射线、超声、磁粉、着色等常规无损检测方法可发现容器的现有缺陷 ,但对了解容器使用过程中缺陷的发展情况却无能为力 ,而这对防止容器发生灾害性事故至关重要 .为此 ,许多发达国家广泛应用声发射 ( AE)技术对容器进行加载过程及日常监测研究 ,研制了许多功能较完善的多通道 AE检测系统.但价格昂贵、体积较大、操作复杂、不易维修 .我们研制的智能双通道金属声发射测试仪 ,结构简单、小巧紧凑、便于携带、信号处理、记录方便 ,具有定位及多种参数测试功能 ,特别适合于现场的工程检测 ,除用于压力容器日常安全检测外 ,也适用于工业建筑物安全监测和实验室材料力学性能的研究.
1 结构、原理及设计
双通道金属声发射测试仪采用由 AT89 C51单片机为核心组成的微机系统实现对仪器的控制 ,由线性电路、逻辑电路、鉴别部分、接口电路、微处理机五部分组成 ,其总体框图如图 1所示.
1. 1 硬件设计
1. 1. 1 换能器 (探头 ) 金属 AE频谱范围很宽 ,其主要成分在 10 k Hz至 2 M Hz之间 .本仪器采用锆钛酸铅压电陶瓷 ( PZT-5)换能器 ,其谐振频率为120 kHz,灵敏度为 400 mV /g (峰-峰 ) .
1. 1. 2 前置放大器 检测处的声发射信号通常很微弱 ,故换能器输出电讯号为微伏数量级 ,在前置放大器中信号得到放大 ,并能提高信噪比、有比较大的输出动态范围和频带宽度.
1. 1. 3 主放大器 为把信号提高到伏数量级 ,要求主放有 60 dB增益.设计中采用运算放大器 ,放大 50× 20倍 ,即 60 dB增益 , 主放大器也具有比较大的输出动态范围和频带宽度 .
1. 1. 4 滤波器 由于仪器整机增益很高 ,约 40+60 d B,故相应噪声也被放大.为此 ,设计中采用了有源滤波 ,其中心频率为 120 k Hz,增益为 2倍 ,品质因素为 3.若滤波器的参数稍加变更 ,降低其中频率 ,并配用 20 k Hz的谐振换能器 ,本仪器可用于岩石或混凝土等的研究 ,从而拓宽了应用范围.
1. 1. 5 检波器 为形成事件脉冲及取得信号能量参数 ,须获得信号包络波形.我们采用了理想二级管检波器 ,可提高对小信号的检波 ,即便对小于0. 4 V的小信号 ,输出波形也无明显畸变.
1. 1. 6 事件、振铃、能量参数的形成事件: 由事件比较器形成 .信号经检波和平滑滤波形成包络.包络信号输入事件比较器 ,其输出即为一矩形脉冲 ,称为一事件.
振铃: 信号经检波后只剩下上半周信号 ,将其送入振铃比较器 ,输出即为一串脉冲 ,称为信号振铃.振铃个数与信号幅度及持续时间有关 ,同时振铃的多少也可间接反映出信号大小.
能量: 信号强弱常用能量参数 (幅度的平方 )表示.设计中用峰值保持器获得包络峰值 ,经 A /D转换和软件处理即可得到能量值.
1. 1. 7 衰减器 环境噪声常常影响测试结果 ,为此 ,在主放前设置衰减器.此外 ,还在检波器前设置0. 3～ 1. 5 V 的门槛电平 (因仪器本底噪声一般为0. 3～ 1. 0 V ).经衰减器及门槛 ,可基本克服噪声干扰.
1. 1. 8 逻辑电路 用于判别换能器接收声发射信号的先后 ,开启时差计数.如换能器 0首先接收到声发射信号 ,则置“ 0”标记 ,如换能器 1先接收到声发射信号 ,则置“ 1”标记 ,且开启时差计数 .
以上电路采用集成电路芯片 ,结构紧凑 ,工作可靠 ,调试维修方便 ,适合现场使用.
1. 2 声源线定位
AE信号经线性电路处理后 ,即形成两通道事件及振铃、幅度 .两个通道事件信号经逻辑电路处理后 ,可得信号到达两个通道的时间差 ,再经微机处理 ,即可求出声源线定位座标.这是评价 AE活动的重要参数 , 也是本仪器的任务所在 .
一个 AE信号可使两个通道的事件比较器各输出一个事件脉冲 ,由此脉冲信号及相应逻辑电路可控制 1 M Hz脉冲信号的导通与关闭 ,其间通过脉冲的个数即为 AE信号到达两换能器的时间差 .
1. 3 排除干扰措施
由于各种噪声及伪信号常常混杂在测试信号之中 ,给信号处理造成困难 ,甚至造成判断失误 ,因此本仪器在设计中设计了几种识别信号的有效方法 ,以排除干扰.
伪信号主要有两种情况: 一是频率低于 AE信号的伪信号 ,采用前述滤波器可将此信号大部分滤去.二是前沿上升时间大的伪信号 ,对此我们采用硬、软件结合的方法进行前沿鉴别.
具体测试时 ,常常有些不需要接收的 AE信号(也称伪信号 ) ,不能用滤波或前沿鉴别方法滤去 ,就只能用空间识别的方法 ,把发生在非待测空间的AE信号滤去.
空间识别主要有主从鉴别、符合鉴别和区间时差鉴别.
区间时差鉴别是本仪器特有的功能 ,是专门为监测球罐焊缝某一片位而设计的 ,它增强了本仪器的抗干扰能力 .
由于鉴别的设计是软硬件相结合的 ,所以上述鉴别功能可配合使用 ,充分发挥了微机的处理功能 ,使本仪器更加方便、更具特色 .
1. 4 接口—— 数据采集及处理
AE信号经线性及逻辑电路处理后 ,已形成待测参数的模拟量及数字量 ,须由相应接口转换才能被微机处理;同时 ,处理结果的输出也须经接口才能打印输出.具体情况如下.
1. 4. 1 数字量采集 利用 8253计数器的计数及定时功能 ,可将事件、 0. 1信号、振铃、时差及前沿鉴别标志交由微机处理 .
1. 4. 2 模拟量采集 AE信号的包络峰值为模拟量 ,须经 A /D 转换 ,方能由微机接收.我们选用ADC0816为 A /D转换接口.
1. 4. 3 数据输出 为打印及描绘经处理的原始数据 ,我们应用了 LASSER-PP40描绘器.该机接口为标准接口 ,我们选 8255芯片作为打印输出接口.
1. 5 软件设计
本仪器程序分为信号处理和数据输出两大部分.信号处理程序由主程序、时间中断及事件中断服务子程序组成 ,可用于定位实验或材料实验的AE信号测试 ,并获取相应的参数.数据输出程序由定位值打印子程序、定位及振幅分布子程序、事件累积或能量率或振铃率分布子程序组成 .定位实验时 ,可获得定位值打印数据及定位值分布曲线.材料实验时 ,可获得振幅分布曲线、事件累积曲线、能量率分布曲线和振铃率分布曲线.
分布曲线上有压力等级标志 ,可方便地分析各压力等级时的 AE信号情况; AE信号分布曲线的座标轴均采用浮动的座标 ,纵座标最大幅度对应于打印出的最大值 ,可在任何情况下获得满幅图 ,适应数据范围广 ;定位分布图可直观地表示出声源在直线上的位置 ,分布图每 50 mm为一小区间 ,很适合球罐线定位测试的数据分析;设计采用了峰值保持器 ,能较精确地取得信号波形峰值 ,幅度可分得很精细 ,对材料实验特别是复合材料实验相当有利 .上述这些都是本仪器独具的特点 .
2 仪器标定及现场应用
为检验仪器性能及现场适用性 ,对仪器进行了实验室标定、现场应用试验和材料实验.
2. 1 实验室标定
采用角钢、矩形空心钢管、自来水管、 400 m³球罐焊缝作为试件 ,进行定位精度评定.换能器间距 2 000～ 6 000 mm,试件上每隔 200 mm为一标定点 ,用 SM -2AE模拟源于各点手动激发一个模拟 AE信号 ,将所获数据与已知源座标相比较 ,即可评价定位精度 .
从试件定位误差分布情况可知 ,角钢及矩形空心钢管数据较好 ,绝对误差一般不超过 20 mm,最大不超过 30 mm.球罐数据稍差 , 91%的数据误差不超过 40 mm,最大不超过 60 mm,其原因是球面试件与换能器耦合程度不如平面 ,球面上焊缝交错 ,致使 AE信号传播也较平面复杂.上述误差在工程应用允许范围之内 ,特别是对平面或曲率半径较大的试件 ,仪器的精度完全可以满足.
2. 2 现场应用
本仪器曾多次对球罐水压试验过程进行 AE监测试验.表 1为参照《金属压力容器 AE检测及结果评价标准草案》对所测 AE信号的评价结果 ,可见仪器 AE监测结果与常规无损检测结果是吻合的
2. 3 材料实验
以圆钢、扁钢、混凝土、岩石为试件进行材料实验的结果表明: 本仪器用于金属材料力学试验 ,可反映材料的力学特征 ,大约提前 2. 94～ 3. 92 M Pa预报屈服点的临近 ,也可预报颈缩点的临近;仪器参数稍加变更 ,可用于混凝土、岩石材料实验 ,监测其 AE特性 ,预报其最后破裂的临近.
3 结论
智能双通道金属声发射测试仪具有以下功能:
① 信号处理—— 选频滤波、门槛鉴别、主从鉴别、符合鉴别、区间时差鉴别;
② 参数种类— — 事件、振铃、能量、幅度;
③ 信息输出—— 数字显示、 PP-40描绘器打印原始记录数据、振铃率曲线、能量率曲线、事件累积曲线、线定位分布图、幅度分布图.
该仪器可供在用压力容器日常安全监测及检测工程的局部安全监测与评定之用 ,也完全适用于室内材料性能试验 ,参数略加变更 ,还可用于岩石及混凝土结构的安全监测.该仪器采用空间过滤等先进技术 ,具有较强的抗干扰能力 ,为双通道声发射测试仪的研制开辟了新的途径.
参考文献:
[ 1] 刘松平 , Gorman M, 陈积懋 . 模态声发射检测技术 [ J]. 无损检测, 2000, 22( 1): 1～ 3.
[ 2 ] 沈功田 , 耿荣生, 刘时风. 声发射源定位技术 [ J]. 无损检测 , 2002, 24( 3): 1～ 4.
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