应用案例
PAC声发射系统用于研究岩样在外部压力条件下直至破坏的过程中产生的声发射信号规律
发布时间:2020-01-14
一、声发射系统概念
 
       无损检测方法之一。
       材料中局部区域应力集中,快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission,简称AE) ,有时也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展,是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源,被称为声发射源。流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源,被称为其它或二次声发射源。 利用这种“应力波发射”进行的无损检测,具有其他无损检测方法无法替代的效果。
 
二、声发射的历史及发展
 
自然现象
 
       声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象,尽管无法考证人们何时首次听到声发射,但诸如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象,因为纯锡在塑性形变期间机械孪晶产生可听得到的声发射,而铜和锡的冶炼可追溯到公元前3700年。
 
历史记录
 
       二十世纪五十年代末,美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起,而且还得到一个重要的结论,即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作,首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具,并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。
       第一阶段,1965年,美国Dunegan推出了首台商业化的声发射仪,一直到1983年基本都是纯模拟技术实现的声发射仪,也是第一代声发射仪;
       第二代声发射仪,1983~1994年,美国PAC的SPARTAN-AT开始引入微处理器,并将声发射系统模块化,部分数字化;
       第三代声发射仪,1994~2003年,美国DW、美国PAC和德国Vallen将声发射仪全面数字化,声发射传感器接收到的信号经过放大器放大之后直接经AD变换器专为数字信号,然后用数字电路硬件提取特征参数,并按照PDT、HDT、HLT等时间常数来提取声发射波形;
       第四代声发射仪,2003~2015年,美国PAC将18bit的高速ADC引入PCI总线声发射卡,开启了18bit的高精度采集,除了特征参数和波形外,还启用了包含全部原始信息的波形流功能。在此期间,USB接口的声发射仪也开始出现,并逐步从USB2.0发展到USB3.0,总线传输速度也从40MB提高到400MB;
       第五代声发射仪,2015至今,美国PAC公司推出了PCIE总线的声发射卡,单卡8通道,每通道18bit30M采样,频率带宽高达1kHz~5MHz,且采用PCIE x8倍速传输,板卡传输带宽高达3GB/s,第四代声发射仪存在的传输瓶颈得到解决。除了声发射特征参数和波形的硬件实时提取之外,波形流功能也得以不受带宽限制的全速采集和实时传输。同时,适合分布式检测的千兆网接口的网络声发射仪开始出现,并将逐步向光纤传输发展,实现远距离的分布式声发射检测。

从频率上来划分:
 
       第一个阶段,Dunegan等人把声发射的实验频率提高到100kHz-1MHz;
       第二阶段,声发射仪器的信号带宽提高到100kHz~1.2MHz;
       第三阶段,声发射仪器的信号带宽拓宽到1kHz~2MHz;
       第四阶段,声发射仪器的信号带宽提高到1kHz~3MHz;
       第五阶段,声发射仪器的信号带宽提高到1kHz~5MHz;
       随着PCIE总线技术和高速ADC的发展,未来可能还会出现10MHz信号频率甚至更高频率的声发射仪。其实,早在1989年10月,日本富士陶瓷公司就生产出了10MHz的标准声发射传感器(型号REF10M)。

从信号获取及分析的方式来看:
 
       第一个阶段,声发射仪采用的是纯模拟的技术;
       第二阶段,微处理器被引入到声发射仪中,开始形成模拟和数字电路混合的仪器,信号分析主要是对特征参数进行分析;
       第三阶段,声发射仪在信号放大进入ADC之后全面数字化,除了特征参数外,还出现了声发射波形的分析手段;
       第四阶段,声发射仪器开始PCI及USB总线化,ADC的采样精度和采样率得以大幅提高,除了特征参数和波形外,还存储了包含全部原始信息的波形流信号。仅仅是由于总线带宽限制而无法获得多通道的全部波形流文件;
       第五阶段,声发射仪开始使用PCIE总线,第四代仪器存在的总线带宽瓶颈被打破,除了特征参数和声发射波形外,原始的波形流文件也得以全部实时传输与保存。
       声发射仪作为一种典型的虚拟仪器,随着计算机总线技术的发展而提高也是必然的趋势。
三、声发射的基本原理
 
       声发射检测的原理如下图所示,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换为电信号,然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号,在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化,如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。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。

 

 

 
 
 
四、美国PAC物理声学公司及Express8产品介绍
 
美国物理声学公司(PAC)介绍
 
       美国物理声学公司(PAC)隶属于Mistras集团公司,美国物理声学公司(PAC)始创于1978年,它的创立者是来自于Bell实验室的科学家Sotirios J. Vahaviolos博士。作为一家高科技公司,PAC公司依靠声发射领域众多卓越的人才和不断创新的技术而使公司得以迅速发展和壮大,且于1985年兼并了当时世界上最著名的声发射技术公司──美国Dunegan公司(成立于1968年),而使PAC公司成为世界上最大的声发射技术研发公司和公认的世界声发射技术的领导者。也正是由于PAC公司在声发射领域的一次次技术突破和创新,使声发射技术渐渐走出实验室而不断进入一个又一个工程应用领域,成功的解决了一个又一个工程问题, 并带领声发射技术向更深、更高和更实用的方向发展。
 
       PAC及其发展成的Mistras集团公司现全球员工超过5000人,并于2009年在纽约证交所上市。成为集NDT设备、技术、服务、培训及标准等多元化的全球最大的无损检测公司之一。
 
       目前,PAC公司的声发射产品和技术服务占全球市场份额的85%以上。
 
       PAC公司在声发射领域的巨大成就得益于该公司卓越的人才队伍,PAC公司汇聚了一大批世界一流的声发射研究和应用专家,其中包括多位具有博士、硕士学位的专家,许多专家在多个重要的学术组织和机构担任重要职务,如:PAC公司总裁Sotirios J. Vahaviolos博士曾经担任美国无损检测学会主席;负责PAC培训工作的Pollock博士是美国无损检测学会教育和资格委员会主任及国家认证工作组的重要成员。在声发射技术方面,PAC公司拥有全世界该领域中技术专利数十项,并发表了数百篇学术论文。
 
Express8产品介绍
 
       Express8是PAC公司最新研发的基于PCI-Express总线的声发射采集卡。采用全新的Express总线技术,远高于PCI、VMI及USB总线处理速度。一块卡上8个通道,但是尺寸只有PCI-8卡的一半,板卡更短更结实,可靠性更高。同PCI-2卡一样,具有波形流功能,适合研究与各类现场应用。
 
       每一块Express卡具有8个声发射通道;
       尺寸更小,板卡尺寸:16.5cmX10.7cmX1.8cm
       重量更轻:只有0.1KG
       每通道4个高通,3个低通模拟滤波器;
       超过500个自由组合数字滤波器;
       16位A/D精度,10MHz采样率;
       8个外参数通道;
       实时/同步声发射特征抽取及波形采集/分析
       不受板卡内存限制的连续波形流采集
       报警输出
       8个数字输入,8个数字输出口
       支持5V,28V放大器
       支持示波器模式(无前放信号直接输入)
       方便使用的SMB连接头
       1KHz-1.2MHz的带宽;
       支持本公司所有放大器类型,包括26dB和40dB放大器及前方一体化传感器;
       搭配两种全新主机:32通道机96通道主机;
       不同主机间可通过扩展接口实现实时同步;
       可提供Labview/C++驱动开发程序。
五、武汉科技大学试验背景
 
       武汉科技大学资源与环境工程学院涵盖矿业工程、安全科学与工程、环境科学与工程、地理学四个一级学科。矿业工程学科入选湖北省“双一流”国内一流学科建设。学院学科设置具有明显交叉优势,在特色钒资源高效提取与深加工、矿物深加工及精细加工、深部地下金属矿山开采及灾害防控、矿山安全与灾害防治、矿冶过程工艺减排及资源再生利用、工业烟气污染控制、矿冶生态环境修复理论与技术、矿冶废水处理与资源化等方面的理论研究与工程应用具有鲜明特色。
 
       此次采购PAC声发射系统是为了研究岩样在外部压力条件下直至破坏的过程中产生的声发射信号的规律,模拟矿山压力条件下的声发射过程。利用声发射对矿山开采过程进行连续监测,发现危险信号并及时预警,减少矿难灾害的发生。对矿业工程及矿山生产作业有积极的指导意义。
 
 
六、系统的构成

 
       本套系统包括:
       Express8 8通道数字化PCIE总线声发射处理卡一套
       8通道微型工控机一套
       Nano-30 300Hz传感器8个
       前置放大器4个
       AEwin 8通道基本采集分析软件一套
       AEwin 3D分析软件一套
       线缆若干
 
七、测试过程
 
   
  
       传感器粘贴完毕,准备就绪,试样尺寸50×100mm

   

正在测试中
  
试样被破坏                                                                   测试结果
 
             

   
       数据现场分析讲解
 
八、结论
 
       从图中可看出声发射软件定位结果和混凝土样实际破坏方式和位置较吻合。
 
九、岩石混凝土用户配置推荐
 
       8chs Express-8 System  8通道Express-8声发射系统

Item Model Description Qty
    8chs Express-8 System  8通道Express-8声发射系统  
1 Express-8 8通道PCI-Express总线声发射处理卡,可以插入任何标准的现代PC机中构成8通道倍数的声发射系统。16位A/D,1KHz-1000KHz频率范围。硬件(FPGA-DSP)实现的实时声发射特征参数采集/分析、波形采集/分析同步实现。 1
2 AE-win for Express-8 8CH WINDOWS环境下8通道基本采集/分析软件包.
增强的交互式图形界面,用于实时声发射信号采集/分析
1
3 AEWIN 3D-LOC 三维定位模块 1
4 Nano30 谐振频率为300KHz传感器 8
5 2/4/6 preamp 前置放大器,有20/40/60db三种放大倍数可选 8
6 工控机 声发射工控机,接键盘、鼠标、显示器 1
7 P-Case 现场运输箱 1
8 1234-10 10米长信号线,连接采集卡和前置放大器 8
9 SMB/BNC-0.3 0.3m转接线 8
 
       具体配置需求可咨询欧美大地各办事处销售人员。
 
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