同。 纵波互易校准试块尺寸为２５０ｒａｍ×２５０ｒａｍ×３００ｍｍ，两端面进行抛光处理，分别有 弹簧加载装置加载互易校准传感器，参考传感器选择日本富士陶瓷公司的ＲＥＦ－－ＶＬ 传感器，其典型频率响应曲线由厂商提供。
３．５压力灵敏度和连续波校准
压力灵敏度主要是相对于位移灵敏度或者速度灵敏度而言，其单位为ｍＶ／Ｐａ．，或者ｍＶ／ｕｂａｒ，通常也以ｄＢ表示。面对面校准通常采用谐振频率高于２ＭＨｚ的超声换能嚣作为激励器，在窄脉冲信号的馓励Ｆ用１００ｋｉｔｚ－－１ＭＨｚ范围的宽频信号，作用于与之面对面接触的待测换能器上，换能器接收到的时域信号进行傅立叶变换，便可得到该换能器的频率响应。这里需要交代的是，该频率响应只足一个相对灵敏度，要求得到 绝对灵敏度响应，需要知道发射换能器的灵敏度，而实际上发射换能器近场存在非线 性，很难校准得到发射换能器的近场灵敏度。本文秉用ＰＡＣ提供的Ｒ１５ｓｔａｎｄａｒｄ的压 力灵敏度曲线作为参考，Ｒ１ ５ｓｔａｎｄａｒｄ溯源至美国ＮＩＳＴ。发射换能器由信号源ｌＯＯｎｓ的窄脉冲信号激励，接收换能器的输出信号通过示波器或者ＰＣＩ２卡采集获得，利用ＲＩ ５ｓｔａｎｄａｒｄ作为参考传感器。 连续波校准测试是模拟管道泄露或者其它连续波信号作用Ｆ，换能器的响应，利用氩气作为声源，最用在锥形试块的端面，另一端面固定待测传感器，通过０ ｌｍｍ的细孔喷射出来的氩气作用在锥形试块上，形成宽带信号．对接收换能器的时域信号进 行傅立叶变化便可以得到其频域响应。


互易法校准程序时在ＬａｂＶＩＥＷ ８．６平台下编写的．使用了Ａｇｉｌｅｎｔ ３３２２０Ａ任意函 数发射器和ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＤＰＯ ７０５４示波器在ＬａｂＶＩＥＷ平台下的控件函数。在校准程序中，操作人员能够对函数发生器和示波器进行设置，把示波器采集到的数据传送到计 算机并进行运算分析。程序流程如图３-１５所示
在程序中，操作人员可以根据需要设置校准的频率范围，频率步进长度。以及示 波器的采集波形的时间长度、零点位置、幅值范围、触发闽值等参数。并且程序会根 据输入的校准模式和传感器距离计算出所需要的互易常数，并计算传感器的灵敏度。

互易法校准需要在一定的频率范围内，在每个频率点对发送传感器发射此频率 的电压信号。但是，函数发生器需要调用ＯＵＴＰｕｔ｛ＯＦＦＩＯＮ｝命令通过切换输出继电器 而改变输出连接器的状态，其ＯＵＴＰＵＴ输出ＶＩ控件同样要调用此命令。然而，该命 令在切换继电器之前不会将要被输出的电压置零。因此，输出信号会在信号稳定之前 具有大约Ｉｍｓ的“毛刺”。所以，程序中在更改输出状态之前首先将振幅设置为最小， 从而将这些毛刺最小化。 结合３３２２０Ａ的任意函数发生功能和脉冲串功能，程序实现了在一定频率范围内 单步单频发出具有包络的声发射激励电压信号。每次向函数发生器发出触发命令就可 以使其发出一个激励电压信号。要注意的是。由于程序中还同时控制着示波器，所以 要使函数发生器完成命令响应，再对示波器发出命令。
在函数发生器发出波形后，示波器硬件已经采集到了接收电压信号．但是没有将 其传送到计算机。这里，程序使用了消息结构柬保证发送信号与采集信号的同步，避免干扰信号的影响。也就是说，通过消息结构，只有函数发生器完成信号发送。并且向示渡器发出消息通知，示波器才能将最近次采集到的信号传送到计算机。
声发射传感器的二级枝准包括两个方面的内容，一是传感器面对面的ＦＴＦ（ＦａｃｅＴｏＦａｃｅ）法．二是基于表面波的比较法。实现两种二级校准的程序界面如圈３-２０所示
二级法棱准程序时在ＬａｂＶＩＥＷ ８．６甲台下编写的，在表面波比较法校准中Ａｇｉｌｅｎｔ３３２２０Ａ任意函数发射器作为电子模拟声源的激励源，而在盯Ｆ校准中其作为发送传感器的激励源。ＰＡＣ ＰＣＩ－２采集卡作为信号采集设备。操作人员在程序中对函数发生 器和采集卡进行控制、操作。


程序可以分别控制两个通道的开关，并且设置ＰＣＩ．２采集卡两通道的滤波上下 限、触发阈值、采集频率、采样长度，采样波形参数等。同时，在使用函数发生器作 为激励源或声源时，可以设置脉冲波形的幅值和宽度
３．７ ＡＥ信号的发射与接收
互易法校准的关键是发射电流和接收电压的测量，选择合适的时间窗获得相应的时域波形，进行傅立叶变换，但在互易校准过程中，经常会遇到各式各样的问题。例如：谐振频率处接收电压值过大造成溢出，其它频率点电压又变得很小，这就需要适时调整电压的幅值范围，而示波器没有合适的自适应的控件，每次通过Ａｕｔｏｓｅｔ也不现实。另外，在测量过程中，随着频率的不断改变，ＡＥ传感器的接收灵敏度也相应 的改变，同时由于换能器边界以及其它反射面的影响，波形会出现叠加等现象，此时需 要进行不断的调整，尽量使接收到的电压波形与发射电流波形大体一致，保证接收和 发射的一一对应。下图中通道１为电流波形，通道２为接收传感器的电压波形。

圈３一１９和图３－２０是连续两个频率点的所被采样的波形，干扰波形会互相叠加而 影响采样结果，若不进行调箍则离散傅立叶变换所得结果存在一定偏差。对各干扰波形的分析如下： 图３－１９中接收到三个波形，两传感器之间距离２００ｍｍ，其中第一个波形经过了６５，ｕ５被接收端接收，结合表面波的传播速度判断是由发射端传过来的我们所需要的 表面波。由图３－１９可知第二个波形大概再经过ｌｏ～１５—５被接收．表面波大约传播了 ３０ｍｍ，但接收传感器周围并没有其他的障碍物，故可判断可能是由于表面波在发射 或者接收传感器的边界反射所形成的，第三个距离较远的波形可能由于其他反射体的反射而形成的。


因为出现了干扰计算结果的叠加波形，应该予与剔除，可以在软件中调整示波 器通道中的ｐｏｓｉｔｉｏｎ参数，使干扰波形在所采的时问窗之外，调整后如图３－２１所示。

３．８本章小结
本章详述了声发射校准中的不同模式的声波及其声发射传感器校准的影响，阐述 了互易校准的原理。推导了表面波和纵波互易常数及其影响因素，并举例说明了在测试过程中所遇到的问题及其解决办法。在此基础上，针对表面波和纵波分别建立了互 易法校准装置和比较法校准装置，包括硬件系统和控制程序。
第四章ＡＥ传感器的灵敏度校准
４．１引言
在第三章建立的表面波互易系统、基于脉冲声源和参考传感器的比较法校准系 统、纵波互易校准系统和面对面压力灵敏度校准系统的基础上进行系列实验，考核校 准系统的重复性，并与美国ＰＡＣ、日本富士等提供的校准数据进行比对。
４．２表面波互易校准
４．２．１表面波互易校准结果 选择Ｓ９２０８ｓｔａｎｄａｒｄ为测试对象，进行互易校准。分为若干个频率段调整示波器 的电压档位和电流信号档位，采样率一般设为ＩＯＯＭＨｚ，存储深度ｌＯｋ，得到的频谱 分析的步长为１０ｋＨｚ。图４．１为测量获得的三只￥９２０８在１００ｋＨｚ－－１ＭＨｚ频率范围内的灵敏度曲线平均值。同一型号的传感器基本具有类似的频谱响应。

圈４－２、４－３、４＿４给出的是序列号分别为ＡＧ４４、ＡＧ４５、ＡＧ５１的三只传感器的重复性实验结果，互易洼枝准结果的相对误差不超过５％。




图４＿５给出的是ＰＡＣ公司给出的比较法结果与我们利用表面波互易法的结果对照，曲线对照标明两者的频响曲线趋势是一致的，按照梁家惠的分析，表面波脉冲比 较法也有一个等效的互易常数，通常情况下Ｈ（ｆ）的值偏大，因此利用表面脉冲法校准 结果偏大，但是计算结果显示偏大的量值一般在几个ｄＢ左右，上述实验结果对照标 明存在１５ｄＢ左右的偏差，ＰＡＣ与ＮＩＭ建立的互易校准系统应该存在某种系统偏差， 才会导致这样的结果，目前导致该偏差的原因正在做进一步的探索。

S９２０８在ＰＡＣ公司是作为位移传感器出售的，其Ｓ９２０８ｓｔａｎｄａｒｄ是作为参考传感 器，在制作工艺和校准流程上比常用工业传感器控制得更为严格，但仍存在诸多值得 商榷的地方。Ｒ１５是另一款谐振型的传感器，Ｒ１５ｓｔａｎｄａｒｄ是参考传感器，图４－６、４－７、 ４．８是只不同的Ｒ１５ｓｔａｎｄａｒｄ的表面波互易结果。



图４-８所示为互易法结果与ＰＡＣ比较法结果的对照，相差５～１０ ｄＢ，其吻合程 度与前面的理论分析较为一致。
４．２．２表面波互易的不确定度评定 按照互易校准的原理和灵敏度计算公司，主要是声转移阻抗和电转移阻抗造成的 Ｂ类不确定度分量，其中包括互易常数、电压和电流测量以及离散傅立叶变换等情况。 
（１）互易常数的不确定度 互易常数，忽略相关系数，合成的Ｈ大于实际的Ｈ引起的不确定度

纵波互易的Ｄ为３００ｍｍ，不确定度Ｏ．１ｍｍ，引入的Ｈ的不确定度优于表面波互易。

（１）考虑各个常量对Ｈ的贡献以及其相关性，物理量对Ｈ的影响估计为在ｌ％以内。
根据ＧＢ／Ｔ １９８００．２００５的相关描述，放大器噪声、量化噪声和系统所运用的离散 傅立叶的有限性和时窗的有限性，整体不确定度控制在２．５％以内。接收电压８位示 波器，电流和电压测量不确定度均优于Ｏ．５％，电压和电流的测量不确定度决定了幅频计算后的不确定度。
要独立测量三组电流和电压，因此电压和电流以及频谱计算的不确定度分量不确 定度分量为１．７３２×０．５％ 
（３）重复性，包括耦合情况等
Ａ类不确定度最大值５％（整个频段内的不确定度指标放大考虑，在１００ｋＨｚ－－５００ｋＨｚ不确定度仅为１％～２％）
因此，合成不确定度优于（％）：５．５％
因此扩展不确定度优于１２％（ｋ＝２）
４．３基于脉冲声源与参考传感器的比较法校准
４．３．１脉冲声源
如果将声发射传感器看作是双口四端网络，机械信号输入，电信号输出。如果能准确测量输入的机械参量和对应的输出电参量，那么就很容易知道传感器的灵敏度。 测量电参量比较容易，精度也有很好的保证，但测量输入的机械参量（压强、位移、速度、加速度）就有困难，目前声发射传感器的校准中难以解决的问题之一就是声源。在比较校准方法中，声源要满足两个要求： １）稳定 ２）频谱宽 稳定的声源可以用复杂但准确的方法作一次测量，其后可相信它的声场特性就是准确测量的结果而保持不变。事实上受多种因素影响的声源（作用力大小、方向、作用时间）很难做到保持不变。已发展的校准方法中落球校准、电火花冲击校准、断铅 校准、断裂玻璃毛细管校准、气体喷射校准、激光校准和换能器对接校准都是围绕不 同的声源提供方法进行的。落球法中用一个钢球撞击传感器表面或试样表面来产生声 源，电火花法通过在试样上的高压放电来产生声源，断铅法在试样表面断裂铅芯来产 生声源，断裂玻璃毛细管在试样表面断裂玻璃毛细管来产生声源，气体喷射法用一定 压力的气体冲击试样表面来产生声源，激光法是用激光直接或间接冲击试样表面来产 生声源，对接法用换能器的逆压电效应来产生声源。以上声源产生方法中，受技术和 工艺条件限制都不能保证声源是稳定一致的，只能保证在允许的误差范围内是稳定 的。因为提供的声源难以保证稳定，因此很多情况下还用到了标准传感器来对校准结 果进行修正。 对声源宽频谱的要求是指在关心的频段内，声源的声场一致性好，以保证不同频 率下传感器接收到的机械输入一致。落球法中由于落球产生的应力波频率高频分量不 足，可能使传感器的高频响应特性被掩盖；电火花脉冲激发的声波被证实有很强的低 频分量，是放电系统本身的固有特性，因此只能用来校准大于１００ｋＨｚ的频段；气体 喷射法产生的是白噪声声源，经ＭｃＢｒｉｄｅ和Ｈｕｔｃｈｉｓｏｎ实验发现１２引，该方法在２００ｋＨｚ 到１０００ｋＨｚ的频段可以校准；断裂玻璃毛细管产生的声波在１００ｋＨｚ到１０００ｋＨｚ的频 段可以理想的校准；对接法虽然可以提供扫频输入，但由于实现电声转换的换能器特 性不理想，不同频率的声场并不一致，只能保证某一频段声场一致性，因此往往需要 发射换能器的频段覆盖待测传感器的频段。 本文从最大幅值、上升时间等参数对比分析了声发射校准中所使用的几种声源， 实验结果表明，０．３ｍｍ毛细玻璃管在幅值、重复性和稳定性都优于其他两种规格；在 使用０．５ｍｍ和０．７ｍｍ铅芯时，铅芯的硬度越大，上升时间越短；而当铅笔芯较粗， 断裂长度较短的时候，其信号能量越大，时域上越接近理想脉冲信号；利用脉冲电压 或者单频音爆电压信号激励声发射换能器所产生的声源，具有良好的重复性和稳定 性。在校准过程中，根据校准方法及环境条件，选择合适的声源，有利于提高校准结 果的精确度。
４．２．１．１毛细玻璃管 分别使用内径为０．２ｒａｍ，０．３ｒａｍ和０．５ｍｍ的毛细玻璃管进行压断。图４－９是三种 规格的毛细玻璃管压断声源产生的声发射信号的峰值统计，图４．１０为典型的０．３ mm毛细玻璃管压断时域图。（最大幅值具有相对意义，下同）



（３）上升时间是从时间零点开始到最大幅值的时间，时问零点到触发阈值的时问是预 触发时间，根据经验阀值通常设置为２ｍＶ。从统计中可以看出，Ｏ ３ｍｍ玻璃管的峰值 最大，不确定度最ｄ＇ｏ上升时间虽然大于ｏ ５ｍｍ玻璃管，但是其稳定程度要优于０.５ｍｍ玻璃管。所以，考虑到峰值和上升时间两方面的参数以及它们的稳定程度，内径０．３ｒａｍ 的毛细玻璃管最适合当作声发射校准中的模拟声源。ＩＳＯ标准推荐内径０．２ｒａｍ的毛细 玻璃管，由于生产厂家提供的０．２ｍｍ内径的毛细玻璃管壁厚的偏差较大，因此信号的 能量和离散程度偏大。
４．２．１．２铅笔芯 
利用断裂铅笔芯来形成声源是ＡＳＴＭ推荐使用的模拟声源之一，同时，该方法符 合ＩＳＯ标准和ＧＢ标准所规定的能够形成声源的小孔径装置。实验分别从铅芯的硬度， 直径和断裂长度三个个方面来进行。图４．１１所示为一个典型的断铅信号，其直径为 ０．５ｒａｍ、硬度为ＨＢ、断裂长度为３ｍｍ。

选用硬度分别为２Ｈ、ＨＢ，直径为０．５ ｍｍ，断裂长度为３ ｈｉｍ的铅芯进行实验， 结果如表４．４所示。

从实验结果可以看出，在最大幅值方面，硬度对声源信号的影响并不显著。但是，硬度大的铅芯上升时间更短，更加接近脉冲信号，并且稳定性更好。选用硬度为ＨＢ，断裂长度为３ｍｍ，直径分别为Ｏ．５ｍｍ和０．Ｔｒａｍ两种铅芯进行 断裂实验。

表４＿５明显可以看出，在相同硬度，相同断裂长度的条件下，直径Ｏ．７ｍｍ的铅芯在断裂时具有更大的幅值，但稳定性较差。在上升时间方面没有明显的差异。
断裂长度不同，选用硬度为２Ｈ，直径为ｏ ５ｔｕｎａ．断裂长度分别足３ｒａｍ和６ｒａｍ的 铅芯进行实验，结果如表所示。

从表４－６中可以看出，在相同硬度，相同直径的条件下，断裂长度越小，峰值越 大，上升时阃越短，并且稳定性越高。 ３声发射换能器
４.２.1.3声发射换能器
用脉冲电压信号激励声发射换能器使之产生声信号，这种声源只是利用脉冲电压激励声发射换能器．使之产生如铅笔芯、玻璃管所产生的声发射信号。利用ＰＡＣ公司的ＡＲＢｌ４１０信号发射｝为换能器提供脉冲电压信号。图４－１２为利用￥９２０８接收到的换能器发射波形的时域图。


通过２０次的苇复性实验，可以看出这种声源可以产乍与钳笔芯和毛细玻璃管Ｉ｜｛ｌ｜ 似的时域特性和额域特性，但它具有更好的重复陛和稳定性。 重复性百分比为Ｏ. ００５／０. ５５－１％，因此从信号幅度的角度评判卢源的熏复性优于1％。
利用Ｓ９２０８作为发射声源，脉冲信号激励，Ｒ１５固定进行接收，重复性实验数据 参见表４ ８，给出２０次实验的标准差，以及标准差与平均值之间的百分比，考察１００ｋＨｚ 一１ＭＨｚ频率范围内的重复性．去除个别奇异点，求其百分比值小于２％，园此模拟 声源的重复性优于２％。

４．３．２参考传感器
参考传感器应溯源至标准，曾经美国的声发射传感器是溯源至ＮＩＳＴ的，ＮＩＳＴ早 在上世纪９０年代就外展ＡＥ传感器的校准测试服务的，但是在２００３年甚至更早，ＮＩＳＴ 便停Ｉ｜：了校准测试服务，目前美国物理声学公司利用在ＮＩＳＴ进行校准过的S９２０８和Ｒ１５进行比较法校准测试。本文采用的参考传感器采用三只￥９２０８和三只Ｒ１５ ４．３．３基于脉冲声源的比较法校准在同一组断铅实验中，得到的Ｒ１５ ＤＤ０１和Ｒｌ５０６１３６４的结果，由图４—２０和圈４－２１可以看出，对相同声源的响应，Ｒ１５的灵敏度要高于Ｒ１５０。实验时毛细管断裂 时，接收传感器没有加前置放大器，由于毛细玻璃管断裂时产生的能量较大，若利用前置放大器进行４０ｄＢ增益．则信号会溢出，因此没有增益处理。 图４２３ ＳＲｌ ５ＤＤ０１的测试数据与ＰＡＣ所给数据的比对，可见断铅实验和毛细玻璃管断裂实验结果一致性程度很高，在１００ｋＨｚ．１ＭＨｚ频率范围内与ＰＡＣ给出的参考 数据也较为吻合，存在３ｄＢ左右的系统误差，在低频段由于博立叶变换造成了较大的偏差。




４．３．４不确定度评定
（１）Ａ类不确定度 主要取决于耦合状况，耦合状况等因素造成的Ａ类不确定度为５％ 
（２）参考传感器不确定度：５５％
（３）电压测量与频谱计算：ｎ５％
（４）模拟声源：不确定度为２% 
合成不确定度为：７ ７％，扩展不确定度优于１６％（ｋ－－２）
４．４纵波互易校准
图４＿２４一图４—２７为ＲＥＦ－ｖＬ三只不同序列号的纵波互易校准结果。图４．２８为与日本富士公司所给曲线的对照，发现低频段基本吻合．高频段相差较大，ＲＥＦ—ｖＬ 本身工作频段一般在１００ｋＨｚ－－５００１ＣＩｚ，另一方面两家采用的系统存在一定差异，富 士陶瓷采用的是一恒流源，恒流源在高频段的电流存在一定偏差，另一方面富士陶瓷的结果是２ｋＨｚ步长，在存储深度相同的情况下，必然降低了采样牢。因此高频段的 比对结粜尚需要进一步确认。




纵波互易的不确定度评定与表面波互易的不确定度评定类似，只是互易常数的计 算存在一些差别，其它主要是电量测量，因此采用与表面波互易相同的不确定度，即１２％（ｋ=２）
４．５压力场灵敏度校准
压力场灵敏度校准主要利用信号源将窄脉冲记号激励到宽带超声换能器上，超声换能器作用于待测传感器，待测传感器的时域响应进行频谱分析便可得到面对面测试条件的灵敏度曲线。
压力场灵敏度校准采用FFT-PULSER，与PAC公司相同，激励信号采用33220A的10V，100ns宽度的信号。图4.28为R15_VC93的十次测量结果，可见重复性很好，与PAC的结果对照显示无论是频响曲线的趋势和绝对值，均吻合较好。
ＦＴＦ方法校准测试的面对面条件Ｆ的压力场必敏度，返利，测试方法可以应用工业现场的简易校准，只需要个信号源，加一个简易的小型加载装置，一个超声发射换
能器，信号接收装置用现场的声发射仪便可以，这样可以实现工业现场的声发射传感器频率响应的初步筛查。



ＦＴＦ法不确定度评定： 
（１）Ａ类不确定度 优于５％（平移至２００ｋＨｚ对应４０ｄＢ位置，最大偏差约２．５％，包括模拟声源的 重复性等１ 
（２）参考传感器不确定度，不确定度为５．５％ 
（３）发射传感器不确定度分量、发射电压信号忽略 
因此，合成不确定度：７．５％，扩展不确定度为１５％（ｋ＝２）
第五章总结与展望
５．１全文总结
本文针对我国声发射传感器存在无法溯源的问题，从声发射技术中存在的不同模 式声波出发，分别建立了表面波互易校准系统、纵波互易校准系统和脉冲法表面波比 较法校准系统以及面对面法简易校准装置。 在回顾目前声发射传感器校准方法和已有标准的基础上，阐述了互易法校准的原 理以及推导了表面波和纵波的互易常数，对比了不同规格的毛细玻璃管、不同规格的 铅笔芯以及利用换能器的逆压电效应作为模拟声源的声发射信号时域特征和频谱特 征，利用购置的参考传感器以及自制的声发射传感器进行了系列测试实验，得出如下 结论： 
（１）影响声发射传感器灵敏度的影响因素包括压电材料选择、长径比、背衬材料与 质量、保护膜选择等方面，同时传感器的孔径效应和负载效应对传感器的频率响应也 存在一定影响。 
（２）针对声发射应用中不同模式的声波，建立的表面波互易校准系统和纵波互易校 准系统，能够有效测量声发射传感器的频率响应，在１００ｋＨｚ－－１ＭＨｚ范围校准不确定度为１２％（ｋ＝２）。所建系统实现了声发射传感器表面波和纵波的绝对校准，为建立我国声发射传感器校准的国家标准装置奠定了基础。
（３）依据ＩＳ０１２７１４建立的二级校准装置，即表面脉冲法的比较法校准系统，其模拟声源的重复性能够保证在２％以内，比较法校准系统的不确定度为１６％（ｋ＝２）。该系统的建立为声发射传感器的表面波灵敏度校准提供了便捷的量传手段。 （４）建立的面对面校准装置适用于声发射传感器的简易校准，其校准不确定度为１５％（ｋ＝２），面对面法校准装置为工业现场的声发射传感器灵敏度测试提供有效的技术 手段。
５．２今后工作展望
由于时间等因素的限制，研究和开发工作还有待进一步完善和扩展，需要从以下 角度出发进行下一步的研究： 声发射传感器校准中，参考传感器的选择尤其重要。参考电容传感器和利用激光 多普勒原理测量单点振动位移或者振动速度的方法为本课题后续的研究方向