结构损伤演化声发射监测系统

2020-04-27 10:04

2 凯赛尔效应和费利西蒂效应

1）凯赛尔效应

凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在1963年研究金属声发射特性时发现的。材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其他可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。

凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括：

1）在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；

2）岩体等原先所受最大应力的推测：

3）疲劳裂纹起始与扩展的声发射检测；

4）通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰；

5）加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。

2）费利西蒂效应和费利西蒂比

材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可以认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷（PAE）对原先所加最大载荷（Pmax）之比（PAE／Pmax），称为费利西蒂比。

费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映了材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0．95作为声发射源超标的重要判据。

3 声发射监测原理

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推断声发射源的技术称为声发射技术。声发射监测原理如图3所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转化为电信号，然后再被放大、处理和记录，人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，以了解材料产生声发射的机制。

图3 声发射监测原理

三、声发射监测传感技术

1．传感器工作原理

某些晶体受力产生变形时，其表面出现电荷，而又在电场的作用下，晶片发生弹性变形，这种现象称为压电效应。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点，压电式传感器的应用得到迅速的发展。常用声发射传感器的工作原理，基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，传输至信号处理器。

压电材料多为非金属介电晶体，包括锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体。其中，锆钛酸铅（PZT－5）接收灵敏度高，是声发射传感器常用的压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器。

传感器的特性参数包括频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度。传感器特性参数取决于许多因素，包括：①晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；②晶片的阻尼块及壳体中的安装方式；③传感器的耦合、安装及试件的声学特性。

2．传感器的类型

传感器可分为压电型、电容型和光学型。其中，常用的压电型又可分为谐振式（单端和差动式）、宽频带式、锥形式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式，其主要类型、特点和适用范围如表1所示。

表1 传感器的类型、特点和适用范围

3．传感器的结构

声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电晶片、阻尼块、连接导线及高频插座等组成，其中谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种，结构形式如图4所示。

图4 压电型传感器的结构

压电元件多采用锆钛酸铅陶瓷晶片（PZT－5），起着声电转换作用。两表面镀上5～19μm厚的银膜，起着电极作用。陶瓷保护膜起着保护晶片及传感器与被检体之间的电绝缘作用。金属外壳对电磁干扰起着屏蔽作用。导电胶起着固定晶片与导电的作用。在差动式传感器中，正负极差接而成的两个晶片可输出差动信号，起着抑制共模电噪声的作用。传感器材料的选择，还应考虑诸如温度、腐蚀、核辐射、压力等检测环境因素。

声发射传感器阵列由声发射传感器和阵列固定装置组成，声发射传感器主要用于检测微弱的声发射信号，将信号变为系统可识别的电信号。起重装备钢材中焊接缺陷产生的声发射源其频率范围为25～750kHz，选用频率为150kHz的谐振式窄带声发射传感器来测量起重装备的声发射信号。阵列固定装置将几个传感器进行集成，通过磁吸附方式将声发射传感器与被测物很好地耦合。为了方便开展对起重装备的局部损伤监测，设计了多种阵列固定装置，如图5所示。阵列传感装置为每个传感器都预留了活动区域，保证在进行监测时声发射传感器的距离相对可调。