声发射系统（精选11篇）
声发射系统 篇1
我国是一个严重缺水的国家, 又是人均占有耕地较少的国家;现代化大农业生产是农业发展的必然趋势。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4;随着人口高峰期的临近, 水资源人均占有量将继续下降, 预计到本世纪30年代, 人均水资源占有量将逼近国际上公认的严重缺水警戒线!发展节水农业已是中国可持续发展战略的重大举措之一。实现大农业现代化生产是农业发展的必然趋势。如何实现农作物的自动化灌溉是现代化农业首要解决的问题。
1 系统实现原理
本系统利用作物声发射检测技术获得农作物是否缺水以及水分亏缺程度, 并利用物联网技术组建Zig Bee无线网络, 实现对农作物生长环境监测, 同时根据不同农作物生长的不同时期综合判定, 实现农作物自动灌溉。
1.1 常用农作物水分检测方法分析
一直以来, 人们探讨了很多不同的方法对农作物需求水分进行监测。如李震等人使用土壤含水率传感器直接测量土壤含水率, 选用美国Decagon公司的ECH2O系列电容型土壤含水率传感器EC-5 (Decagon Devices, Pullman, MA, USA) 。杨世凤等人则更多地着重作物水胁迫声发射检测研究。还有很多其他的传统技术方法如灌层温度检测、作物光谱反射率检测、茎杆直径微变化检测、植物蒸腾速率检测等等。
利用声发射信号检测技术。水分运输的内聚力理论阐述了水在土壤-植物-大气连续体系统中的运输是处于一定的负压力或张力下的。土壤变得干燥时, 张力就相应地增加, 当超过一个极限值时, 由于水分子间的内聚力失效或对导管壁的附着力失效, 水柱的连续体就不能再保持下去, 从而发生断裂或抽空, 这称之为植物木质部的空穴现象, 此时, 张力会突然释放而产生冲击波, 并同时释放声发射信号。声发射信号在超音频 (100~300k Hz) 范闱内, 声发射传感器检测到的信号可以作为植物水分胁迫的生理指标, 判断出作物当前水分缺失。
声发射信号检测技术利用农作物在受到水分胁迫时发出的超声波, 但是, 不同作物, 或田间大量作物发出的超声波, 需要进行大数据统计才可以使用;另外, 这些超声波信号并不规整, 包含很多的杂波, 需要进行滤波等信号处理, 才能够得到反映农作物水分情况的信息。
利用声发射信号检测技术可以获得农作物缺水信息, 但对农作物的灌溉需要考虑很多参数。如不同的作物不同季节需水量不同, 还有像光照、风速、温度等大量的环境参数以及不同作物的灌溉量等。
1.2 农作物灌溉需要考虑的多种因素
作物种类:不同植物对水分的要求是不同的。如花生和红薯需要半墒, 不能浇太多的水, 尤其是光照太强时;棉花根系较深, 耐旱, 而大豆根系不太深, 和棉花相比, 耐旱程度要差很多。
作物生长时期:不同作物在不同生长时期对水分的要求也是不同的。大多数作物生长初期只要旱情不是长期的和特别严重, 对其生长影响不会特别大;但是很多作物在近成熟期, 旱情较大时对其影响会很大, 而一些作物在生长过程中也会有些特别的要求, 如小麦三次水, 灌浆水、拔节水、返青水等。
作物的外部环境:作物生长的外部环境和灌溉量也是相关的。如中原地区一年秋麦两季作物, 这两季作物生长的季节环境不同, 出现旱情时, 考虑的外部环境因素也是不同的。出现旱情时, 作物外部的光照、风速、温度等因素对灌溉量的影响也需要考虑。
其他的因素:对一些不能进行自动监测灌溉的, 设定人工操作等特殊情况处理。
1.3 系统体系结构
Zig Bee技术提供了一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点:
1) 功耗低:Zig Bee节点非常省电, 电池供电的节点工作时间可以长达6个月到2年左右。2) 数据传输可靠:Zig Bee的MAC层采用talk-when-ready碰撞避免机制。这种完全确认的数据传输机制, 可以提高系统信息传输的可靠性。3) 网络容量大:一个Zig⁃Bee的网络最多包括有255个Zig Bee网路节点, 若是通过网络协调器 (Network Coordinator) , 整个网络最多可以支持超过64000个Zig Bee网路节点。4) 兼容性:Zig Bee技术与现有的控制网络标准无缝集成。5) 安全性:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能, 在数据传输中提供了三级安全性。实现成本低:模块的初始成本较低, 且Zigbee协议免专利费用。
利用Zig Bee技术实现的无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN) 具有自组织、无需布线、即插即用、智能型强、健壮性好、成本较小等优点。因此, 本系统顺应设施农业环境监控自动化、智能化和网络化的发展趋势, 采用WSN技术, 设计了基于声发射的无线传感器网络智能农业灌溉系统, 实现了农业设施内信息采集节点的自动部署、数据自组织传输, 实现了作物水分亏缺以及相关的环境因素 (包括大气温度、湿度、土壤温度、土壤湿度、光照度等) 的远程、实时监测及自动灌溉。
2 系统硬件实现
利用分布式技术, 在一定范围内设置一个网络节点, 安装一组传感器, 基于Zigbee协议实现网络节点自组织组网, 网络节点数据通过Zigbee网络传入协调器节点, 再通过串口传入和协调器连接的PC机, 实现界面显示与控制。系统硬件实现原理图如图1所示。
3 系统软件实现
系统软件的设计主要分为:PC机界面及功能以及协调器、路由器和终端节点等两类程序设计。
PC机界面及功能设计:利用VS2010开发环境, 利用C#语言开发各种界面并实现相应功能, 主要涉及:声发射信号数据统计分析等处理、利用串口实现和协调器的交互操作, 利用数据库技术实现系统数据存取。
协调器、路由器和终端节点程序设计:利用IAR Embedded Workbench for 8051 (Version7.60) 作为开发平台, 结合ZStackCC2530-2.3.0-1.4.0堆栈协议, 利用C语言实现声发射、土壤湿度、温度、大气湿度、光照、风速等传感器数据采集与传输, 实现继电器开关的控制。
4 结束语
利用物联网技术, 结合声发射技术并考察农作物多种因素, 设计基于声发射的农业智能灌溉系统, 该系统不仅适用于目前诸如温室大棚小规模精密农业的生产, 更适用于大规模的现代化农业生产, 该系统为现代化农业智能化控制提供了一种较好的实践解决方案, 具有一定的现实和长远意义。
摘要：基于声发射技术判断农作物水分亏缺程度, 综合生长需求及其他多种因素确定农作物是否需要灌溉及灌溉量, 利用物联网技术, 设计了智能农业灌溉系统。该系统可以随时精确获取作物环境因素、需水信息, 并对不同种类农作物不同生长时期实现智能灌溉;具有稳定性好、可靠性高、成本低廉、扩展灵活、开放实用等优点。该研究为自动化农业节水高效生产做出了探索。
关键词：水分胁迫,声发射技术,物联网技术,智能灌溉,节水农业
参考文献
[1]李震.农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计[J].农业工程学报, 2010, 26 (2) .
[2]杨世凤.作物水胁迫声发射检测及视情灌溉系统的研究[J].农业工程学报, 2001, 17 (5) .
[3]张寄阳.作物水分状况自动监测与诊断的研究进展[J].农业工程学报, 2006, 22 (1) .
声发射系统 篇2
技术研究
A study on ELID ultra precision grinding of optical glass
with acoustic emission
D.J.Stephenson*, X.Sun, C.Zervos
摘要
BK7玻璃和微晶玻璃的ELID磨削是用声发射进行研究的。实验结果表明，在磨削过程砂轮和工件之间的接触面积是对精细粒度的树脂结合剂砂轮的承载能力至关重要。ELID可用于当砂轮和工件接触面积大时材料去除的高效性。ELID砂轮的敷料强度之间的与检测到的AE信号之间的相关性进行了观察。更细的粒度砂轮磨削的进取ELID修整参数对应于一个较低的AE水平。当ELID砂轮的处理时间增加时，低而稳定的AE振幅由于砂轮磨削的恶化变得大而波动。结果表明，声发射检测技术有潜力被采纳为超精密磨削过程监测，确定砂轮的条件和调查ELID磨削机制的有效方法。Q 2005 Elsevier公司保留所有产权。关键词：ELID磨削玻璃；声发射； 1.引言
在精密磨削，实现高质量的表面最实用的方法是使用一个细磨粒尺寸砂轮。然而，随着粒度的减小，用于存储碎屑的空间变小，承载容易冲突[ 1 ]。当碎屑填充在砂轮表面的活性颗粒的孔隙间时砂轮受到负载。当去除率超过碎屑存储可用率，碎屑会积聚在碎屑存储空间[ 2 ]。磨屑粘附在砂轮表面减少了磨粒出刃的层次和存储新的碎屑的空间由此产生了砂轮和工件之间沉闷的摩擦行为。因此，表面光洁度差，严重损伤都将在加载条件下出现。车轮负载可以限制加工效率甚至使磨削变得不可能。树脂和金属结合剂砂轮是精密磨削常用的。他们有相对较少的空隙当敷料、整形后，修整表面太光滑、致密，活动构件间不足的空间来容纳芯片[ 2 ]。当钝的磨粒和树脂粘结材料被磨损是精细粒度的树脂结合剂砂轮光学玻璃的精密磨削可能发生自我修正过程。使用树脂结合剂砂轮的自我修整效果仍需被研究。在线电解修整（ELID）技术被用来减轻精细粒度的金属结合剂砂轮的负载。ELID电化学技术是通过原位电解来持续修整金属结合剂砂轮[ 3–7 ]。电解化学修饰了磨削砂轮的表面，在磨削过程中磨削砂轮的层数也被改善以此来提供必要的磨粒出刃和芯片存储空间。在精密磨削中，保持最佳的砂轮面貌是实现高质量的质地表面必不可少的。实时过程监控或检测方法来确保所需的砂轮状态和部分质量[ 8 ]。无损评价（NDE）传感器的应用可以在实时监控磨削过程中发挥重要的作用。在超精密加工光学玻璃，材料以非常低的材料去除率从工件去除，未切割的切屑厚度通常是在纳米水平以使表面/亚表面损伤打到最低。小的切削深度下功耗，振动和力信号具有很低的灵敏度和信噪比（ANR），这是因为在切削过程中的低层次的力。一些在传统的加工操作常用的传感器来监测切削过程精度是很困难的。然而，声发射（AE）信号已被证明是足够敏感的来监测精密磨削，并更适合用于监测非常快的事件，例如力的测量[9–11 ]。由于声发射波的传播频率从100千赫到1兆赫，远高于多数结构固有频率，机械振动不会影响的AE信号[ 10 ]。因此声发射作为理想方法来表征材料去除活性，提供工具条件和零件质量信息。声发射波可以由一个声发射传感器（压电换能器）检测，它安装在靠近地表的位置。声发射源包括弹性碰撞，摩擦，压痕裂纹，键的断裂，切屑断裂，断口，和车轮/工件界面除砂[8,9]。先前的研究已经表明，磨损颗粒，砂轮负荷，沉重的摩擦，和硬的粘结材料可能会导致较大的声发射能量[ 11–13 ]。车轮荷载，耕，和滑动是声发射能量的主要来源。耕的特征为无材料去除工件的塑性变形，由于这种变形而消耗能量。滑动由于磨粒和工件之间的滑动摩擦而消耗能量。扩展的磨削操作过程中砂轮负载的影响降低了磨粒切削作用的效率，由于砂工作的互动组件产生打的耕和滑动（摩擦）部件。这预计将增加过程中声发射能量。已经做出许多努力来发展状态监测系统来利用声发射信号中提取的特征。工业应用一个比较可靠的方法均方根（RMS），来评价声发射信号。均方根评价AE信号被定义为：
其中v（t）是AE原始信号，T是整合期。
在过去的二十年里中ELID技术已深入研究。对ELID的原理，据作者所知，据大森的描述以前的文献中没有先进的明显。为了了解和提高ELID技术，金属基体修整砂轮的的电化学行为应进行彻底调查。为了研磨过程的监测，力在以前的研究通常被用于评估磨削工艺和探讨ELID机制。据报道，ELID可以磨削开始阶段提供降低和几乎恒定的磨削力。Lim研究了ELID参数的影响，表明磨削力随着修整电流的占空比的增加而下降。Fathima指出，对于粗粒度的砂轮修，低占空比修整是可取的，而较高的易磨性和更高的占空比被推荐用于精细粒度的砂轮以达到高质量的表面。在这项研究中，声发射法被用于评估ELID为减轻砂轮轮负载的有效性和确定砂轮的条件。结论建立采用刚性机床tetraform C，磨削BK7玻璃和微晶玻璃测试的基础上。本研究的目的是评估铸铁结合剂砂轮ELID磨削的性能并将之与不经ELID的树脂结合剂砂轮磨削想比较。声发射的等级对应于不同的电修整参数是基于声发射的测量研究。这项研究还调查了ELID机制，提供了最佳的磨削条件如何实现的预测。2.实验设置
ELID和没有ELID的磨削试验是在精密平面磨床tetraform C上进行[ 6 ]。使用了2到7mm的粒度尺寸，124毫米直径和4毫米表面宽度的铸铁结合剂（CIB）和树脂结合剂金刚石砂轮。工件的材料是微晶玻璃和BK7玻璃，或者长方形（16×10毫米）或圆形（直径50毫米）。ELID系统采用不锈钢作为阴极，用220毫米的敷料覆盖缺口1 / 6的轮面。一种水基磨削液CEM，富士模具，日本，作为冷却液和电解质。ELID应用的电源是一个ed-921（富士模具，日本）。AE信号采集系统的流程图如图1所示。使用压电传感器的传感器采集声发射信号。传感器1，图1所示，是一个宽带100–1000千赫的物理声学有限公司的模型。该传感器使用凡士林连接到工件表面。声发射信号经传感器转换成电信号，通过前置放大器放大到可用的电压水平并转移到aedsp-32 / 16卡，它有16位分辨率的数据记录。前置放大器（1220A）提供了100的收益（40分贝）和使用100–1200 kHz带宽的带宽滤波器来消除机械和声学背景噪声，优先在低频率。每秒2百万的采样率频率进行信号采集。声发射设施被用来短时间内获得AE原始信号和快速傅立叶变换（FFT）分析。另一个声发射系统，AE4000-1，沃尔特凯利公司，与“S”型传感器——图1-2的传感器，用于收集的被纠正的AE信号来监测在一个完整的磨削循环声发射的变化。
3.结果与讨论
3.1.树脂结合剂和铸铁结合剂（ELID）砂轮的声发射
如图2所示杯形砂轮的研磨材料去除区分主要和次要。一般来说，主要的材料去除区可以考虑进行大多数材料去除，而二级材料去除工艺去除地面材料一个很小的比例，可以考虑作为一个加工区。超精密磨削，如切削深度相对于砂轮的边缘的半径非常小时，主去除区域和次区域以及他们之间的边界都很难区分（图2）。因此，本文并不试图区分声发射来自不同的材料去除区的贡献。对树脂结合剂砂轮磨削产生的声发射信号（无ELID）和CIB轮（ELID）进行了研究。初步试验是用BK7玻璃样品使用7毫米粒度砂轮在39米/秒的轮速，6毫米/分钟进给速度，5毫米深度进行切割。加工过程中砂轮和工件之间的接触面积是40平方毫米。图3为一些通过AErms磨削的结果，它表明铸铁结合剂砂轮ELID磨削比树脂结合剂砂轮产生更高的AErms和表现更大的散射。没有摩擦的痕迹或地面严重损坏表面。进一步实验是用表面直径50毫米的BK7玻璃样品以39米/秒轮的转速，2 mm切削深度，和3毫米/分钟进给率进行切割。在磨削过程中砂轮和工件之间接触面积的变化范围在0–200平方毫米。图4显示了树脂结合剂和金属结合剂砂轮表面和工件接触面积变化相对应的声发射信号。每个砂轮总的材料去除量低于75毫米。在图4中，当砂轮和工件的接触面积小于150平方毫米时，树脂结合剂砂轮的声发射水平普遍低于金属结合剂砂轮。然而，树脂结合剂砂轮的砂轮和工件接触面积扩大时AE水平增加一个相当大的速率。图4表明，声发射信号的振幅达到在B点峰值，比达到最高的轮/工件接触面积200平方毫米更早。显然，轮/工件接触区在很大程度上影响了树脂结合剂砂轮磨削的AE振幅。对声发射信号的峰值的位置被认为与表面质量差相关联。在图4中的ELID轮产生的声发射信号具有较低的AE水平相对于相同的磨削参数下的树脂结合剂砂轮。轮/工件接触区并没有对ELID磨削的AE水平表现出的一个显着的影响。
图5显示了在当砂轮与工件接触面积为180平方毫米时树脂结合剂和技术结合剂砂轮磨削时声发射信号的时间域和频率域。采用树脂结合剂砂轮产生的声发射信号比金属结合剂砂轮产生的信号更大的振幅。树脂结合剂砂轮产生的锯齿状的AE信号可能是由于钝砂轮与工件之间摩擦或滑动作用。对于树脂结合剂砂轮磨削在频率成分的振幅的增加与ELID磨削在图（a）和（b）中做了一个整体比较。由两个砂轮产生的频率分量之间明显的差异可以在图5中观察到的。图6显示了两个车轮产生的表面。在ELID磨削和树脂结合剂砂轮磨削中，样品都经过了十次磨削过程，为了观察长时间的进程中砂轮状态的稳定性在，并增加轮和工件的接触面积。
图7显示了树脂结合剂砂轮的SEM照片。该照片是在两个不同的地方，一个远离和一个在砂轮的前缘的附近，它磨削时经历了最积极的条件。从这两幅图画的比较，很明显，该轮已在基体材料中裂纹扩展过程中损坏。前缘附近的光学显微镜在图8（a）表明，活动的金刚石磨粒的数量相比于图8（b）所示的卸载砂轮表面显著下降。影响轮式装载期间延长磨削操作降低了磨粒切削产生大的春耕行动和滑动的效率（摩擦）的磨粒工件的相互作用组件。随着砂轮的磨损，由于能源消耗翻耕和滑动部件负载的能源消耗增加，从而声发射也增加。研究结果表明，砂轮/工件接触面积是影响轮树脂结合剂砂轮加载的一个关键因素。严重的轮装载是为精细粒度的树脂结合剂砂轮所发展的，当轮/工件接触面积增加时。从中可以得出结论，当砂轮与工件之间的接触面积大时，一个经过ELID磨削的精细粒度的CIB的杯形砂轮比树脂结合剂砂轮能更好的克服车轮荷载。在这样的条件下，ELID方法有望成为更适合高效精密磨削的材料去除。
3.2.利用声发射检测车轮状态
ELID砂轮在修整后能迅速进入一个稳定的切削过程。然而，随着材料去除或处理时间的增加，ELID轮可能不良的砂轮地貌最终无法进行适当的切割。由于砂轮具有粗糙的表面和许多不导电磨料颗粒嵌入，电解质的散乱和金属表面之间会产生不均匀的电流分布，如图9所示（a）。在金属结合剂中电解质的流动和分布是由图中的等高线表示。可以看出，磨料颗粒和腔干扰了电流的流动。他们使其周边周围的电流密度的局部增加。该区暴露了碎屑去除表面氧化物的摩擦产生的金属键，如图9（b），也是修整电流的密集区域。这表明，金属基体的砂轮表面不均匀的电化学反应将由不均匀的电流分布产生而导致在金属表面的电解作用产生不同。图10显示了在一系列的磨削循环中BK7玻璃声发射信号的变化。当砂轮的材料去除量低于75立方毫米，声发射信号是稳定的，表现出相对小的值。在材料去除量的增加，声发射幅值增加并变得不稳定。CIB砂轮表面的光学显微照片如图11（a）所示，当去除材料后有裂缝的存在，砂轮表面有大的空隙和严重锈蚀的地区。长的裂缝可能来自短裂纹或缺陷，并被工件在车轮工作接口处的周期力下扩大。电解腐蚀电化学行为可以集中在这些位置促进裂化过程。探讨轮表面裂纹的形态，聚焦离子束（FIB）技术被用于监测砂轮表面的地下横段铣。图11（b）显示了离子束加工产生的沟槽，在纵向和横向裂纹的砂轮表面下观察。横向裂纹扩展与垂直裂缝连接。随着裂缝数量和严重程度的增加，破坏和粘结材料的去除是可能发生的，会导致砂轮面貌变坏，最后砂轮报废。图10中大振幅的AE信号随机分布可能对应于粘结材料的断裂。在磨削循环中逐渐增加的AE水平可能表明了砂轮的恶化。
3.3.ELID参数
电解对ELID轮表面的氧化物层的形成起着至关重要的作用。法拉第定律已被用于开展粘结材料的理论体积转化的表达，就是：
其中M是反应离子的原子量；I是电流；T是反应时间；Z是反应离子的价态；F法拉第常数；
是金属粘结的密度。
根据式（2），车轮表面的电解活性是受施加在砂轮和阴极电极之间电解电流的影响。有两个参数可用来确定应用于ELID的电源的修整电解的用量，是占空比和峰值电压。占空比定义为用于ELID方波时间的百分比。峰值电压是从ELID电源波形输出的振幅。从理论上讲，这两个参数可以影响砂轮表面腐蚀层产生的速度。实验结果表明，ELID强度更可能影响地面的质量，当研磨很细的磨料粒度的金刚石砂轮是。图12显示了光学显微镜下使用不同组合的占空比和峰值电压的ELID的2毫米粒度的CIB杯金刚石砂轮所产生的BK7质地表面。图12中的照片（a）显示了在10%的占空比和60 V峰值电压下一些质地上的严重摩擦损伤。摩擦损伤被认为是由一些在砂轮表面产生的钝的区域。在图12（a）中一个较大的放大倍率的光学显微镜表明了裂纹运行正常的滑动方向。随着占空比从10%增加到70%，摩擦作用在一定程度上缓解如图12（b），其中在摩擦损伤无裂纹。当应用70%占空比和90 V电压时，在表面的摩擦标记减少，如图12（c）。这些试验表明，高占空比和/或峰值电压可以为这些磨削条件提供足够的砂轮修整。图12（a）中地表的裂缝可通过砂轮和工件之间的摩擦产生的热效应产生。因为BK7具有的导热性差，当精细粒度的砂轮修整不够时热裂纹发生。
修整参数对声发射的影响进行了研究。试验通过16×10毫米的微晶玻璃样品和使用39米/秒的轮速，5毫米切割深度，6毫米/分钟进给速度的7毫米粒度砂轮进行。在测试系列之前先进行砂轮的整形和预修整。AE记在每个样品的表面被磨平几次之后开始。图13显示了利用10% / 60 V和70% / 90 V ELID参数的声发射原始信号和功率谱图。当使用更积极的ELID参数时，原始信号在时间域的AE幅值有所减少。AE振幅在频率域的频率成分也减少，当修整参数变得更积极时，如图13(a)和(b)所示。频率成分的下降率是比较大，在240和300千赫频率。图14和图15分别显示了占空比和峰值电压对AERMS的影响。结果表明，声发射能量的增加时占空比和峰值电压减少。占空比参数对声发射的能量的影响比峰值电压更为显著。ELID磨削涉及砂轮表面氧化层的去除和再生[ 3–5 ]。当在电解环境中应用大剂量的电时，砂轮表面氧化膜的形成是快速。在磨削过程中氧化物层的去除可以在车轮表面产生新的磨粒凸出和更多的碎屑存储空间，减少车轮荷载和颤振。平缓的修整参数可以导致不充足的修整，导致大的暗区，使砂轮和工件之间的切割效果较差。低效率的磨削和焊接金属和工件之间大的接触面积造成大的AE水平。
4.结论
声发射检测可用于识别砂轮装载和评估一个砂轮的磨削状态。本次调查表明，声发射能量随这砂轮荷载的发生而增加。当转动装置有长接触弧时精细粒度的杯形砂轮的ELID磨削不太可能遇到的轮装载，相比于树脂砂轮。因此，ELID磨削是高效精密磨削推荐使用的，组件都是比较大的。树脂结合剂砂轮的AE振幅显着增加对应了砂轮便面的剧烈摩擦。这表明，磨粒加工弧长时树脂结合剂砂轮无法进行有效的自我修整。然而，当轮和工件的接触面积小的时树脂结合剂砂轮容易产生较低的AE振幅。更温和的修整参数的ELID磨削可以为7毫米的细磨轮产生高的声发射能量。更细的粒度砂轮建议密集的修整过程和更具侵略性的修整参数来减小车轮负载和提高切削效率。修整参数的应用应考虑轮配置，磨削工艺参数和工件材料的性能，因此，依赖于一套复杂的多变量之间的相互作用。声发射检测技术有潜力被采用来监测复杂的ELID磨削过程并确保保持最佳的磨削条件的有效方法。
致谢
声发射检测在压力容器中的应用 篇3
关键词 声发射检测；压力容器；无损检测；缺陷
中图分类号 TH49 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0111-01
压力容器作为特种设备中的一种，相对于普通容器有更高的危险性，事故率更高，因此对压力容器的设计、制造、使用管理、检验等都有相关法规严格的要求，尽量避免出现安全事故。压力容器的检验主要有资料审查、宏观检查、无损检测及耐压试验等手段、运用的常规无损检测主要有磁粉检测、渗透检测、超声波检测、射线检测等。而在对压力容器进行检验时往往需要对设备进行停机、打磨等准备工作，而且对于有人孔的压力容器还需要开罐、置换、打磨，对于大型设备还需要搭设脚手架，这些准备工作以及检验的过程都需要企业停产一定的时间，这对企业的生产产生了很大的影响。而随着科技的进步，检验手段不断的更新，有了一些新的不同于常规的检测手段，声发射检测就是其中的一种。
1 压力容器中缺陷的种类
压力容器中存在缺陷主要有焊缝缺陷和母材缺陷以及热影响区缺陷。
焊缝缺陷有气孔、夹渣、咬边、错边、未焊透、未熔合、裂纹、内凹等，母材缺陷和热影响区缺陷主要有气孔、夹渣、腐蚀坑、腐蚀沟槽、裂纹等，这类缺陷有些是制造过程中产生的缺陷，有些是生产过程中产生的缺陷，不管事哪种缺陷都有一定的活性，在使用过程中是不会因受力而有所变化的缺陷，称为非活性缺陷，这种缺陷的危害性相对较小，而在使用的过程中因受力会逐渐扩展的缺陷称为活性缺陷，这种缺陷的危害性就比较大，这种缺陷不断扩展会导致断裂、泄露等危害，而声发射就是检测活性缺陷最有效的检测手段。
2 声发射原理
材料受到拉应力或者压应力的时候会产生变形或开裂，并以弹性波的形式释放应变能，这就是声发射。用仪器检测、记录和分析声发射推断出声发射源的性质的技术就是声发射检测技术，在压力容器检验中对压力容器施加载荷，通常是通过加水打压，在打压的过程中用声发射设备进行检测，检测出压力容器存在的活性缺陷。
3 声发射检测在压力容器检验中的特点
1）声发射检测在压力容器检验中相对于常规无损检测有以下几个优点：①声发射检测检测检测的是活性缺陷，这是目前为止检测缺陷是否会扩展及评价缺陷危害性的最有效方法，常规的无损检测只能判断缺陷的性质、种类，不能判断缺陷是否会在设备的使用过程中而扩展，而声发射检测所检测的就是会扩展的活性缺陷，这就找出了在设备运行的过程中受压会不断的扩张导致泄露，甚至爆炸的安全隐患，从而为使用安全性评价提供依据；②由于检测的是活性缺陷，可以在线检验，因此在设备不方便停机的情况下可以用声发射检测取代常规检测方法进行检测。而且对于球罐和大型储罐来说，由于常规检验需要开罐、置换、搭设脚手架、打磨等工序，需要做的检测前准备周期较长，人力、物力、财力消耗较大，有些准备工作长达一个月甚至更长时间，不仅成本较高，而且也影响企业的正常生产，这给企业带来很大的困难，而用声发射检测代替常规无损检测就避免了这些问题，这样既能保证设备的检测质量，也能不影响企业的正常生产；③声发射检测应用计算机自动化记录检测整个过程，可记录设备缺陷随载荷、温度、时间等参数而变化的实时或连续信息，方便检测数据的存储和分析，由于可以过程监督，因而适用于设备在运行过程中的在线监控及早期或临近破坏预报；④由于对被检设备的接近要求不高，常规无损检测对高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境的的要求比较高，而声发射检测对这方面没有要求或者说是这些环境对声发射检测无太大的影响。
2）声发射检测在压力容器检验中相对于常规无损检测有以下几点不足：①设备贵，检测成本高，国内技术还不够完善。虽然声发射设备在国内很早以前就开始生产，但是技术还不是很完善，和发达国家还有很大的差距。目前国产声发射仪器基本上在40万左右，而国外进口的设备要100多万，这对于一般的单位来说是不小的开支，因此国内所用声发射设备很大一部分是国内生产的设备；而现在的国产声发射设备性能不是很稳定，现场容易出问题，导致杂波显示很多给检测时缺陷的判断带来很大的困难，这就需要检测人员不但要会用、会检测还得会修理很多设备上的问题，保证设备能够完整的做完检测工作，这对检测人员的要求无形之中提高了很大一部分。国产设备在检测精度方面和国外先进设备差距较大，主要表现在定位误差较大，干扰信号较多，给判断缺陷性质和位置带来很大的困难，而且国内还没有开发出声发射神经网络，这就不能更好的判断缺陷，这在国外已经应用很广泛了；②声发射检测的局限性。声发射检测不能对缺陷进行定性，这对于分析缺陷产生的原因带来很大的困难，需要借助常规无损检测来辅助判断。声发射检测中对环境和天气要求较高，下雨天是不能检测的，甚至风太大也会影响检测，被检设备周围不能有其他会影响检测仪器接收信号的干扰，特别不能有其他机械波的干扰。
4 声发射检测的发展前景
随着科技的不断进步，工业越来越发达，常规的无损检测已经不能完全满足于检测的需要，必须不断的加入新的检测手段来补充，而在压力容器检验中也将不断的加入各种新型的检测方法，国家为了推进新的检测技术也各种标准中加入了一些新型的检测方法，如：新的检测方法TOFD检测技术已经纳入《固容规》之中，目前国内正在大力的发展声发射检测，检测设备性能在不断的提高，技术也不断在进步，随着声发射检测技术的不断成熟和发展，声发射检测技术应用将会越来越广泛，将会成为压力容器必不可少的检测方法。
参考文献
[1]王晓雷主编.承压类特种设备无损检测相关知识第2版[M].
[2]声发射检测技术第二版[M].
声发射系统 篇4
地声是最重要的地震前兆信息,地声与地震的相关性无须质疑。但是由于地声信号具有频率高、信号弱、干扰噪声强等特点,因此,采用普通仪器很难实现对地声的实时监测和自动识别。地声监测系统是基于MSP430单片机监测系统,具有低功耗、低费用、无线传输、可移动的特点,可以大面积对地声信号进行长期的实时监测。
1 数据采集系统总体设计
本系统分为5个部分:经地声传感器监测到的声波变成电信号送入信号调理电路,经放大滤波后送到以MSP430单片机为核心的智能测量仪,MSP430接GPRS模块将信号传送到上位机,进行信号的分析处理。系统原理为声传感器→信号调理电路→MSP430单片机→GPRS→PC机。
1.1 声传感器的工作原理
本系统所使用的是驻极体声传感器,驻极体材料是在高温和高压下向材料中注入电荷,形成“镶嵌”电荷,并且是电荷永久性地存储在材料中的一种化学材料[1]。
驻极体材料薄膜与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开,这样,膜片与金属极板之间就形成一个电容。当声波作用于驻极体膜片引起振动时,使得膜片与金属极板间的电容发生变化,从而产生了随声波变化而变化的变容电压。
1.2 信号调理电路
由于传感器的信号一般都很弱,并且含有很多成分的干扰,因此在进入数据采集系统之前必须进行预处理,称之为信号调理。
由于其电气特性,传感器产生的信号一般不能直接输入PC机中。此外,实验室及各类测控现场环境中,由于经传感器转换和放大的电信号,一般会受到测量现场的电磁干扰以及传感器本身的影响,往往含有多种频率的噪声信号。因此,必须对信号进行调理,包括信号放大、隔离、模拟滤波、多路转换等。另外,采集的数据还必须经过校准、消除漂移、剔除奇异项、平滑、数字滤波等处理方法,消除误差。
1.3 MSP430单片机介绍
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)近几年开发的新一代16位单片机,其突出优点是低电源电压、超低功耗、多种功能[2]。
MSP430系列单片机由很多模块组成,各个模块完全是独立运行的,定时器、输入/输出口、A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可以在主CPU休眠状态下独立运行。当需要主CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU从而使系统以最低功耗运行。这是MSP430系列单片机最突出的优点,也是与其他单片机最大的区别。
1.4 GPRS技术概述及数据传输方式
GPRS(general packet radio service)是通用分组无线业务的简称,该技术建立在GSM网络的基础上,将无线通信与Internet紧密结合[3]。GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统,具有网络覆盖范围广、数据带宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔大量的数据传输,能够满足数据采集及监控的双向数据信息传输。
2 系统软件设计
软件设计包括上位机和下位机的软件设计,下位机主要是单片机的软件设计,上位机主要是对传进来的信号进行变换合成初始信号波形,同时建立相应的数据库存储这些数据和相应的波形图。
2.1 采样数据传输
数据采样的核心部分是ADC12模块,采集的时间间隔通过用户的命令由串口传给定时器A中的CCRn寄存器,就是定时器A中断到来时读取A/D采样得到的数据,在读取数据前先停止A/D转换,在读完数据后启动A/D转换,如果得到一个数据则设定一个标志位通知主程序。见图1采样流程图。
2.2 GPRS数据传输终端软件
GPRS数据传输终端软件采用C语言编写,整个程序的控制通过设置状态标志来实现。状态0～8分别表示IP INITIAL初始化、IP START启动任务、IPCONFIG配置场景、IP IND接受场景配置、IPGPRSACT场景已激活、IP STATUS获得本地IP地址、TCP/UDP CONNECTING与SERVER建立连接阶段、IP CLOSE连接已关闭、CONNECT OK建立连接成功。用户可通过串口使用AT指令完成对模块的相应操作。系统默认通信速率为9 600 B/s,用户可根据需要改变此设置。见图3程序流程图。
3 结束语
地声是由地壳介质的破裂而引发的,而且地声异常是在地震前段时间内发生的,是地震短临预报的主要信息。国内外都对地声检测进行了研究,但收效甚微,其原因是技术落后,检测设备昂贵,测点少。采用MSP430单片机实现数据采集,具有简单、可靠、低功耗等特点,能为地震短临预报提供可靠的数据。
参考文献
[1]Christiane Thielemann,Gisela Hess.Inorganic Electret Mem-barane for a Silicon Microphone[J].Sensors and Actuators,1997,61:352-355.
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声发射系统 篇5
HTPB复合固体推进剂的声发射特性及损伤模型的试验和理论研究
通过声发射(Acoustic Emission简称AE)试验监测单轴定速拉伸试验试样的动态损伤破坏过程, 阐述了HTPB复合固体推进剂材料的声发射特性,提出了具有明确物理意义的损伤变量定义,并给出了描述复合固体推进剂材料损伤发展的`数学模型.
作 者：阳建红 王芳文 覃世勇 YANG Jian-hong WANG Fang-weng QIN Shi-yong 作者单位：第二炮兵工程学院,西安,710025 刊 名：固体火箭技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY 年，卷(期)：2000 23(3) 分类号：V512 关键词：端羟基聚丁二烯推进剂 裂纹 声发射 损伤变量+ 数学模型
声发射系统 篇6
关键词:声发射检测技术;声发射泄漏检测技术;锅炉压力容器检测
中图分类号:TH878 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0024-02
随着科学技术的快速发展,声发射检测技术得到了广泛的应用。声发射又称应力波发射,当材料或零部件受到外力作用发生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段,都会以瞬间弹性波形式释放出应变能,这种现象称为声发射(AE)。在外部条件作用下,材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬间弹性波的现象亦称为声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质,故采用检测声发射信号的方法,可以判断材料或设备的某种状态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号,并利用声发射信号诊断发射源状态的技术称为声发射检测技术。
1声发射检测技术
一般常规的无损检测方法,都只能检测“静态”缺陷,而发展中的缺陷才是锅炉压力容器中最危险的隐患。声发射检测基于金属材料在应力作用下发生塑性变形和缺陷扩展时会发出声信号的物理现象为原理,采用多通道换能器并利用现代的电子处理技术进行信号采集和分析,从而得到部件在加载时缺陷的动态信息。用声发射对承载设备的监听、对结构材料中的“动态”缺陷进行检测和定位,以评定结构的完整性。声发射检测不必像其他常规探伤方法“必须充分接近缺陷位置”和“逐一扫描”才能进行检验,而是靠有限的几个“固定不动的”传感器就有可能对整个设备的完整性做出评定。
事实上,大多数压力容器事故是由焊接缺陷引起的。因此,有效地进行焊接缺陷的检验和缺陷评定在相当程度上是有效地进行了压力容器的检验。常规压力容器检测方法是焊缝的全面常规无损检测,如超声波探伤、x射线、v射线、磁粉探伤和着色探伤等。一般情况要对压力容器的所有焊缝进行不少于20%比例的x射线焊缝内部探伤,有时甚至要进行100%焊缝常规无损探伤(超声波或射线探伤),必要时还要对焊缝缺陷部位进行断裂力学评定,工作量大、检测时间长、劳动强度大。而声发射技术检测是由多通道换能器接收受压部件受载时材料内部缺陷因屈服、开裂、裂纹扩展等强烈变形现象所发出的声波信号(应力波或能量波),从而对这些信号进行采集、处理、分析,以得到产生声发射信号缺陷的情况参数,如应力波幅度大小、次数或个数的多少、应力波缺陷源的部位、出现应力波的载荷等,从而达到缺陷评定的目的。
2声发射检测技术原理与应用
2.1声发射检测技术基本原理
声发射(ACOUSTIC EMISSION,简称AE)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,也称为应力波发射。声发射是一种常见的物理现象,大多数工程材料变形和断裂时都有声发射产生,如果释放的应变能足够大,还可产生人耳听得见的声音。例如坐在椅子上晃动身体时,可以听见嘎吱声。
在检测实践中,通常我们需要借助灵敏的电子仪器来探测从缺陷处发出的声发射信号,这种利用仪器探测、记录、分析声发射信号并利用声发射信号进一步推断声发射源性质的技术称为声发射检测技术。该技术涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念。
由于声发射的产生机制不同,传统意义所讲的声发射检测技术主要是采集并分析突发型声发射信号来推断结构损伤严重性的技术。而分析由于泄漏介质与漏孔摩擦产生的连续型声发射信号推断泄漏的部位、大小的技术称为声发射泄漏检测技术。
2.2声发射泄漏检测技术原理
声发射泄漏检测技术是声发射技术应用的重要分支之一。其原理是:当气体或液体在一定压力作用下从漏孔泄漏时会在漏孔处激发出连续的机械波,通过示波器观察泄漏激发的声发射波形,其形状为幅度波动很小的、连续的、几乎无任何规律的波动。泄漏声发射波的频带范围分布随漏孔大小、泄漏速度、泄漏介质不同可从几Hz到几百kHz不等。利用适合的声发射传感器接收这些来自泄漏部位的声发射波,然后将机械波转变成电信号并放大后传送至声发射主机,经过分析处理就可以确定并得到泄漏的位置和泄漏量的大小等信息。
一般而言,泄漏量越大,激发的声发射信号幅度也越高。对于声发射泄漏检测技术而言,所用的传感器频率越低,则能监听更远距离的泄漏源。由于受到环境噪声的影响,声发射泄漏检测的频率范围多数在几十kHz至几百kHz之间。资料显示,目前声发射泄漏检测的灵敏度最高可以达到10-2～10-3 P.m3/S。因此,可以看出声发射泄漏检测技术是一种相对灵敏度较低的检测技术,目前其主要应用在航空航天、石油化、电力、核电等行业的管路、阀门、容器、罐等。
2.3声发射检测技术的应用
声发射检测通常与压力容器水压试验过程同步进行,以确定活动发展性焊接缺陷可能存在的区域。第一步检测所需的时间大约是水压试验所需时间,检测结果数据保存在计算机的磁盘和有关图表上,并在容器壳体上可推算出声发射源的位置。由于声发射检测是计算机控制缺陷自动数据采集,数据可靠性高,人为因素干扰小,数据可长期保存,结果显示简单明了,对查出的声发射源定位性能极佳。应用声发射技术进行缺陷检测与评定的第二步是对已查出的声发射源进行常规无损检测复验。根据定位结果通过复验来确认哪些声发射源是与焊接缺陷有关的,哪些是噪声干扰源和其他原因产生的源。第二步工作量一般较小,例如某50 m3储罐仅需对l1个声发射源共约3 m长的焊缝进行常规无损复验。应用声发射技术进行焊接缺陷检验与评定的第三步是在第一步声发射检测结果和第二步常规无损检测复验结果的基础上进行缺陷评定。第三步的具体内容就是根据声发射压力容器检测数据和有关标准以及常规无损检测数据、有关标准和压力容器事故失效分析的数据对声发射源焊接缺陷进行评定。
以往的静态常规无损探伤技术,如射线、超声波、磁粉等均只能检查材料已产生的缺陷,并常有漏检的现象,而且不能及时全面地检查、评价容器在受压过程中裂纹的产生、发展以到断裂的趋势,不能在容器发生灾难性爆炸前及时报警。然而,声发射检测由于技术上的特点,具有在动态条件下活动性缺陷主动参与检测的独到之处,可以整体全方位进行,从而可以预测缺陷的有害度和发展的趋势,做出准确的安全评定,具有广泛的客观性,“不受操作者主观臆断的干扰”。同时,在声发射检测结果的基础上进行常规无损检测复验,大大减少了常规无损检测抽查的局限性,提高了检验效率和可靠性,减少了漏检的可能,减轻了劳动强度。
3声发射检测技术在我国的发展
在我国,声发射检测技术已越来越多地被应用于压力容器的检测方面。有一些声发射技术研究应用机构,从事声发射技术的引进、消化、吸收、研究和应用推广,其目的就是采用高
新技术,改善压力容器现场检验的繁重劳动,提高检验质量,更快、更好地为广大用户服务。声发射是材料在受载情况下,主动反映材料内部缺陷活动信息,一次性对结构进行整体检测,并且无须使探头(传感器)在被测结构表面扫描,变传统无损检测方法的“被动”检出为“主动”检出。从检查范围看,声发射是全方位检测,缺陷所处的位置和方向不会影响声发射对缺陷的检出率。
4结束语
声发射检测技术是一种动态无损检测方法,它可以对检测对象进行实时监测,且检测灵敏度高。此外,几乎所有材料都具有声发射特性,所以声发射检测不受材料限制,且不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等因素的影响。我们应该大力推广这一高新技术,使声发射检测这一方法更广泛地应用于我们的检验工作中,提高检验、检测水平及效率,确保设备的安全和正常运行。
Application of the Sound Launches Examination
Technology Principle in Boiler Pressure Vessel Examination
Wu Congrong
Abstract:Along with science’s and technology’s fast development, the sound launch examination technology obtained the widespread application, the article mainly introduced the sound launch examination technology in the boiler pressure vessel examination principle and the application.
声发射系统 篇7
材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂,以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射一般是频率为20 kHz～20 MHz左右的微弱声波。声发射信号来自缺陷本身,同样大小和性质的缺陷,由于所处的位置和所受应力状态的不同,其声发射也有差别,故可用声发射来检测缺陷的程度或监测运转的机器,例如桥梁结构安全以及大型发电设备内部局部放电检测[1]。了解来自缺陷的声发射信号,建立声发射信号特征模型,就可以长期对缺陷的安全性进行监测,这是声发射技术优于其他方法的一个重要特点。声发射传感器不同于加速度传感器,它靠压电晶片自身的谐振变形把被测物体受应力波作用时表面振动声波大小转化为相应的电压信号输出。
由于声波在不同媒质交界面上的反射和散射以及同一媒质传播都会引起声能的衰减,实际压电晶片接收到的声信号已经非常微弱,现场干扰信号可能把实际声信号湮没。因此,这种由压电材料感知的微弱毫伏级电压信号必须经滤波放大后传输,才能减弱干扰信号对它的影响,并提高信噪比。因压电晶体带负载能力差,因此在保证精度的条件下必须提高输入信号的放大倍数。以上要求前置放大电路不仅要有较大的输入阻抗、高的共模抑制比、低噪声系数性能,并满足检测高频响特性,具有线性大动态范围,最好能够自动调节增益,以避免小信号时放大倍数不够,而信号较大时放大严重饱和[2]。
室外金属压力容器及工程设施在役监测通常采用声发射技术[3,4]。不同的工况下,弹性波强度变化较大,声发射前置放大器必须能自动控制增益。由于交流电源供给困难,而且易受到强电磁场干扰,最好采用蓄电池供电。然而,市场上现有的声发射前置放大器没有增益自动调节功能,而且均为交流供电,不适合强电磁场环境。因此,本文开发了一个具有数字自动控制增益的声发射监测系统。声发射前置放大器采用蓄电池供电,避免交流电源内含的干扰。该系统具有强抗干扰和电源管理功能,适应高磁场高电压的恶劣环境,自动定时采样,能长期无人值守,在现场取得满意的效果。
1 数字自动控制增益的声发射监测系统结构
系统由声发射传感器、前置放大器、光电转换电路及光纤、高速数据采集卡和计算机软件组成,见图1。
声传感器检测频带的选择是提高声传感器检测灵敏度的关键因素之一,传感器采用美国物理声学公司WD宽频响应差动结构声发射传感器,其频响范围为100 kHz～2 MHz,工作温度在-65 ℃～177 ℃。考虑到该金属压力容器所处的恶劣强电磁场环境,声发射传感器和前置放大器被双重屏蔽,安放于金属压力容
器上,高速数据采集卡及计算机远离金属压力容器近100 m。放大的声发射模拟电信号将被转换成调制的光信号,通过光纤传送到计算机外一个光电转换器,变回模拟电信号再进入计算机采样卡成为数字信号。计算机发出的自动控制增益控制信号也通过光纤传回到前置放大器,实现增益的自动控制。这样,极大地减少强电磁干扰,确保检测信号的可靠性。为了节省电池能量,系统增加了电源管理功能,使系统能够自动进入休眠状态或定时采样状态。
经过现场测试,压电传感器输出2 mV～10 mV之间的信号。光电二极管MF359的线性最佳工作区为5 mA～65 mA,由于单电源供电,中点可设在35 mA处。电压转换电流电路的输入电平应当在0.165 V～2.145 V,其中点电平是1.155 V。因此,放大后的传感器电压信号应在±1 V之间变化。总的最大放大增益是500倍。显然,一级放大器不能胜任这种高频信号的放大。通常,连接电缆的分布电容影响压电传感器灵敏度,电压放大器测量系统对电缆长度变化很敏感,更换电缆时需要重新标定。这里,压电传感器紧挨着前置放大器,电缆长度非常短且位置不变,连接电缆的分布电容受到控制,电压放大器能够胜任电荷放大器的工作。系统电路原理如图2所示。
AD8067组成高阻抗差动输入电路,拾取压电传感器毫伏级电压信号,其信号增益AV为10。通过差动放大,降低由传感器及其电缆引进的共模电噪声;AD8067除了放大作用外,它把压电传感器的高输出阻抗转换为低输出阻抗,即阻抗匹配和转换作用。AD8369是数字可变增益放大器,保持高频特性不变状况下,最大的信号增益可达到100。高频变压器T4-6T能够匹配输出阻抗,并将差动输出转为单端输出,它的工作频率范围在20 kHz～250 MHz,其插入损耗在0.3 dB左右。AD8029是一个高频低功耗电压电流转换器,其静态电流只有1.6 mA,它将AD8369输出电压信号转换成电流信号,驱动光电二极管MF359,使模拟电流信号变换成调制的光信号,通过光纤传到计算机端的光电转换器TTI-TIA525,光信号又变成模拟电压信号送到采样卡。MAX6301和MC14013组成电源管理电路,类似一个电源开关,在计算机控制下启动电源供给前置放大器。MAX6301最大静态电流为4 μA,MC14013最大静态电流为60 μA,对蓄电池消耗极微。当计算机采样发现压电传感器信号较小时,AD8369自动地被设置较大的增益;当压电传感器信号较大时,AD8369自动地被设置较小的增益。图3为数字控制信号光纤传输电路框图。
2 关键芯片选择与分析
对第1级放大器的基本要求是:高输入阻抗,高增益带宽及单电源供电。大部分差动放大集成电路芯片无法同时满足这些条件。经多方比较,AD8067被挑选作为第1级放大器,它是一款高速低噪声FET输入、满幅度输出放大器,其输入阻抗为1 000 GΩ;当增益为10 dB时,带宽为54 MHz;转换速率为640 V/μs;高的共模抑制比(-106 dB);经过激光精调的AD8067直流偏值电压最大不超过1 mV;其供给电流只有6.5 mA;非常适合于单电源、大动态低失真场合。电阻R12、R15和电容C17、C18组成滤波器,滤掉不需要的频率信号。
AD8369是一种单电源供电、以dB为单位的线性数字VGA(可变增益放大器),具有45 dB的增益调节范围,3 dB步长,工作频率从低频到600 MHz,在380 MHz范围内±20 MHz带宽增益波动(平坦度)小于0.15 dB。输入阻抗为200 Ω时,动态输入阻抗匹配可获得2.2 dB的低噪声系数。在VOUT=1 VP-P,fin=70 MHz,负载为1 kΩ时,双音3阶互调失真为-69 dBc。AD8369的增益控制是通过一个数字接口(串行或并行)实现的,以减低电路设计的复杂程度[6,7]。
AD8369的内部电路结构如图4所示,由一个7阶R-2R梯形电阻衰减网络、固定增益放大器、3 dB开关衰减器、互补电流源输出网络、偏置电路、增益步进控制电路和数字接口等部分组成。AD8369工作时,数字接口(并口或SPI串口)接收的4位二进制增益控制代码,其高3位用于控制跨导单元和梯形电阻衰减网络,实现步长6 dB、最大42 dB的增益调节,最低位用来控制3 dB开关衰减器,并配合前面的电阻衰减网络,最终实现在45 dB增益调节范围内,3 dB步长的数字增益调节功能。AD8369的输出电路采用两对互补电流源的全差分形式,差分输出阻抗200 Ω。
AD8369的电压增益可以用下式计算:
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式中:RL为外接负载电阻,单位是Ω;n为增益控制代码,最小是0,最大是15。
显然,RL与AD8369的输出电阻的并联值共同决定AD8369的最大增益和输出信号的幅值,但RL的大小并不影响该芯片的增益调节步长。表1显示了AD8369的引脚及其功能;表2给出不同负载下增益与增益编码的关系。
AD8369的增益调节步长、线性动态范围、频响特性、增益调节的响应速度及噪声系数等参数对系统的设计非常关键。当增益控制代码不变时,负载RL增大,则芯片的增益提高;当负载电阻一定时,在整个45 dB增益调节范围内,AD8369的增益与增益控制代码之间都能保持良好的、以3 dB为单位步进的线性关系。在从低频到400 MHz工作频率范围内,AD8369都具有较平坦的幅频特性。当负载电阻由1 kΩ变为200 Ω时,在同一电源电压和工作频率条件下,噪声系数大约可降低1.5 dB;当电源电压由3 V增大到5 V时,在同一负载和工作频率条件下,噪声系数略有上升;而当电源电压和负载都不变时,噪声系数随工作频率的提高而增加;但当AD8369的工作频率低于300 MHz时,其噪声系数可保证小于7 dB。
MF359是一种端部出射的发光二极管,专用于62.5 μm/125 μm传输光纤。其功率波长为780 nm,电信号频宽为55 MHz,数字孔径为0.275,双透镜结构能将光功率最佳地耦合进光纤。TTI-TIA525是一个连接方便的高速光纤光电转换器,具有125 MHz频宽,少于3 pA/Hz1/2RMS噪声水平;跨导范围在14 kʊ;检测波长范围为400 nm～1 000 nm,数字孔径为0.29;线性输出功率大于12 mW,输出负载在50 Ω时,输出电压峰峰值为2 V,输出偏置电压为±1 V。其输出电压直接地接NIDAQ6155采样卡。PCI总线NIDAQ6155多功能采样卡有4个12位分辨率模拟输入通道,每通道采样率为10×106次采样/s,模拟电压输入范围±200 mV～±42 V,每通道带有去假频滤波器;2个12位分辨率模拟输出通道,每通道输出速率为4×106次采样/s;8个数字输出接口,5 V TTL/CMOS电平;2个24位计数器。1个数字I/O用于控制电源启动;4个数字输出接口用于控制AD8369的增益。
3 实验与结论
为了验证所研制的高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统的频响特性,采用美国材料与测试协会推荐的方法,对系统进行了标准铅心折断信号采集校正试验[8],即把WD声发射传感器用耦合剂吸合在材质与压力金属容器相同钢板上,相距声发射传感器大约30 mm的地方折断直径为0.5 mm,长度为3 mm的2H铅笔心,断铅信号被声发射传感器拾取并转换为电信号输出到高抗干扰数字自动控制增益的声发射监测系统,最后由光纤送到4通道的PCI-DAQ6155数据采集卡进行信号数据采集,采集到的数据最后由计算机软件进一步分析和显示。
图5展现了前置放大器的输入信号与TTI-TIA525的输出信号的波形。曲线①是AD8369增益编码为1000时的TTI-TIA525的输出信号;曲线②是AD8067的输入信号。波形显示这个前置放大器能够极小失真地放大声发射信号。
现场实验表明:该系统具有信号输出电压幅值高、频率响应范围宽、灵敏度高、抗干扰极强、使用方便等特点,能够用于工业生产设备的状态监测。系统的主要缺点是6条光纤成本较高,下一步将利用低成本、低功耗微电脑MSP430F来控制数字增益可调放大器AD8369。把MSP430F融合于前置放大器内,使6条光纤减少为2条,一条传递传感器信号进计算机,另一条传递计算机控制信号到微电脑MSP430F,让MSP430F设置AD8369的增益代码及电源管理,这将较大地减小系统成本。
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声发射系统 篇8
1 声发射检测的应用现状
声发射检测在业界内简称AE (Acoustic Emission) , 这种检测技术的应用的基本原理是材料内部局部区域在外界干扰的影响下进行能量释放, 同时出现的瞬态弹性波, 通过这样的检测可以获得相关的结构数据。这种技术最早起源于德国, 并很快为美国所推广应用与原子能和航天领域, 最初应用于检测时检测对象是玻璃钢固体发动机壳体, 随着全球科学技术的进步和交流, 这种声发射检测技术逐渐推广到亚洲和欧洲, 但是并没有发挥这种检测技术最有价值的能力。一直到20世纪80年代, 各国投入更多的精力进行相关技术的研发工作, 并对理论知识的研究也加大了投入, 很大程度上推动了声发射检测技术的发展, 声发射检测时采用材料表面上的压电陶瓷探头探测其发射的弹性波, 之后将其转变为电信号并读取记录和显示, 从而分析材料内部的结构是否存在缺陷。
为了更好实现声发射检测, 研究者们还通过对检测设备的研制工作将检测的精度和效率提高。例如Dunegan等人研发出了频率达到100k Hz~1MHz的现代声发射仪器, 从此开创了该检测领域的技术革新, 使得大型结构的声发射检测成为了可能, 将声发射检测的应用范围极大的扩宽。随后人们还从声发射源和信号分析等相关领域开展深入的研究, 这些都推动了声发射检测技术的发展。
2 声发射检测技术存在的问题及未来发展趋势
由此可见, 声发射检测技术已经有了一定的技术和理论基础, 并在工业生产中得到了广泛应用, 但是随着油气储运系统中很多新问题的出现, 还有很多亟待解决的问题, 而这些问题也恰恰影响了声发射检测技术未来的发展趋势。
(1) 对于检测设备的研发需求
在进行油气储运系统的安全检测时, 特别是管道的泄露检测时, 如何能够获得更加准确可靠的检测结果还需要通过更加高精密的检测设备来实现。因此在未来的检测设备研发中需要投入更多的精力在提高检测设备的设计精准度方面, 这样才能够更加准确的检测出油气储运设备中存在的各种安全隐患和漏洞, 保证油气储运设备在使用中的安全。
(2) 提高检测设备的感应装置性能
在油气储运系统中, 由于很多系统设备所处的位置给声发射检测带来很大难度, 这就使得某些部位检测时, 检测设备的传感器无法使用, 在工程中迫切需要加强传感器的研制工作, 使声发射检测能够更加广泛的应用于不同结构设备检测当中。
(3) 以油气储运系统为平台进行扩展应用
实际上由于声发射检测技术在石油储运系统中得到广泛的应用, 并且该检测技术能够稳定的发挥出安全检测的功能, 对于工程应用具有重要的指导意义和价值, 这样的检测技术应该并且有价值被推广到相关的领域当中, 利用声发射检测的优势并进行适当的创新和改革, 为更多工程领域进行安全指导。
(4) 现有的信号采集和后续分析处理工作有待提高
声发射检测技术就是通过对电信号的检测获得相关数据, 那么对于信号的采集和后续的分析处理工作十分重要, 直接关系到检测结果的优劣。因此应该开展相应的信号采集和分析处理工作水平, 可以考虑将信号采集工作进行更加精细的防干扰处理, 尤其对于多通道的信号采集时, 应该将不同通道之间的信号相互隔离, 避免出现干扰, 将信号采集的频率范围拓宽, 优化信号采集系统的设计, 提高对信号的处理能力, 扩大神经网络模式识别在该检测领域的应用, 这样就能够将声发射检测提高为一种能够在线使用的现代化检测技术。
(5) 声发射检测系统有待进一步完善
目前无论在油气储运系统还是在其他工程领域, 现有的声发射检测系统都根据其理论基础采用了相关检测设备, 但是整个系统中不同部分之间的衔接能力, 即数据的有效传递能力还需要提高, 这就要求对现有的声发射检测系统进行完善。这种完善工作应该从机理出发, 加强不同环节之间的信息处理和传递能力, 根据不同的使用环境能够进行相应的调整和适应, 将采集的数据和分析结果能够更加直观的呈现给使用者, 提高声发射检测系统的适用范围和易读性。
(6) 加强对声发射检测系统的集成化开发
目前的声发射检测系统集成度并不高, 在计算机技术发展如此迅速的今天, 具有强大的传感器研发能力、高精度的信号采集系统和波形分析能力等等, 这些技术如果都能够应用于声发射检测系统将极大的提高检测能力。因此应该将先进的计算机技术应用于声发射检测系统中, 增强检测系统的自动化程度, 避免人为因素对检测结果的影响, 增强检测结果的可信度, 简化检测流程, 形成一套能够集先进检测设备于一体的自动化集成度较高的声发射检测系统。
3 结语
通过本文的分析可以看出, 油气储运系统的声发射检测技术能够最大程度的保证该系统的安全运行, 为石油领域的资源储备和运输提供了有力的保障。随着科学技术的发展和进步, 声发射检测技术还需要进行更加完善的建设工作, 通过相关人员的研究和努力, 获得更加先进、高效、可靠的检测结果, 推动声发射检测广泛应用于不同的工程领域安全评估工作中。
摘要：石油行业是我国工业发展的能源基础, 在不同的行业中都起着影响作用, 但是由于石油储备多数处于偏远的地区, 从海洋到陆地, 这就需要将开采出来的油气资源进行储备和运输, 过程中涉及到很多压力和温度的严格限制, 其中管道作为重要的资源存储设备在这一过程中起着重要作用。本文将讨论声发射检测在管道安全评定中的具体应用。
关键词：声发射,检测,油气管道,发展
参考文献
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[5]杨国辉.声发射检测技术在压裂管汇无损检测中的应用.中国科技博览, 2014, 47.
声发射系统 篇9
声发射 (acoustic emission, 简称AE) 是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂, 以应力波形式释放出应变能的现象。
声发射检测是一种对结构或材料内部的潜在缺陷或者处在运动变化过程中的缺陷进行的无损检测。声发射信号的分类最早是由德国人Kaiser首先提出的, 后来人们随着对声发射认识的加深, 正式提出将声发射信号分成突发型与连续型两种。自然界中能够产生声发射信号的材料很多, 声发射源的种类也很繁多, 因此声发射波的频率范围很广。有的声发射信号强度很强, 人耳可以直接听到, 有的声发射信号在发生过程中应变比较弱导致人耳听不到, 这就需要专门的声发射设备才能检测到。用专用的设备与软件检测声发射信号、分析处理与显示声发射信号、由声发射信号的信息反推声发射源的状况统称为声发射技术[1]。
1 传统声发射检测的基本原理
当声发射传感器附着到所测结构上后, 由于材料内部应力发生变化产生声发射信号, 声发射源产生的声发射信号以波的形式在材料中传播, 当到达材料表面时声发射波引起材料表面的振动, 此时波的能量转换成材料的振动能。而附着在材料表面的声发射传感器可以感受到材料表面的机械振动, 然后将材料的振动转换成电信号, 通过后续硬件与软件的釆集、分析与处理, 就可以得到声发射信号的有用信息, 并以此来推断材料发生声发射的机制与预判声发射信号的发展趋势[2]。
目前声发射检测是一种比较有效的检测材料受到应力作用时动态趋势变化的方法。声发射检测原理如图1所示[3]。
从图1可以看出, 借助声发射传感器与相关外围设备可以实时获得材料内部产生的声发射信号。只要对记录与显示在系统中的数据进行有效的分析, 便可预判材料内部结构的变化趋势以及下一步需要釆取的针对性防范措施。
传统的声发射传感器大多采用的是谐振式压电传感器, 是将被测结构的变化直接转换成物体谐振频率变化的一种压电传感器。优点是精度与分辨率比较高, 其主要缺点是:体积大、对制作材料的质量要求比较高、频带窄、必须与被测物体接触, 不能应用在高温、腐烛、高压等极端环境下并且抗电磁干扰能力弱, 在强电场环境下其有效性也受到很大制约[4]。相比而言光纤光栅声发射传感器具有压电传感器没有的优点:本身制作材料是光导纤维, 其绝缘性好, 因此可用到高电压、高电磁干扰的环境中;本身体积小质量轻;安装方式可有多种选择, 即可贴在结构表面也可埋入其中;采用波长解调, 抗干扰性强。因此对于基于光纤光栅的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义[5]。
2 光纤光栅与声发射信号作用机理
光纤光栅是一种折射率周期调制的传感器件, 光栅光谱的峰值波长被认为是光栅中心波长:
式中为栅区的平均有效折射率, Λ为光栅周期。光纤光栅在外界应力作用下, 光栅周期和有效折射率受到调制从而使波长改变。光纤光栅声发射传感器的基本原理是在声发射应力波作用下, 一方面对光栅周期进行调制;另一方面对光栅纤芯有效折射率调制。两方面共同作用使波长改变, 光栅中心波长随应变变化可表示为:
式中, εAE为由声发射信号引起的光栅轴向高频应变, pe为光栅的有效弹光系数, 1-pe即为光栅应变灵敏度系数。对于1550波段的FBG, 应变灵敏度系数约为1.2pm/με[6,7]。
3 系统设计
我们设计了基于长周期光纤光栅线性滤波的解调系统[8,9]方案 (如图2所示) 。该系统采用的是全光纤结构, 无需机械部件调谐, 其传感解调的速度仅受限于所选用的电子器件, 如A/D转换器件的转换时间等, 适于对解调速度要求较高的场合[10]。
宽带光源经耦合器1进入传感点———光纤Bragg光栅 (FBG) , 经FBG反射回来的携带传感信息的光信息再经过耦合器1, 后接耦合器2将信号分为2路, 一路直接进入光电探测器 (PD0) , 另一路则通过一个LPFG线性滤波器后再进入PD1检测。两路信号相比可以消除光源波动及前面光路连接器等引起的光功率波动, 随后对检测的信号进行放大、A/D转换以及数据采集、滤波处理后, 根据解调算法即可将变化的物理量解调出来。为了防止光纤的端面反射而影响传感信号, 将光纤尾端浸入匹配液 (IMG) [11]。
4 结束语
声发射现象与声发射技术 篇10
从七十年代开始, 一系列关于声发射技术对金属材料和复合材料应用的研究便开始产生。到了八十年代, 声发射技术的研究便开始向无损检测方面发展。到了现在声发射技术在全世界工业生产中的应用已变得很普遍。声发射技术应用方面的仪器也越来越先进。由于计算机的发展和各种相关应用软件的出现, 声发射无损检测技术已越来越受到人们的重视和青睐。在这篇文章里, 我们将一起对声发射无损检测技术做一个比较全面的了解。应力波发射或者声发射是在很早之前就被人们所认知到的现象了, 目前在无损检测领域里已收到人们的关注。材料或者结构在受到外力或内力作用下所产生的变形或断裂, 能以弹性波形式释放应变能的现象称之为声发射, 也称为应力波发射。声发射是种最为常见的物理现象, 假使释放的应变能足够的大, 就可以产生出声音, 如在把弯曲锡片放在耳边, 就可以听见劈啪劈啪的声音声, 这是由于锡受到力的作用进而使之产生变形从而发出声音。
因素的作用
另一方面, 由于这些因素的作用, 使材料内部结构发生变化, 如晶体结构变化, 滑移变形, 裂纹扩展等, 发声是在材料内部结构变化过程中产生的, 也只要内部结构变化, 才能引起能量释放, 才能发声。因此, 声发射检测是一种动态无损检测方法, 即:使构件或材料的内部结构, 缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。
由于声发射检测是一种动态无损检测方法, 而且, 声发射信号来自缺陷本身, 因此, 用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小, 同样性质的缺陷, 当它所处的位置和所受的应力状态不同时, 对结构的损伤程度也不同, 所以它的声发射特征也有差别。明确了来自缺陷的声发射信号, 就可以长期连续的监视缺陷的安全性, 这是其它无损检测方法难以实现的。
现在我们利用多通道声发射装置, 可以准确确定缺陷的所在位置。声发射检测的这一特点对于大型结构如锅炉等检测极其方便。我们可以先利用声发射技术检测, 之后在用其它无损检测方法加以验证, 这样就可以确保检测是的准确性。
从1973年我国就开始实施声发射技术的研究工作了, 研究工作首先要着眼于应用, 而截止到目前, 在材料的科研, 压力容器的评价, 飞机构件强度监视和测定燃料燃速等等都已取得了显著的效果。。从无损检测的角度纵观声发射技术的发展, 主要解决以下几个方面的问题:构件或材料何时出现了损伤;损伤的严重程度如何。在扩大应用范围的基础上, 已生产出五, 六种商品声发射仪器
二、声发射技术机理及特征
AE的技术机理为, 作为无损检测的一种技术手段, 须采用高灵敏度的传感器, 在材料或构件受外力作用, 且又在其达到破坏之前, 接收来自这些缺陷与损伤开始出现或扩展所发生时的AE信号。通过这些信号的分析、处理来检测、评估材料或构件缺陷、损伤等内部特征。
金属材料中的裂缝扩展、位错运动、滑移带生成、孪生变形、晶界滑移、夹杂物的分离与开裂等。
因此, 通过声发射检测, 可以确定:材料或部件何时出现损伤、材料或部件出现损伤的严重程度及其危害性、材料或部件出现损伤的部位、对构件作出结构完整性评价。
三、总结
采用4个换能器阵列定位声源, 根据阵列的最大时差就可以定出4个换能器接收到信号的全部时差组合, 从而定出各种时差组合可能确定的位置, 采用计算机软件统计处理, 从大量的噪声源位置中区分出真正的声源位置。由于时间仓促和对声学信号处理软件还没有达到深入的了解, 我们只能对声源位置和声发射信号作出一些定性的分析。
参考文献
[1]袁振明, 马羽宽著, 声发射技术及其应用, 机械工业出版社, 1985年8月
[2]许凤旌著, 声发射技术在复合材料发展中的应用, 机械工程材料, 第21卷第4期, 1997年8月
[3]石南林, 朱祖铭, 郭延风著, 复合材料断裂机制的声发射研究, 材料研究学报, 1997年2月
声发射信号处理方法分析 篇11
声发射是一种常见的物理现象, 大多数材料变形和断裂时有声发射发生。但许多材料的声发射信号强度很弱, 人耳不能直接听见, 需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号对声发射源进行定量、定性和定位的技术称为声发射检测技术。其基本原理如图1所示。
声发射检测技术作为一种动态无损检测方法已经广泛用于各种材料或结构的稳定性评价。声发射检测的目的就是尽早地发现声发射源和尽可能多地得到声发射源的信息。目前, 常用的声发射信号的处理方法有特征参量法和波形分析法。
1. 声发射信号的特征参量分析法
声发射信号特征参量分析法, 即对声发射信号特征参量进行处理, 用声发射特征参量描述声发射源特性的分析方法。目前, 声发射特征参量主要有声发射信号的幅度、能量、振铃计数、事件、上升时间、持续时间和门槛电压等 (如图2所示) 。这种声发射信号处理技术的研究主要集中在对声发射信号的有效性分析上, 主要采用的方法有幅度鉴别、频率鉴别、空间滤波、软件剔噪和信号的事后处理等。
参量分析法中为了能找到声发射源的特性和内在规律, 人们通常使用关联图分析法, 即将幅度、持续时间、能量、到达时间、均方根电压值、撞击数、撞击数率、外接参量等之间任意两个变量做关联分析。从声发射参量的关联图中可以找出声发射信号的变化规律, 可以区分不同特性的信号。
2. 声发射信号的谱估计方法
波形频谱分析是通过分析声发射信号的时域或频域波形来获得信息的一种信号处理方法。谱估计可分为经典谱估计和现代谱估计两大类。
2.1. 经典谱估计方法
经典谱估计是以傅立叶变换为基础, 又称为线性谱估计方法。它主要包括相关图法和周期图法以及在此基础上的改进方法。
(1) 相关图法又称为间接法。它是由随机信号的N个观察值X (0) , …, X (N-1) , 估计出自相关函数RN (m) , 然后再求RN (m) 的傅立叶变换作为功率谱的估计
(2) 周期图法又称为直接法。它是直接由傅立叶变换得到的, 设有限长实序列X (n) 的傅立叶变换为
在Matlab的函数工具箱里, 调用函数为Periodogrm (x) 。
(3) 改进的直接法。直接法和间接法的方差很大, 而且当数据太长时, 谱曲线起飞加剧;数据长度太小时, 谱的分辨率又不好, 所以需要改进。Welch提出同时使用平均和平滑两种手段来求功率谱密度, 数据系列X (n) 分为K段, 每段有M个样本, N=KM。数据窗W (n) 在计算周期图之前就与数据段相乘, 于是定义K个修正周期图
在Matlab的函数工具箱里, 用函数Pwelch来实现Welch平均周期图法的功率谱估计。
2.2. 现代谱估计方法
传统的功率谱估计方法是利用加窗的数据或加窗的相关函数估计的傅立叶变换计算的, 具有一定的优势, 如计算效率高, 估计值正比于正弦波信号的功率等。但是同时也存在许多缺点, 主要缺点就是方差性能差、谱分辨率低。现代谱估计方法以非傅立叶分析为基础。可分为参数模型和非参数模型法两大类。现代谱估计采用合适的参数模型来拟合信号或用特征分离方法来估计信号, 克服了经典法的缺点, 取得了较好的效果。其突出优点提高了估计谱逼近真实谱的程度。
3. 常规模式识别方法
模式识别是指对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析, 以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程。从数字化后或预处理后的输入模式中抽取一组特征。所谓特征是选定的一种度量, 它对于一般的变形和失真保持不变或几乎不变, 并且只含尽可能少的冗余信息。特征抽取过程将输入模式从对象空间映射到特征空间。特征抽取后可进行分类, 即从特征空间再映射到决策空间。为此而引入鉴别函数, 由特征矢量计算出相应于各类别的鉴别函数值, 通过鉴别函数值的比较实行分类。
常规模式识别最早应用于声发射信号分析和处理始于1982年Meltor应用自回归 (AR) 模型和前2个自回归系数对声发射波形信号进行分析。人们应用模式识别技术对飞机结构疲劳裂纹增长产生声发射信号波形的频谱进行分析, 成功地将疲劳裂纹增长信号和裂纹面的摩擦信号分开;应用幅度、平均频率、持续时间等常规声发射参数, 对复合材料和土木工程结构等声发射信号进行了模式识别分析, 分析结果发现部分信号的类别可以分开;对典型焊接缺陷的声发射信号进行了经典和现代谱估计模式识别分析, 得到了一些有意义的结论。
4. 人工神经网络模式识别方法
人工神经网络是目前实现模式识别的主要方法, 对声发射信号分析处理的最终目的是实现对声发射源的识别, 因此人工神经网络也成为声发射信号处理研究的主要内容之一
神经网络是一个并行分布式的信息处理系统, 它是由单向信号通道将大量的处理单元连接而成的一个网络结构。它不要求对过程有所了解, 可通过训练样本获得信息, 来处理复杂的非线性和不确定性过程。神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统, 该系统是靠其状态对外部输入信息的动态反应来处理信息的。大多数研究人员设计发展自己的专用人工神经网络分析软件来分析声发射信号, 但也有使用通用的神经网络软件进行声发射信号分析的。
5. 小波分析方法
小波分析或多分辨分析作为一门新兴的并蓬勃发展的理论, 是数学发展史上的重要成果。它与傅里叶变换、窗口傅里叶变换相比, 这是一个时间和频率的局域变换, 因而能有效的从信号中提取信息, 通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析。作为信号处理的小波分析方法可以说是一个比较新的方法, 是信号处理的前沿领域, 但实际上它的很多概念在许多不同领域中都以各种形式存在着, 已成为强有力的信号分析及处理的方法。
小波是小区域的波, 是一种特殊的长度有限、平均值为零的波形。设ψ (t) 为一平方可积函数, 即ψ (t) ∈L2R, 若其傅里叶变换满足条件:
则称ψ (t) 为一个基本小波或母小波函数, 也称上式为小波的可容许条件。
将小波母函数ψ (t) 进行伸缩和平移, 得到函数ψa, x (t)
式中a为伸缩因子, τ为平移因子, 称ψa, x (t) 为依赖于a、τ的小波基函数。
小波分析是傅立叶分析方法的发展与延拓。小波基的构造及结果分析都依赖于傅立叶分析, 二者是相辅相成的。
小波变换的含义是把称为基本小波的函数ψ (t) 作位移τ后, 再在不同尺度a下与待分析信号X (t) 作内积:
小波变换的特点和作用:
(1) 小波变换具有多尺度的特点, 可以由粗到细的逐步观察信号。
(2) 它是用基本频率特性为, ψ (ω) 的带通滤波器在不同尺度ψa, x (t) 下对信号做滤波。
(3) 小波函数具有不唯一性, 即小波函数具有多样性, 也就是说用不同的小波基分析同一个信号会得到不同的结果, 适当的选择基本小波, 便于检测信号的瞬态或奇异点。
6. 结语
声发射特征参量分析法具有直观、实时、简便、快捷等特点, 这种声发射信号处理方法得以迅速发展并在工程测试中得以广泛应用;声发射信号的频谱能反映声发射源的特征, 因此, 频谱分析能够揭示声发射源信号的特征和它的动态特性。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。常规模式识别法应用的样本特征很有限, 往往只能识别出某一种或几种干扰源, 还不适应复杂的环境。目前, 人工神经网络在声发射技术中的应用, 都是针对某一具体的对象, 缺乏一种带有普遍指导意义的方法, 而且在神经网络的结构上缺乏对声发射信号的针对性。人们利用小波变换进行声发射信号处理还处于研究阶段, 实际应用还很少。
参考文献
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