1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1http:/利用仪器检测、分析声发射信号并利利用仪器检测、分析声发射信号并利用声发射信息推断声发射源的技术称用声发射信息推断声发射源的技术称为为声发射技术声发射技术。1 1 声发射检测原理及特点声发射检测原理及特点特点：特点：检测动态缺陷，如缺陷扩展，而不是检测静态缺陷；检测动态缺陷，如缺陷扩展，而不是检测静态缺陷；缺陷的信息直接来自缺陷本身，而不是靠外部输入扫查缺陷。缺陷的信息直接来自缺陷本身，而不是靠外部输入扫查缺陷。材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为式释
2、放出应变能的现象称为声发射声发射。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2http:/ 优势：优势：可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；或临近破坏预报；由于对被检件的接近要求不高，因而适于其它方法难于由于对被检件的接近要求不高，因而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及有毒等环境；易爆及有毒等环境；对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短
3、检对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；验的停产时间或者不需要停产；对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷；作载荷；1)1)由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。到限制的形状复杂的构件。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3http:/l 20 20世纪世纪5050年代初年代初 德国凯赛尔所作的研究工作。在金属材料
4、德国凯赛尔所作的研究工作。在金属材料的变形过程中观察到到声发射现象，并提出了著名的声发射不可的变形过程中观察到到声发射现象，并提出了著名的声发射不可逆效应。逆效应。l 20 20世纪世纪6060年代，声发射作为无损检测技术，在美国原子能、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。壳体等检测方面出现了应用实例。l 20 20世纪世纪7070年代，在日、欧、我国等相继得到发展。检测设备年代，在日、欧、我国等相继得到发展。检测设备的开发、基础研究、检测经验均
5、有限，故其进展缓慢，仅获得有的开发、基础研究、检测经验均有限，故其进展缓慢，仅获得有限的成功。限的成功。l 20 20世纪世纪8080年代，其研究与应用从实验室研究扩展到结构评价年代，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，首先在金属与玻璃钢压力容器、储罐、工业过程监视等各领域，首先在金属与玻璃钢压力容器、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、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。动态无损检测方法。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4http:/声发射分声发射分:1 1）连续发射）连续发射;2 2）突发发射。
6、）突发发射。(1)(1)声发射的来源与产生声发射的来源与产生位错运动和塑性变形位错运动和塑性变形裂纹的形成和扩展裂纹的形成和扩展华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5http:/(2)(2)声发射信号的特征参数声发射信号的特征参数声发射事件声发射事件声发射信号的波形，经过声发射信号的波形，经过包络检波后，波形超过预包络检波后，波形超过预置的阈值电压形成一个矩置的阈值电压形成一个矩形脉冲。如果一个突发型形脉冲。如果一个突发型信号形成一个矩形脉冲叫信号形成一个矩形脉冲叫做一个事件，这些事件脉做一个事件，这些事件脉冲数就是事件计数。单位冲数就是事件计数。单位时间的事件计数称为事件时间的事件计数称
7、为事件计数率，其计数的累积则计数率，其计数的累积则称为事件总数。称为事件总数。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6http:/对声发射信号的振铃波形，对声发射信号的振铃波形，设置某一阈值电压，振铃设置某一阈值电压，振铃波形超过这个阈值电压的波形超过这个阈值电压的部分形成矩形窄脉冲，计部分形成矩形窄脉冲，计算这些振铃脉冲数就是算这些振铃脉冲数就是振振铃计数。铃计数。这是对振幅加权这是对振幅加权的一种计数方法，如果改的一种计数方法，如果改变阈值电压，则振铃计数变阈值电压，则振铃计数也发生变化。单位时间的也发生变化。单位时间的振铃计数率称为振铃计数率称为声发射率声发射率，累加起来称为累加起来称
8、为振铃总数振铃总数。取一个事件的振铃计数称取一个事件的振铃计数称为为事件振铃计数或振铃事件振铃计数或振铃/事事件件。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院7http:/计算计算设声发射事件可以近似为指数衰设声发射事件可以近似为指数衰减的正弦波并表示为减的正弦波并表示为设阈值电压为设阈值电压为V Vt t，则可以表示为则可以表示为一个事件的振铃计数可表示为一个事件的振铃计数可表示为teVVtpcos00100112cosfnpefnpteeeVfnfVVtPeVVInfn001fnPteeVV华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院8http:/振幅及振幅分布振幅及振幅分布又称幅度分布，振幅是
9、指声发射波形的峰值振幅。又称幅度分布，振幅是指声发射波形的峰值振幅。振幅及振幅分布被认为是可以更多地反映声发射源信息的一种振幅及振幅分布被认为是可以更多地反映声发射源信息的一种处理方法。它既可以是事件计数对振幅的分布，也可以是振铃处理方法。它既可以是事件计数对振幅的分布，也可以是振铃计数对振幅的分相。振幅分布有两种表示方法，即微分型和积计数对振幅的分相。振幅分布有两种表示方法，即微分型和积分型。试验表明，不同的声发射源具有不同的振幅分布谱。分型。试验表明，不同的声发射源具有不同的振幅分布谱。能量能量声发射能量反映了声发射源以弹性波形式释放的能量。能量声发射能量反映了声发射源以弹性波形式释放的能
10、量。能量分析是针对仪器输出的信号进行的。瞬态信号的能量定义为分析是针对仪器输出的信号进行的。瞬态信号的能量定义为dttVRE02)(1华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院9http:/2 声发射检测定位方法声发射检测定位方法(1)(1)直线定位法直线定位法换能器1换能器2一维声发射定位华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院10http:/(2)(2)平面三角形定位法平面三角形定位法华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院11http:/(3)(3)归一化正方阵定位法归一化正方阵定位法24122223122222122221222)()1()1()()1()1()()1()1()1()1(
11、ttvyxttvyxttvyxtvyx华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院12http:/3 多通道检测系统结构多通道检测系统结构组成部分：信号接收部分、信号处理部分、测量显示部分组成部分：信号接收部分、信号处理部分、测量显示部分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院13http:/3 多通道检测系统结构多通道检测系统结构华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院14http:/4声发射检测的应用声发射检测的应用(1)(1)声发射在材料研究中的应用声发射在材料研究中的应用材料、工件或结构在交变载荷作用下经常发生疲劳断裂，是最材料、工件或结构在交变载荷作用下经常发生疲劳断裂，是最常见的故障之
12、一。声发射是监测其发生和发展过程的重要手段。常见的故障之一。声发射是监测其发生和发展过程的重要手段。声发射技术的应用是以材料的声发射特性为基础，不同材料的声发射技术的应用是以材料的声发射特性为基础，不同材料的声发射特性差异很大。即便是相同材料，影响声发射特性的因声发射特性差异很大。即便是相同材料，影响声发射特性的因素也很复杂。如热处理状态、组织结构、试件的形状以及加载素也很复杂。如热处理状态、组织结构、试件的形状以及加载方式等。方式等。采用声发射监测与三点弯曲试验相结合可以评价表面渗透采用声发射监测与三点弯曲试验相结合可以评价表面渗透层层(渗氟、渗碳等渗氟、渗碳等)的脆性。的脆性。金属材料金属
13、材料非金属材料非金属材料华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院15http:/声发射在焊接中的应用主要包括两个方面：一是焊接过程中对声发射在焊接中的应用主要包括两个方面：一是焊接过程中对焊缝质量进行实时监控，以及焊后进行无损检测。二是进行压焊缝质量进行实时监控，以及焊后进行无损检测。二是进行压力容器的在役检测。力容器的在役检测。出厂水压试验时的声发射监测出厂水压试验时的声发射监测容器定期检修时水压试验声发射监测容器定期检修时水压试验声发射监测运行中压力容器的声发射监测运行中压力容器的声发射监测容器爆破试验时的声发射监测容器爆破试验时的声发射监测 (2)(2)声发射在焊接中应用声发射在焊接中应
14、用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院16http:/华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院17http:/华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院18http:/(3)(3)声发射在飞机结构件监测中的应用声发射在飞机结构件监测中的应用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院19http:/(1)(1)确定温度值困难确定温度值困难 (2)(2)难于确定被检物体的内部热状态难于确定被检物体的内部热状态 (3)(3)价格昂贵价格昂贵红外无损检测是利用红外物理理论，把红外辐射特性的分析技术和红外无损检测是利用红外物理理论，把红外辐射特性的分析技术和方法，应用于被检对象的无损检测的一个综合性应用
15、工程技术。方法，应用于被检对象的无损检测的一个综合性应用工程技术。1 1 红外无损检测技术的特点红外无损检测技术的特点红外无损检测所存在的主要问题红外无损检测所存在的主要问题(1)(1)操作安全操作安全 (2)(2)灵敏度高灵敏度高(3)(3)检测效率高检测效率高华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院20http:/(1)(1)红外辐射及传输红外辐射及传输红外辐射实际是波长为红外辐射实际是波长为0.750.75100m100m的电磁波。红外辐射亦称为的电磁波。红外辐射亦称为红外线、热辐射。红外线、热辐射。2 2 红外无损检测基础红外无损检测基础华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21ht
16、tp:/红外辐射分为三个波段红外辐射分为三个波段(1)近红外波段近红外波段 波长为波长为0.753.0m。(2)中红外波段中红外波段 波长为波长为3.020m(3)远红外波段远红外波段 波长大于波长大于20m。红外辐射定律红外辐射定律(1)(1)黑体黑体如果有一个理想的物体，它对红外的辐射率、吸收率与表面如果有一个理想的物体，它对红外的辐射率、吸收率与表面温度及波长无关，且等于温度及波长无关，且等于1(1(即全部吸收或全部辐射即全部吸收或全部辐射)，那么，那么这种理想的辐射体和理想的吸收体称为黑体。这种理想的辐射体和理想的吸收体称为黑体。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院22http:/
17、意义：定量地描述物体辐射或吸意义：定量地描述物体辐射或吸收红外的能力。收红外的能力。辐射率：物体的实际辐射强度辐射率：物体的实际辐射强度I I和同温度和同温度下黑体辐射强度下黑体辐射强度I Ib b之比之比（2 2）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 当几个物体处于同一温度时，各物体辐当几个物体处于同一温度时，各物体辐射红外线的能力正比于其本身吸收红外线的能力，并且任何射红外线的能力正比于其本身吸收红外线的能力，并且任何一个物体的红外辐射能量密度可用下面公式表示：一个物体的红外辐射能量密度可用下面公式表示：bIIb华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院23http:/斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律玻耳兹曼
18、定律：物体红外辐射的能量密度与其自身的：物体红外辐射的能量密度与其自身的热力学温度的四次方成正比，并与它的表面辐射率成正比。热力学温度的四次方成正比，并与它的表面辐射率成正比。意义：描述了物体辐射红外线能量均它的温度之间关系。物意义：描述了物体辐射红外线能量均它的温度之间关系。物体的温度越高，它所辐射的红外能量越大。体的温度越高，它所辐射的红外能量越大。维恩位移定律维恩位移定律：给出了峰值波长与黑体温度间关系的关系。：给出了峰值波长与黑体温度间关系的关系。辐射的峰值波长：对应于辐射能量最大的波长。辐射的峰值波长：对应于辐射能量最大的波长。4TWT2897max华中科技大学机械学院华中科技大学机
19、械学院24http:/红外辐射的传输与衰减红外辐射的传输与衰减当红外辐射在大气中传输时，它的能量由于大气的吸收而衰当红外辐射在大气中传输时，它的能量由于大气的吸收而衰减。大气对红外辐射的吸收与衰减是有选择性的，即对某种减。大气对红外辐射的吸收与衰减是有选择性的，即对某种波长的红外辐射，大气几乎全部吸收，就像大气对这种波长波长的红外辐射，大气几乎全部吸收，就像大气对这种波长的红外相射先全不透明一样；相反，对于另外一些红外相射，的红外相射先全不透明一样；相反，对于另外一些红外相射，大气又几乎一点也不吸收，就像完全透明一样。大气又几乎一点也不吸收，就像完全透明一样。实验表明，能够顺利地透过大气的红外
20、辐射主要有三个波长实验表明，能够顺利地透过大气的红外辐射主要有三个波长范围：范围：1 12.52.5mm、3 35m5m和和8 81414mm。般将这三个波长范般将这三个波长范围叫做大气窗口。围叫做大气窗口。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院25http:/(2)(2)红外探测器红外探测器红外探测器的主要性能指标红外探测器的主要性能指标将红外辐射转换为电信号的器件。将红外辐射转换为电信号的器件。响应率：响应率：将红外辐射转换为电信号的能力。将红外辐射转换为电信号的能力。光谱响应光谱响应：对不同波长的响应。：对不同波长的响应。无选择性探测器、选择性探测器无选择性探测器、选择性探测器WUR
21、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院26http:/nUNEP/UAs时间常数：时间常数：表示红外探测器对红外辐射的响应速度的一个参数表示红外探测器对红外辐射的响应速度的一个参数等效噪声功率：等效噪声功率：产生与探测器噪声输出大小相等的信号所产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要的入射红外辐射能量密度。需要的入射红外辐射能量密度。用符号用符号NEPNEP表示。表示。探测率：探测率：等于等效噪声功率的倒数，是表示红外探测器灵敏等于等效噪声功率的倒数，是表示红外探测器灵敏度大小的一个参数。度大小的一个参数。),(1fANEPD华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院27http:/热电探测器
22、热电探测器热敏电阻红外探测器热敏电阻红外探测器热释电探测器热释电探测器(2)(2)常用红外探测器常用红外探测器光电探测器光电探测器光电导型探测器光电导型探测器光伏型探测器光伏型探测器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院28http:/(1)(1)红外测温仪红外测温仪红外测温仪的主要特点红外测温仪的主要特点红外测温仪的主要技术参数：测温范围、红外测温仪的主要技术参数：测温范围、工作波段、分辨能力、响应时间、目标尺工作波段、分辨能力、响应时间、目标尺寸、距离系数、辐射率范围寸、距离系数、辐射率范围红外测温仪使用要点：亮度温度、辐射率红外测温仪使用要点：亮度温度、辐射率的影响、仪器校正的影响、仪
23、器校正3 3 红外无损检测仪器红外无损检测仪器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院29http:/红外测温仪所显示的是被测物体的某红外测温仪所显示的是被测物体的某一局部的平均温度，而红外热像仪则一局部的平均温度，而红外热像仪则显示的是一幅热图，是物体红外辐射显示的是一幅热图，是物体红外辐射能员密度的二维分布图。通常一幅图能员密度的二维分布图。通常一幅图像由几十万或上百万个像素组成，要像由几十万或上百万个像素组成，要想将物体的热像显示在监视器上，首想将物体的热像显示在监视器上，首先需将热保分解成像素，然后通过红先需将热保分解成像素，然后通过红外探测器将其变成电信号，再经过信外探测器将其变成电
24、信号，再经过信号综合，在监视器上成像。图像的分号综合，在监视器上成像。图像的分解一般采用光学机械扫描方法。目前解一般采用光学机械扫描方法。目前高速的热像仪可以做到实时显示物体高速的热像仪可以做到实时显示物体的红外热像。的红外热像。(2)(2)红外热像仪红外热像仪红外热像仪的工作原红外热像仪的工作原理理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院30http:/红外热像仪的特点和主要参数红外热像仪的特点和主要参数能显示物体的表面温度场，并以图象的形式显示，非常直观。能显示物体的表面温度场，并以图象的形式显示，非常直观。分辨力强，现代热像仪可以分辨分辨力强，现代热像仪可以分辨0.10.1甚至更小的温差
25、。甚至更小的温差。显示方式灵活多样显示方式灵活多样能与计算机进行数据交换，便于存储和处理能与计算机进行数据交换，便于存储和处理缺点：缺点：要用液氮、氖气或热电致冷，以保证在低温下工作；要用液氮、氖气或热电致冷，以保证在低温下工作；光学机械扫描装置结构复杂。光学机械扫描装置结构复杂。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院31http:/(3)(3)红外热电视红外热电视采用电子扫描入式热电探测器的两维红外成像装采用电子扫描入式热电探测器的两维红外成像装置置。采用电子束扫描或电荷耦合器件搞描方式。采用电子束扫描或电荷耦合器件搞描方式。采用热电探测器，不需液氮、氩气或电致冷等。采用热电探测器，不需液
26、氮、氩气或电致冷等。可直接用电视显示、记录或重放等。可直接用电视显示、记录或重放等。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院32http:/(1)(1)红外无损检测在热加工中的应用红外无损检测在热加工中的应用点焊焊点质量的无损检测点焊焊点质量的无损检测铸模检测铸模检测压力容器衬套检测压力容器衬套检测焊接过程检测焊接过程检测轴承质量检测轴承质量检测4 4 红外无损检测技术的应用红外无损检测技术的应用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院33http:/(2)(2)电气设备的红外无损检测电气设备的红外无损检测(3)(3)红外泄漏检测红外泄漏检测(4)(4)红外元损检测的某些特殊应用红外元损检测的
27、某些特殊应用火车车轮轴承过热的测量火车车轮轴承过热的测量电子产品的红外无损检测电子产品的红外无损检测华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院34http:/在夜间，使用较久、已经破碎的在夜间，使用较久、已经破碎的道砟温度，通常比新铺设道砟的道砟温度，通常比新铺设道砟的温度低。这是由于，新铺道砟间温度低。这是由于，新铺道砟间的空隙比较大，其中的空气具有的空隙比较大，其中的空气具有隔热作用，可阻止白天获得的热隔热作用，可阻止白天获得的热量散发出去；而已破碎、陈旧道量散发出去；而已破碎、陈旧道砟间的空隙比较小，无法保持更砟间的空隙比较小，无法保持更多热量，所以，温度自然要比新多热量，所以，温度自然要
28、比新道砟低。根据这一特点，只要将道砟低。根据这一特点，只要将这种红外相机安装到列车底部，这种红外相机安装到列车底部，列车在夜间运行时，就可对路轨列车在夜间运行时，就可对路轨状况持续进行监测，帮助人们及状况持续进行监测，帮助人们及时发现问题，清除隐患。时发现问题，清除隐患。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院35http:/压力容器弹性应力红外检测压力容器弹性应力红外检测 小型容器压力实验装置小型容器压力实验装置 打压过程产生冷打压过程产生冷发射，卸压则温发射，卸压则温度回升度回升 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院36http:/液氯钢瓶纵焊缝上人工液氯钢瓶纵焊缝上人工制造裂纹（通过磁粉检制造裂纹（通过磁粉检测显示）测显示）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院37http:/液化气钢瓶环焊缝上液化气钢瓶环焊缝上人工制造裂纹（通过人工制造裂纹（通过磁粉检测显示）磁粉检测显示）
