CN202735302U - 金属材料的电磁声发射无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置，涉及利用声波发射技术测试金属材料，是基于脉冲大电流直接加载的方式，实现金属材料裂纹型缺陷无损探伤的装置，包括脉冲大电流发生器、四个压电换能器、前置放大器和PC机，脉冲大电流发生器的高压电容C的两根电极引出导线分别用塑料夹持器将其固定于待测金属材料的两端，再将四个压电换能器按菱形的四个顶点位置安放于该待测金属材料上，压电换能器通过信号线连接到前置放大器，前置放大器用导线连接到PC机。本实用新型装置克服了现有技术在金属材料检测过程中会对待测金属材料结构造成二次损伤的缺点，扩大了声发射技术应用范围和提高其识别效率，适于工业应用。

Description

金属材料的电磁声发射无损检测装置

技术领域

本实用新型的技术方案涉及利用声波发射技术测试金属材料，具体地说是金属材料的电磁声发射无损检测装置。 

背景技术

随着现代装备制造业的迅速发展，不断地提高金属构件及装备的承载应力水平，金属构件及装备的断裂失效事故则经常发生。对于航天、电力、化工、航海以及核能等重要工业领域，金属构件及装备的断裂失效事故往往会带来不可估量的严重后果。传统的设备维护方法需要对金属构件及装备做定期的停产检修，具有盲目性，给生产带来很多不便。为了预防金属构件及装备的断裂失效事故的产生，要求尽早发现金属构件及装备中的危险裂纹，声发射技术以其高灵敏性和动态监测特性成为金属构件及装备中的危险裂纹的重要检测方法。 

CN2270974公开了声发射检测仪，是基于声发射技术对动载条件下金属材料的损伤进行检测；CN200610021636.X披露了利用声发射对承载设备的动态缺陷进行检测；CN101458158报道了基于声发射检测的汽轮机滑动轴承故障诊断方法及其装置，用于对汽轮机滑动轴承故障进行检测与诊断。上述声发射检测方法虽可实现对金属材料的动态损伤进行检测，但其缺点主要有二：首先，检测条件苛刻，必须对被测金属施加整体机械载荷，缺陷处于活动状态时才能激发出声发射现象，进而实现检测；其次，在外加机械载荷的作用下，金属材料容易出现额外的附加损伤，使得检测过程对被测结构造成二次损伤。这些方法和装置极大地限制了声发射检测技术的应用范围，不适于实际的工业应用。 

在保持声发射技术检测方法的优点的前提下，如何扩大其应用范围和提高其识别效率，以适于实际的工业应用，成为声发射技术一个重要发展方向。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供金属材料的电磁声发射无损检测装置，是基于脉冲大电流直接加载的方式，实现金属材料裂纹型缺陷无损探伤的装置，克服了现有技术在金属材料检测过程中会对待检测金属材料结构造成二次损伤的缺点，扩大了声发射技术应用范围和提高其识别效率，并适于实际的工业应用。 

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：金属材料的电磁声发射无损检测装置，是基于脉冲大电流直接加载的方式，实现金属材料裂纹型缺陷无损探伤的装置，包括脉冲大电流发生器、四个压电换能器S₁、S₂、S₃、S₄、前置放大器和PC机，所述脉冲大电流发生器由交流调压模块K₁、整流桥K₂、带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃、高压 电容C、滤波电容C₁、续流二极管D、待检测金属材料自身电阻R、限流电阻R₁、检测电阻R_S和可调电位器R₂按下述电路连接构成：交流调压模块K₁分别与电位器R₂、整流桥K₂的输入相连接，整流桥K₂输出经由滤波电容C₁之后，通过限流电阻R₁连接继电器K₃的常闭触点再与高压电容C的一端相连，继电器K₃的常开触点与续流二极管D的输出端及检测电阻R_S连接，待检测金属材料自身电阻R与检测电阻R_S相串联，待检测金属材料自身电阻R的另一端连接高压电容C的另一端，滤波电容C₁的一端与限流电阻R₁和整流桥K₂输出一端共点连接，滤波电容C₁的另一端与整流桥K₂输出另一端、高压电容C所述另一端、续流二极管D的另一端和待检测金属材料自身电阻R的另一端共点连接；从脉冲大电流发生器的高压电容C的两根电极引出导线分别用塑料夹持器将其固定于待检测金属材料的两端，再将四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄分别按菱形的四个顶点位置安放于该待检测金属材料上，四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄分别通过信号线连接到前置放大器，前置放大器用导线连接到PC机。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置，所述脉冲大电流发生器中所用的交流调压模块K₁的型号为全隔离单相交流调压模块DTY-H220D15，整流桥K₂的型号为KBPC5010，带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃是转换型电磁继电器JQX-13F，高压电容C的额定电压为500V和容量为2200uF，滤波电容C₁的额定电压为450V和容量为470uF，续流二极管D的型号为DSEK2006，待检测金属材料自身电阻R的电阻值近似为零，限流电阻R₁的电阻值为100欧姆，检测电阻R_S电阻值为3.75毫欧姆，可调电位器R₂最大电阻值为5000欧姆。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置，所述高压电容C的两根电极引出导线是1.5平方毫米的铜导线。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置，所述四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄是商购的，型号同为R15a。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置，所述前置放大器是商购的，由美国PAC公司生产，型号为2/4/6。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置的应用于金属材料的电磁声发射无损检测的方法的步骤如下：从脉冲大电流发生器的高压电容的两根电极引出导线分别用塑料夹持器将其固定于待检测金属材料的两端，再将四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄按菱形的四个顶点位置安放于该待检测金属材料上，每个压电换能器分别通过信号线连接到前置放大器，前置放大器再用导线连接到PC机；将脉冲大电流发生器接通220v的交流电并产生脉冲大电流，该脉冲大电流被加载到待检测金属材料上，若待检测金属材料存在裂纹型缺陷，会被激发出声发射信号，该声发射信号被四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄检测并通过信号线输入前置放大器，由该前置放大器放大声发射信号并输入PC机，该PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，从而定位检测出该待检测金属材料存在的裂纹型缺陷。 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置的应用于金属材料的电磁声发射无损检测的方法中，所用的脉冲大电流的峰值电流在800～3000安培，脉冲宽度为150～300微秒； 

上述金属材料的电磁声发射无损检测装置的应用于金属材料的电磁声发射无损检测的方法中，所述PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，其计算步骤是：PC机根据输入的待检测金属材料发出的声发射声波的波速V，又根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算出压电换能器S₁的探头和压电换能器S₂的探头间距为a，压电换能器S₃的探头和压电换能器S₄的探头的间距为b，再根据四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄采集到的声发射信号先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集到声发射信号的时差Δt₁，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集到声发射信号的时差Δt₂，进而根据下面的时差定位计算公式（1）和（2）得到声发射源，即裂纹尖端位置的坐标： 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{1}V}{2a}[\mathrm{\Δ}{t}_{1}V+2\sqrt{{(x-a/2)}^2+y^2}]---\left(1\right)\\ y=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{2}V}{2b}[\mathrm{\Δ}{t}_{2}V+2\sqrt{{(y-b/2)}^2+x^2}]---\left(2\right)\end{array}\right..$

本实用新型的有益效果是：本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置的突出的实质性特点是，本实用新型装置在金属材料的电磁声发射无损检测应用中，将脉冲大电流加载到待检测金属材料上，受到待检测金属材料上的裂纹的影响，电流在裂纹尖端处形成明显的集中效应，导致裂尖附近电流密度急剧增大。在磁场的作用下，裂纹尖端处产生洛伦兹力，且洛仑兹力的方向使得裂纹两侧分别向外扩展，进而激发出声发射现象。利用压电传感器检测声发射信号并用PC机进行信号处理即可得到金属材料上裂纹信息，从而实现对金属材料裂纹型缺陷的无损检测。 

本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置在金属材料的电磁声发射无损检测应用中的显著进步是，①在待检测金属材料的静态和无外加机械载荷的作用下进行检测，对待检测金属材料的结构不造成二次损伤；②扩大了声发射检测方法的应用范围，不受待检测金属材料的类型和形状的限制；③本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置的操作简单，其组成部件结构简单和价格低廉。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1为本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置的构成示意框图。 

图2为本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置中的脉冲大电流发生器的电路原理图。 

图3为本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置在金属材料的电磁声发射无损检测应用中的操作流程示意框图。 

具体实施方式

图1所示实施例表明，本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置由脉冲大电流发生器、四个压电换能器、前置放大器和PC机构成。 

图2所示实施例表明，本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置中的脉冲大电流发生器的电路由交流调压模块K₁、整流桥K₂、带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃、高压电容C、滤波电容C₁、续流二极管D、待检测金属材料自身电阻R、限流电阻R₁、检测电阻R_S和可调电位器R₂按下述电路连接构成：交流调压模块K₁分别与电位器R₂、整流桥K₂的输入相连接，整流桥K₂输出经由滤波电容C₁之后，通过继电器K₃的常闭触点与高压电容C相连，继电器K₃的常开触点与续流二极管D的输出端及检测电阻R_S连接，待检测金属材料自身电阻R与检测电阻R_S相串联，待检测金属材料自身电阻R的另一端连接高压电容C。 

该脉冲大电流发生器采用交流调压的方式控制电容的最终放电电流幅值，电容充放电过程的切换由转换型继电器K₃实现，由型号为J-1812-A的12V直流电源提供的12V直流电控制其同时处于充电状态，或同时处于放电状态。高压电容C额定电压为500V，容量为2200uF，续流二极管D不仅可以保护放电电容器不受反压而损坏，同时也可以起到调节放电电流波形的作用。电阻R_S为检测电阻，用于测量放电电流。K₃为带有一个常闭和一个常开触点的继电器，当电容电压达到预定值后，K₃的常闭触点断开，K₃的常开触点闭合，高压电容C开始向待检测金属材料放电，形成一个脉冲大电流。放电结束，K₃的常开触点断开，K₃的常闭触点闭合，高压电容C充电，以备下一次放电实验。 

当高压电容C充电电压达到50V时，其放电电流峰值即可达到800A，将此电流通过1.5平方毫米的铜导线输入到金属板的两端，并采用塑料紧固件将导线固定于金属板上，以保证导线与金属板的可靠连接。将四个压电换能器按菱形的位置安放于被测金属板上，压电换能器通过信号线连接到前置放大器和PC机，根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位。 

图3所示实施例表明，本实用新型金属材料的电磁声发射无损检测装置在金属材料的电磁声发射无损检测应用中的操作流程是：将脉冲大电流被加载到待检测金属材料上，若待检测金属材料存在裂纹型缺陷，会被激发出声发射信号，检测该声发射信号，传送声发射信号，将检测到的声发射信号放大，输送放大的信号，进行数据采集与处理并得出结果。 

下列所有实施例中的金属材料的电磁声发射无损检测装置是用如上述图1和图2所述的部件和元器件所构成，其中所述脉冲大电流发生器中所用的交流调压模块K₁的型号为全隔离单相交流调压模块DTY-H220D15，整流桥K₂的型号为KBPC5010，带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃是转换型电磁继电器JQX-13F，高压电容C的额定电压为500V和容量为2200uF，滤波电容C₁的额定电压为450V和容量为470uF，续流二极管D的型号为DSEK2006，待检测金属材料自身电阻R的电阻值近似为零，限流电阻R₁的电阻值为100欧姆，检测电阻R_S电阻值为3.75毫欧姆，可调电位器R₂最大电阻值为5000欧姆。所述高压电容C的两根电极引出导线是1.5平方毫米的铜导线。所述四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄是商购的，型号同为R15a。所述前置放大器是商购的，由美国PAC公司生产，型号为2/4/6。该装置的安置和连接方法是：将脉冲大电流发生器的高压电容C的两根电极引出导线分别用塑料夹持器将其固定于待检测金属材料的两端，再将四个压电换能器S₁、 S₂、S₃和S₄分别按菱形的四个顶点位置安放于该待检测金属材料上，四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄分别通过信号线连接到前置放大器，该前置放大器用导线连接到PC机。 

实施例1 

开始检测时，将脉冲大电流发生器接通220v的交流电，当高压电容C充电电压达到50V时，其放电电流峰值即可达到800A，脉冲宽度为220微秒，将此脉冲大电流通过1.5平方毫米的铜导线输入加载到尺寸为500mm×115mm×15mm的待检测铝金属材料上，该待检测铝金属材料被激发出声发射信号，该信号被按菱形的位置安放于该待检测铝金属材料上的四个R15a型号的压电传感器检测，并通过信号线输入美国PAC公司型号为2/4/6的前置放大器，由该前置放大器放大声发射信号并输入PC机，该PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，其计算步骤是：PC机根据输入的待检测铝金属材料发出的声发射声波的波速V，又根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算出压电换能器S₁的探头和压电换能器S₂的探头间距为a，压电换能器S₃的探头和压电换能器S₄的探头的间距为b，再根据四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄采集到的声发射信号先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集到声发射信号的时差Δt₁，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集到声发射信号的时差Δt₂，进而根据下面的时差定位计算公式（1）和（2）得到声发射源，即裂纹尖端位置的坐标： 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{1}V}{2a}[\mathrm{\Δ}{t}_{1}V+2\sqrt{{(x-a/2)}^2+y^2}]---\left(1\right)\\ y=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{2}V}{2b}[\mathrm{\Δ}{t}_{2}V+2\sqrt{{(y-b/2)}^2+x^2}]---\left(2\right)\end{array}\right..$

最终定位检测出该待检测铝金属材料存在的裂纹型缺陷位置，定位误差为2mm。 

实施例2 

除开始检测时，将脉冲大电流发生器接通220v的交流电，当高压电容C充电电压达到50V时，其放电电流峰值即可达到1860A，脉冲宽度为250微秒，待检测金属材料为尺寸为500mm×115mm×15mm的合金钢金属材料之外，其他均同实施例1。 

最终定位检测出该待检测合金钢金属材料存在的裂纹型缺陷位置，定位误差为1mm。 

实施例3 

除开始检测时，将脉冲大电流发生器接通220v的交流电，当高压电容C充电电压达到50V时，其放电电流峰值即可达到3000A，脉冲宽度为300微秒，待检测金属材料为尺寸为500mm×115mm×15mm的合金钢金属材料之外，其他均同实施例1。 

最终定位检测出该待检测合金钢金属材料存在的裂纹型缺陷位置，定位误差为1mm。 

Claims (3)

1.金属材料的电磁声发射无损检测装置，其特征在于：是基于脉冲大电流直接加载的方式，实现金属材料裂纹型缺陷无损探伤的装置，包括脉冲大电流发生器、四个压电换能器S₁、S₂、S₃、S₄、前置放大器和PC机，所述脉冲大电流发生器由交流调压模块K₁、整流桥K₂、带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃、高压电容C、滤波电容C₁、续流二极管D、待检测金属材料自身电阻R、限流电阻R₁、检测电阻R_S和可调电位器R₂按下述电路连接构成：交流调压模块K₁分别与电位器R₂、整流桥K₂的输入相连接，整流桥K₂输出经由滤波电容C₁之后，通过限流电阻R₁连接继电器K₃的常闭触点再与高压电容C的一端相连，继电器K₃的常开触点与续流二极管D的输出端及检测电阻R_S连接，待检测金属材料自身电阻R与检测电阻R_S相串联，待检测金属材料自身电阻R的另一端连接高压电容C的另一端，滤波电容C₁的一端与限流电阻R₁和整流桥K₂输出一端共点连接，滤波电容C₁的另一端与整流桥K₂输出另一端、高压电容C所述另一端、续流二极管D的另一端和待检测金属材料自身电阻R的另一端共点连接；从脉冲大电流发生器的高压电容C的两根电极引出导线分别用塑料夹持器将其固定于待检测金属材料的两端，再将四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄分别按菱形的四个顶点位置安放于该待检测金属材料上，四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄分别通过信号线连接到前置放大器，前置放大器用导线连接到PC机。 

2.根据权利要求1所述金属材料的电磁声发射无损检测装置，其特征在于：所述脉冲大电流发生器中所用的交流调压模块K₁的型号为全隔离单相交流调压模块DTYH220D15，整流桥K₂的型号为KBPC5010，带有一个常闭和一个常开触点的继电器K₃是转换型电磁继电器JQX-13F，高压电容C的额定电压为500V和容量为2200uF，滤波电容C₁的额定电压为450V和容量为470uF，续流二极管D的型号为DSEK2006，待检测金属材料自身电阻R的电阻值近似为零，限流电阻R₁的电阻值为100欧姆，检测电阻R_S电阻值为3.75毫欧姆，可调电位器R₂最大电阻值为5000欧姆。 

3.根据权利要求1所述金属材料的电磁声发射无损检测装置，其特征在于：所述高压电容C的两根电极引出导线是1.5平方毫米的铜导线。 

Images