射線、超聲、磁粉、著色等常規無損檢測方法可發現容器的現有缺陷 ,但對了解容器使用過程中缺陷的發展情況卻無能為力 ,而這對防止容器發生災害性事故至關重要 .為此 ,許多發達國家廣泛應用聲發射 ( AE)技術對容器進行加載過程及日常監測研究 ,研制了許多功能較完善的多通道 AE檢測系統.但價格昂貴、體積較大、操作復雜、不易維修 .我們研制的智能雙通道金屬聲發射測試儀 ,結構簡單、小巧緊湊、便于攜帶、信號處理、記錄方便 ,具有定位及多種參數測試功能 ,特別適合于現場的工程檢測 ,除用于壓力容器日常安全檢測外 ,也適用于工業建筑物安全監測和實驗室材料力學性能的研究.
1 結構、原理及設計
雙通道金屬聲發射測試儀采用由 AT89 C51單片機為核心組成的微機系統實現對儀器的控制 ,由線性電路、邏輯電路、鑒別部分、接口電路、微處理機五部分組成 ,其總體框圖如圖 1所示.
1. 1 硬件設計
1. 1. 1 換能器 (探頭 ) 金屬 AE頻譜范圍很寬 ,其主要成分在 10 k Hz至 2 M Hz之間 .本儀器采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 ( PZT-5)換能器 ,其諧振頻率為120 kHz,靈敏度為 400 mV /g (峰-峰 ) .
1. 1. 2 前置放大器 檢測處的聲發射信號通常很微弱 ,故換能器輸出電訊號為微伏數量級 ,在前置放大器中信號得到放大 ,并能提高信噪比、有比較大的輸出動態范圍和頻帶寬度.
1. 1. 3 主放大器 為把信號提高到伏數量級 ,要求主放有 60 dB增益.設計中采用運算放大器 ,放大 50× 20倍 ,即 60 dB增益 , 主放大器也具有比較大的輸出動態范圍和頻帶寬度 .
1. 1. 4 濾波器 由于儀器整機增益很高 ,約 40+60 d B,故相應噪聲也被放大.為此 ,設計中采用了有源濾波 ,其中心頻率為 120 k Hz,增益為 2倍 ,品質因素為 3.若濾波器的參數稍加變更 ,降低其中頻率 ,并配用 20 k Hz的諧振換能器 ,本儀器可用于巖石或混凝土等的研究 ,從而拓寬了應用范圍.
1. 1. 5 檢波器 為形成事件脈沖及取得信號能量參數 ,須獲得信號包絡波形.我們采用了理想二級管檢波器 ,可提高對小信號的檢波 ,即便對小于0. 4 V的小信號 ,輸出波形也無明顯畸變.
1. 1. 6 事件、振鈴、能量參數的形成事件: 由事件比較器形成 .信號經檢波和平滑濾波形成包絡.包絡信號輸入事件比較器 ,其輸出即為一矩形脈沖 ,稱為一事件.
振鈴: 信號經檢波后只剩下上半周信號 ,將其送入振鈴比較器 ,輸出即為一串脈沖 ,稱為信號振鈴.振鈴個數與信號幅度及持續時間有關 ,同時振鈴的多少也可間接反映出信號大小.
能量: 信號強弱常用能量參數 (幅度的平方 )表示.設計中用峰值保持器獲得包絡峰值 ,經 A /D轉換和軟件處理即可得到能量值.
1. 1. 7 衰減器 環境噪聲常常影響測試結果 ,為此 ,在主放前設置衰減器.此外 ,還在檢波器前設置0. 3～ 1. 5 V 的門檻電平 (因儀器本底噪聲一般為0. 3～ 1. 0 V ).經衰減器及門檻 ,可基本克服噪聲干擾.
1. 1. 8 邏輯電路 用于判別換能器接收聲發射信號的先后 ,開啟時差計數.如換能器 0首先接收到聲發射信號 ,則置“ 0”標記 ,如換能器 1先接收到聲發射信號 ,則置“ 1”標記 ,且開啟時差計數 .
以上電路采用集成電路芯片 ,結構緊湊 ,工作可靠 ,調試維修方便 ,適合現場使用.
1. 2 聲源線定位
AE信號經線性電路處理后 ,即形成兩通道事件及振鈴、幅度 .兩個通道事件信號經邏輯電路處理后 ,可得信號到達兩個通道的時間差 ,再經微機處理 ,即可求出聲源線定位座標.這是評價 AE活動的重要參數 , 也是本儀器的任務所在 .
一個 AE信號可使兩個通道的事件比較器各輸出一個事件脈沖 ,由此脈沖信號及相應邏輯電路可控制 1 M Hz脈沖信號的導通與關閉 ,其間通過脈沖的個數即為 AE信號到達兩換能器的時間差 .
1. 3 排除干擾措施
由于各種噪聲及偽信號常�；祀s在測試信號之中 ,給信號處理造成困難 ,甚至造成判斷失誤 ,因此本儀器在設計中設計了幾種識別信號的有效方法 ,以排除干擾.
偽信號主要有兩種情況: 一是頻率低于 AE信號的偽信號 ,采用前述濾波器可將此信號大部分濾去.二是前沿上升時間大的偽信號 ,對此我們采用硬、軟件結合的方法進行前沿鑒別.
具體測試時 ,常常有些不需要接收的 AE信號(也稱偽信號 ) ,不能用濾波或前沿鑒別方法濾去 ,就只能用空間識別的方法 ,把發生在非待測空間的AE信號濾去.
空間識別主要有主從鑒別、符合鑒別和區間時差鑒別.
區間時差鑒別是本儀器特有的功能 ,是專門為監測球罐焊縫某一片位而設計的 ,它增強了本儀器的抗干擾能力 .
由于鑒別的設計是軟硬件相結合的 ,所以上述鑒別功能可配合使用 ,充分發揮了微機的處理功能 ,使本儀器更加方便、更具特色 .
1. 4 接口—— 數據采集及處理
AE信號經線性及邏輯電路處理后 ,已形成待測參數的模擬量及數字量 ,須由相應接口轉換才能被微機處理;同時 ,處理結果的輸出也須經接口才能打印輸出.具體情況如下.
1. 4. 1 數字量采集 利用 8253計數器的計數及定時功能 ,可將事件、 0. 1信號、振鈴、時差及前沿鑒別標志交由微機處理 .
1. 4. 2 模擬量采集 AE信號的包絡峰值為模擬量 ,須經 A /D 轉換 ,方能由微機接收.我們選用ADC0816為 A /D轉換接口.
1. 4. 3 數據輸出 為打印及描繪經處理的原始數據 ,我們應用了 LASSER-PP40描繪器.該機接口為標準接口 ,我們選 8255芯片作為打印輸出接口.
1. 5 軟件設計
本儀器程序分為信號處理和數據輸出兩大部分.信號處理程序由主程序、時間中斷及事件中斷服務子程序組成 ,可用于定位實驗或材料實驗的AE信號測試 ,并獲取相應的參數.數據輸出程序由定位值打印子程序、定位及振幅分布子程序、事件累積或能量率或振鈴率分布子程序組成 .定位實驗時 ,可獲得定位值打印數據及定位值分布曲線.材料實驗時 ,可獲得振幅分布曲線、事件累積曲線、能量率分布曲線和振鈴率分布曲線.
分布曲線上有壓力等級標志 ,可方便地分析各壓力等級時的 AE信號情況; AE信號分布曲線的座標軸均采用浮動的座標 ,縱座標最大幅度對應于打印出的最大值 ,可在任何情況下獲得滿幅圖 ,適應數據范圍廣 ;定位分布圖可直觀地表示出聲源在直線上的位置 ,分布圖每 50 mm為一小區間 ,很適合球罐線定位測試的數據分析;設計采用了峰值保持器 ,能較精確地取得信號波形峰值 ,幅度可分得很精細 ,對材料實驗特別是復合材料實驗相當有利 .上述這些都是本儀器獨具的特點 .
2 儀器標定及現場應用
為檢驗儀器性能及現場適用性 ,對儀器進行了實驗室標定、現場應用試驗和材料實驗.
2. 1 實驗室標定
采用角鋼、矩形空心鋼管、自來水管、 400 m³球罐焊縫作為試件 ,進行定位精度評定.換能器間距 2 000～ 6 000 mm,試件上每隔 200 mm為一標定點 ,用 SM -2AE模擬源于各點手動激發一個模擬 AE信號 ,將所獲數據與已知源座標相比較 ,即可評價定位精度 .
從試件定位誤差分布情況可知 ,角鋼及矩形空心鋼管數據較好 ,絕對誤差一般不超過 20 mm,最大不超過 30 mm.球罐數據稍差 , 91%的數據誤差不超過 40 mm,最大不超過 60 mm,其原因是球面試件與換能器耦合程度不如平面 ,球面上焊縫交錯 ,致使 AE信號傳播也較平面復雜.上述誤差在工程應用允許范圍之內 ,特別是對平面或曲率半徑較大的試件 ,儀器的精度完全可以滿足.
2. 2 現場應用
本儀器曾多次對球罐水壓試驗過程進行 AE監測試驗.表 1為參照《金屬壓力容器 AE檢測及結果評價標準草案》對所測 AE信號的評價結果 ,可見儀器 AE監測結果與常規無損檢測結果是吻合的
2. 3 材料實驗
以圓鋼、扁鋼、混凝土、巖石為試件進行材料實驗的結果表明: 本儀器用于金屬材料力學試驗 ,可反映材料的力學特征 ,大約提前 2. 94～ 3. 92 M Pa預報屈服點的臨近 ,也可預報頸縮點的臨近;儀器參數稍加變更 ,可用于混凝土、巖石材料實驗 ,監測其 AE特性 ,預報其最后破裂的臨近.
3 結論
智能雙通道金屬聲發射測試儀具有以下功能:
① 信號處理—— 選頻濾波、門檻鑒別、主從鑒別、符合鑒別、區間時差鑒別;
② 參數種類— — 事件、振鈴、能量、幅度;
③ 信息輸出—— 數字顯示、 PP-40描繪器打印原始記錄數據、振鈴率曲線、能量率曲線、事件累積曲線、線定位分布圖、幅度分布圖.
該儀器可供在用壓力容器日常安全監測及檢測工程的局部安全監測與評定之用 ,也完全適用于室內材料性能試驗 ,參數略加變更 ,還可用于巖石及混凝土結構的安全監測.該儀器采用空間過濾等先進技術 ,具有較強的抗干擾能力 ,為雙通道聲發射測試儀的研制開辟了新的途徑.
參考文獻:
[ 1] 劉松平 , Gorman M, 陳積懋 . 模態聲發射檢測技術 [ J]. 無損檢測, 2000, 22( 1): 1～ 3.
[ 2 ] 沈功田 , 耿榮生, 劉時風. 聲發射源定位技術 [ J]. 無損檢測 , 2002, 24( 3): 1～ 4.
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