© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 辽宁大学学报 自然科学版第25卷 第1期 1998年
JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY
NaturalSciencesEdition
Vol.25 No.1 1998
声发射源定位的测试方法时书丽(辽宁大学电子科学与工程系,沈阳110036)
摘 要 本文作者介绍了声发射源定位的测试方法,推导了时差测量公式,设计
了时差测量电路,总结了多通道声发射测试仪的时差测量的方法.
关键词 声发射;声发射源;源定位;时差测量.
0 引言声发射,顾名思义就是物体发出声音的意思,它是一种常见的物理现象.例如,用力弯曲一根细竹棍儿,开始时听不到声音,随着施力的增加,就会听到噼噼啪啪的声音,这个回声就是声发射.如果再继续增加弯曲力,就会使竹棍儿在某处断裂,这个断裂处就是声发射源.这是我们亲眼所见、亲耳听到的现象.如果给一个大型构件施加压力,使其内部某处产生裂纹,而且发出声波.但是,人的眼睛看不到裂纹处,人的耳朵听不到裂纹声,这就要借助高灵敏度的声发射测试仪器去检测.
声发射检测法依据的基本原理,就是给检测对象施加压力或其它外部条件(如温度等),使检测对象中的缺陷或潜在缺陷自动发声,根据接收到来自缺陷的应力波推测缺陷的位置和大小.声发射技术的发展十分重视声发射源的研究,发展声发射源定位的技术和评价被测物体缺陷的有害度.源定位就是利用声发射信号的特点找出缺陷所在的位置,这是声发射检测的重要内容.为此,我们研制了双通道、四通道声发射信息分析测试系统,本文就其中源定位功能做以介绍.
1 声发射源的测定确定声源的位置就要使用多通道声发射仪,每个传感器对应一个通道,传感器的任务就是把声波信号转换成电信号.利用两个以上的通道,将传感器按一定方式配置构成阵列,利用声源发出的声波到达几个传感器的时间差确定声发射源的位置.
下面利用两个传感器组成线阵列,测定两传感器连线范围内的物体缺陷所在的位置,
如图1中的(a)所示.在一个棒状物体两端B、C两点上各放置一个传感器T1、T
2
,它们的
本文1997年8月28日收到© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
距离为S,当此棒受力时,棒上A点在时刻t0发出声发射波,此波以速度V沿棒向B、C
图1 时差图两点传播,因此,T1和T2分别在时间t1和t
2
接收到此声波,如图1中的(b)、(c)所示.从
而在后面的事件形成单元里得到了和它们相对应的事件信号:SJB、SJC,如图1中的(d)、
(e)所示.显然,A点是声发射源
.
如果测出时间差∃t,就可以求出从A点到B(或C)点的距离.从图1中的(a)
可以知
道
t1-t0=ABV=S-ACV(1
)
t2-t0=
AC
V(2)
由(2)式减去(1)式,可以得到∃t=
2AC-SV=S-2AB
V(3)
由(3)式改写可以得到AC=12(S+V∃t)(4)
AB=12(S-V∃t)(5) 在上面的推导过程中,因为V和S都是确定值,所以,测出了∃t,就可以确定出声发射源的位置.
用三个以上的传感器组成平面阵列,测定声发射源位置.如果某一板状构件中有一裂纹产生了,在它的周围任意布置了三个传感器,如图2中的(a)
所示.裂纹以弹性波的形式
图2 多个传感器平面分布图释放出能量,那么弹性波的波前相当于一个圆向外传播,首先到达1号传感器,依次到达2、3传感器设∃t12为1、2传感器收到信号的时间差,∃t13为1、3传感器也收到此信号的时间差,如果以2号传感器为圆心,以∃t12・V为半径,则可以画出一个圆;如果再以3号传
34作者:时书丽 声发射源定位的测试方法© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net感器为圆心,以∃t13・V为半径,则可以再画出一个圆;如果再做第三个圆,使其与前面的两个圆相切,并经过1号传感器,那么第三个圆的圆心O点就是声发射源位置.
四个传感器可以构成不同的面阵列,如图2所示,其中(b)图中的A、B和C、D是两
组互相独立的线阵列,A、B传感器测得的一组时差表明声源位于A’B’双曲线上,C、D传感器测得的一组时差表明声源位于C’D’双曲线上,A’B’和C’D’两条双曲线的交点即为声源的平面位置.在图(d)和(e)
中,利用声源与传感器的相对位置,可以推导出计算声
源位置的方程式,再利用传感器得到的两组或三组时差,就可直接计算出声源位置.
2 测量时差的方法确定声源位置的参量是时差∃t,那么怎样才能测出∃t的值呢?可以这样来考虑,有
图3 时差测量电原理图及波形图
44辽宁大学学报 自然科学版 1998年 第1期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net一个初始值为零的计数器,当第一个信号到来时,它开始计数,当第二个事件到来时,它停止计数.如果计数器输入的时钟周期为单位时间(Λs),即CP=1Λs个,计数的值为K,则
∃t=K・CP(Λs)
.
时差测量电原理图如图3中的(a)所示,A代号表示门电路,B代号表示JK触发器,
均采用IC双列直插组件.A1～A3、A16、A18为片74LSOO;A7、A10、A19、A20为1片74LSO4;
A4～A6、A8、A9、A11～A15、A17为4片74LS10;B1～B4为2片74LS76.图中SJ0
为0通道
接收的声发射信号,SJ1为1通道接收的同一声发射信号.SQ为时差单元清零按钮,
ZQ
为仪器的总清按钮,按钮按下为“0”电平,弹起为“1”电平.xh0是最先收到声发射信号通道的标志,xh0=“0”表示SJ0先送入0通道,xh0=“1”表示SJ1先到达1通道.JQ为时差计数输出端.
电路工作过程如下:加载开始前,(1)手动按下SQ或ZQ,门电路自动控制使xh
0
=
“0”,门A14输出“0”,导致Q
—
2=“1”,Q3=“1”,Q4=“1”,即系统清零,门A3“0”→“1”.(2)手
松开后,清零按钮弹起,则门电路控制使A14输出“1”,导致B2、B3、B4进入准备工作状态.
当0通道收到SJ0后,Q2从“0”→“1”,B1开始计数,当1通道收到SJ1后,Q2从“1”→“0”,B1停止计数,计数个数为K.CP=1Λs,因为SJ0和SJ1是同一个声发射信号到达不同通道的标志,所以它们传输的时差∃t=K・CP=K(Λs)
,至此整个电路都“锁定”了,
只有清零才能重新工作,测量下一个声发射信号的时差,这个清零信号由门A3自动控制给出.
延时电路的设计是为打印机服务的,一般情况下,打印机打印速度较慢,延时Σ秒可以在打印过程中使数据保持稳定,以防止打错码,打印结束后再清零,保证打印机可靠工作.
假定由四个传感器构成一个阵列,则电路中要设计出三套时差设计电路,当声发射信号第1到达某个通道时,每个时差计数器都开始计数,当此信号第2到达另一通道时,第1个计数器停止计数,测得时差为∃t1;当此信号第3到达另外两个通道中的一个时,第2个计数器停止计数,测得时差∃t2;当此信号第4到达最后一个通道时,第3个计数器停止计数,测得时差为∃t3,如图3中的(b)
所示
.
根据∃t1、∃t2、∃t3的数值,按阵列中传感器的排列方式和相应的数学关系,通过计算机处理数据,将声发射源定位显示在屏幕上.
在实验室测试某钢板的声发射源,用一块边长为1m、厚度为3～5mm的钢板,传感器分别布置为线定位和方形面定位,把模拟源(模拟实际声发射信号的探针)置于检测区域内,则在屏幕上显示出声发射源的位置.一维线定位声发射源如图4
(
a)
所示,正方形面定
位声发射源如图4
(
b)
所示
.
3 结束语声发射源定位测试是多通道声发射检测系统的重要组成部分之一,十多年来,在无损探伤应用领域中,它起到了很大的作用.随着电子技术的飞跃发展,声发射源定位技术一
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