用埋入式光纤传感器探测建筑结构中的声发射

声发射技术已经应用于金属和混凝土结构中,作为探测内部裂缝的一种无损检测方法。目前用的技术都是由压电换能器来采集声发射信号。讨论了基于用光纤技术的声发射传感器的开发和测量方法。它是用埋入式光纤传感器来监测类似桥梁、高速公路、隧道和房屋建筑等混凝土结构中的开裂信号。     

声发射特性与材料断裂韧性相关性研究

以高强度铝合金的断裂过程为研究对象，利用先进的声发射试验系统，考察了拉伸试样和带有预制疲劳裂纹的DCB试样在断裂时的声发射事件特性，揭示了材料断裂韧性和声发射特性 间的关系.试验结果表明，材料稳态裂纹扩展起始于K_1C并发射出许多幅值超过 阈值35 dB的信号，材料裂纹失稳扩展时爆发出强烈的声发射信号，材料断裂的累积声发射能与宏 观断裂能呈线性关系. 关键词： 声发射 断裂韧性 铝合金     

一种光纤F-P声发射传感器的设计与实现

为克服压电陶瓷传感器易受电磁干扰、不能实现长期实时检测的缺点,提出了光纤非本征F-P结构测量声发射信号的思想.对光纤非本征F-P腔声发射测量原理进行分析,提出了双波长的稳定方法,并进行了结构参量的优化设计,确定了合适的反射比、波长及F-P腔长.理论分析和实验结果表明：所设计的非本征F-P光纤声发射传感器具有良好的敏感性和高分辨率.     

一种用于变压器局部放电在线监测的光纤声发射传感器实验研究

提出了一种光纤声发射传感器并构建传感系统实现变压器局部放电在线监测,利用传感光栅体积小,重量轻,灵敏度高和抗电磁干扰的特点,将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量。研究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理,声发射信号引起传感光栅反射光谱发生漂移,导致特定频点处反射光强发生变化,通过反射光强的变化实现声发射信号的测量。构建声发射传感系统实验模型并提出了一种系统性能优化策略,使系统工作在传感光栅反射光谱上升或下降沿的半峰值频点处,从而保障传感系统具有良好的线性输出特性;研究传感系统工作点稳定技术,设计信号反馈回路自动跟踪反射光谱的漂移,保证系统稳定工作在传感光栅半峰值频点处,消除温度变化对传感系统测量精度的影响。将封装好的传感器用于变压器局部放电现场检测,结果表明,光纤光栅声发射传感器与压电传感器相比具有灵敏度高、动态范围宽等优点,可以实现变压器局部放电在线监测。     

基于光纤耦合器的声发射传感器

为检测变压器内局部放电产生的声发射信号,介绍了一种基于特殊光纤熔融拉锥耦合器型声发射传感器。它是利用声波引起的扰动改变耦合器两臂光功率输出的特点来检测声发射信号。实验结果表明：此种传感器在10kHz～250kHz范围内对声发射信号有良好响应,在155kHz灵敏度为5.6×10^-6V/Pa,噪声为1.8Pa声压,有望在复合材料与结构、电力无损检测方面得到应用。     

光纤光栅法布里-珀罗传感器频分复用技术

理论分析了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)传感器频分复用技术的原理,并给出了信号处理对腔长选取的要求。数值模拟结果表明,不同腔长的传感器具有不同的谐振条纹频率,为保证频域中的信号不发生重叠,要求不同光纤光栅法布里-珀罗传感器间的腔长之差必须大于光纤光栅的长度。进一步的实验及模拟分析结果发现,温度等待测量的变化仅仅使光纤光栅法布里-珀罗传感器的反射光谱整体平移,相应的频域信号只产生相移而形状不发生变化,因而不能采用普通光纤法布里-珀罗(FFP)传感器的腔长傅里叶变换解调法解调频分复用光纤光栅法布里-珀罗传感器的信号。根据这一特点,提出了利用自相关分析实现频分复用传感器系统信号解调的方案。     

铝与钢摩擦时声发射参数与正压强之间的关系

材料不同,声发射信号的特点不同。为了提高声发射技术在监测摩擦过程中的应用水平,研究不同材料的声发射信号的特点是必要的。本文研究了铝与45钢摩擦时产生的声发射信号的特点,实验研究结果表明:在铝与45钢的摩擦过程中,相对运动速度对于正压力与声发射信号之间的关系有较大的影响;低速下,正压力与声发射信号之间无规律可言;高速下,随着正压力的增加,声发射信号各参数是增加的。     

混凝土材料声发射信号的频率特征及其与强度参量的相关性试验研究

混凝土材料声发射信号频率特征与强度指标的关系是混凝土材料声发射检测技术的重要基础。通过实验,对声发射信号频率特征与混凝土强度指标的相关关系进行了探讨。研究结果表明,在较低的应力水平上,不同强度等级混凝土声发射信号大都是低频信号。而在较高应力水平时,随着强度等级的增加,声发射信号的优势频率则逐渐升高。     

基于M-Z干涉仪原理的光纤超声检测

提出了一种基于M_Z(Mach_Zehnder)干涉仪原理的光纤超声检测技术和U形结构的光纤传感器。讨论了光纤传感器与超声波之间的相互作用关系。对传感器的灵敏度与传感光纤的有效长度、U形结构的个数之间的关系进行了理论分析,实验结果和理论分析结果是一致的。通过比较超声波在三种不同入射方式下探测器的输出电压可知,该结构的光纤传感器在声信号垂直入射时由探测器探测到的信号最强,即传感器有很强的方向性,适合于对声表面波的定向检测。     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

Analysis of acoustic emission signals originating from bainite and martensite formation

In this paper the characteristics of acoustic signals generated during bainite and martensite formation are studied. The results are discussed in a semi-quantitative manner, since a thorough quantitative analysis of the signals is not feasible because of the limited frequency bandwidth of the system and the effect of internal sample reflections on the signal. The frequency spectra of acoustic emission signals are interpreted using a dislocation source model adopted from acoustic emission studies of plastic deformation. It is assumed that the predominant source of acoustic emission (AE) during displacive transformations is the movement of dislocations, i.e. the slip taking place during growth in order to relieve internal stresses. The results show that the mean frequency of AE signals generated during bainite formation is significantly larger than that of martensitic AE signals. This difference in the spectral density of the AE signals can be attributed to the difference in interface motion of the two transformations, and the consequent different behaviour of the dislocations involved.     

Q235钢板局部腐蚀声发射信号特性研究

为解决腐蚀声发射源特征提取和识别的难题,直接从理论上证明了腐蚀声发射监测的有效性并推导出声发射信号特征。气泡破裂声发射信号幅值近似与气泡半径平方和液位高度成正比,频率与气泡半径成反比;钢板及其腐蚀产物开裂声发射信号幅值与开裂位置局部应力强度成正比,频率与裂纹扩展速度成正比,与裂纹扩展距离成反比。用低频和高频两套声发射系统,同时长时间监测Q235钢板在10%FeCl₃·6H₂O、10%FeCl₃·6H₂O加0.01 mol/L HCl混合液、5%CuSO₄·5H₂O溶液中的腐蚀情况,辅以监测钢板及钢板腐蚀产物开裂作为验证实验。通过对声发射信号的参数及谱分析,得出不同声发射源可以通过撞击数及功率谱在频域的分布来有效区分。实验结果与理论分析相吻合,研究结果对腐蚀声发射监测技术具有重要指导意义。      

超高速撞击声发射信号在载人航天器加筋结构的传播特性实验研究

为研究超高速撞击声发射信号经过载人航天器加筋结构后的传播规律,分别在平板结构和加筋结构上模拟高速撞击实验,利用传感器阵列采集高速撞击产生的声发射信号。结合小波和傅里叶分析方法从板波模态、频域以及时域三方面分析加筋结构对声发射信号传播特性的影响,并研究成坑和穿孔损伤模式下声发射信号的传播规律。结果表明:加筋板中的信号高频部分比平板中高频部分能量少,筋体对信号高频部分有滤波效果。加筋结构受高速撞击产生穿孔损伤时,S0模态声波的能量增多。研究成果可为载人航天器结构的高速撞击感知与定位技术提供有利参考。      

声发射衰减特性管道泄漏定位方法

声发射技术具有灵敏度高、实时性强、覆盖范围大等优点.泄漏产生的声发射波沿管壁传播会发生衰减,通过研究衰减系数与金属晶粒散射和热流损失的关系,建立准确的声发射能量衰减模型.在此基础上,针对声发射频带宽的特点对传统衰减定位模型进行改进,提出宽频带声发射源定位模型,该方法先通过实验确定泄漏信号频带,再将滤波后的信号经过小波包...     

不同浓度的尾砂胶结充填体破坏过程 声发射特性试验研究*

制备了3种不同质量浓度的充填体试件，进行了单轴压缩声发射试验，分析了不同浓度的充填体力学特性，重点研究了试件破坏过程中的声发射振铃计数、声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值(r值)、主频及其相对高频信号激增响应系数特征。研究表明：随着浓度的增加，充填体的峰值强度与弹性模量呈增大趋势，充填体中出现的声发射累计振铃计数越多；r值先升高再持续减小到一个较低值，随着外载荷的增加，进入缓慢升高阶段，峰值前均保持在该阶段。充填体破裂前兆信息在声发射信号主频分布中呈现主频段增多现象，表现为由加载初期的1~2个主频段，在临界主破裂时增多到3~5个主频段；且随着浓度的增加，声发射信号主频频段分布越宽，声发射相对高频信号(160~180 kHz)的激增响应系数呈递减趋势。以上特征可为不同浓度的尾砂胶结充填体稳定性监测、预测提供依据。     

动态应变场下相移光栅光谱特性及实验研究

光纤传感技术以其抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。针对光纤光栅声发射监测系统,目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性,基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件,重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。首先利用传输矩阵理论,建立PS-FBG的动态应变传感模型,利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。通过数值仿真,详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、采样时刻、衰减系数、声发射频率及波长的响应特性。结果表明,PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化,具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移,而带宽变化不明显;随着动态应变场幅值越大,PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多,透射窗口所对波长漂移很小;一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大;而当声发射波长为0.1～2 L时,对PS-FBG光谱产生较大影响,此时光谱畸变较严重,在此范围外,光谱形状不发生明显变化。最后,搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台,分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性,实验结果与仿真结果较好吻合。表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同,呈现一定规律性,该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。     

Some aspects of AE application in tool condition monitoring

Acoustic emission (AE) is rather a well-known form of non-destructive testing. In the last few years the technology of the AE measurement has been expanded to cover the area of tool condition monitoring. The paper presents some experience of Warsaw University of Technology (WUT) in such applications of AE. It provides an interpretation of common AE signal distortions and possible solutions to avoid them. Furthermore, a characteristic study of several different AE and ultrasonic sensors being used in WUT is furnished. Evaluation of the applicability of some basic measures of acoustic emission for tool condition monitoring is also presented in the paper. Finally paper presents a method of the catastrophic tool failure detection in turning, which uses symptoms other than the direct magnitude AERMS signal. The method is based on the statistical analysis of the distributions of the AERMS signal.