多通道声发射监测仪探头与信号采集系统设计

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1、多通道声发射监测仪探头与信号采集系统设计摘要：声发射监测仪器即通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法的仪器。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波现象称为声发射。声发射传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。根据声发射的特点，利用声发射的声源定位方法，提出了一种多通道数据信号采集系统的设计方法。设计出一种具有数据传输快、定位准确等特点的信号采集方法，根据资料得知有许多比较好的方法，例如单片机、光纤等。本文主

2、要内容大致为以下几章：1.介绍关于声发射的相关知识以及发展的前景2.确定设计的相关器件及参数要求3.给出总体设计方案，确定实现的方法以及硬件模块4.根据硬件模块追加软件的实现方法5.总结全文关键词：声发射，传感器，信号采集系统目录1绪论1.1声发射1.2声发射应用1.3声发射监测仪1.4本文的研究内容1.5本章小结2确定设计的相关器件及参数要求2.1总体设计方案2.1.1多通道声发射监测系统2.1.2硬件设计框图2.2探头的设计2.2.1外壳设计2.2.2传感器设计2.2.3前置放大器设计2.2.4传输线路设计2.3信号采集器的设计2.3.1信

3、号处理单元2.3.2信号采集单眼2.3.3信号收发模块2.4本章小结3实现的方法以及硬件模块4控制软件设计5总结与展望5.1本论文总结5.2进一步工作展望结论参考文献致谢1章绪论声发射技术是一种新的无损检测技术。它是利用监测材料或结构件内部由于应力造成的变形或破裂时发出的声发射波的方法来检测材料或结构件中的缺陷，并对其进行描述，以便研究材料性能或对结构件进行安全性评价和预报。为了检测材料中的声发射信号，一般都采用的缺陷，并对其进行描述，以便研究材料性能或对结构件进行安全性评价和预报。其中传感器与信号采集是比较重要的两个部分，本文对于声发射监测仪

4、的传感器有些许了解，有比较传统的压电式传感器，以及比较新的光纤传感器，还有利用聚偏氟乙烯的传感器。本设计中应用的是压电式传感器，压电式传感器基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 

5、声发射数据采集系统主要由传感器、前置放大器、数据采集、数据通信、信号处理等模块构成。多通道声发射信号采集系统通常由四个独立的信号采集通道组成。由于声发射信号十分微弱，因而必须选择高输入阻抗的放大器；而电荷放大器具有高输入阻抗和较好的线性度。更因为声发射探头为压电陶瓷，具有容性特点，所以，选择普通放大器会使工作时的静态电荷倒灌在传感器的极板，使传感器无法正常输出被检测信号。1.1声发射声发射(Acousticemission简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性

6、波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，如果能量足够大，并且频率集中在声音频段内，则可以被人耳所听见。诸多原因可以产生声发射，如材料裂纹、断裂、应力再分配、撞击及摩擦等。其监测原理为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。通过对所得到的数据进行分析，最总达到以下目的：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。有如下优点：1.声发射检测是一

7、种被动检验方法，探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；　　2.声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号；　　3.在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态，因此效率高；　　4.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或临近破坏预报。1.2声发射应用声发射技术的应用已较广泛。可以用声发射鉴定不同范性变形的类型，研究断裂过程并区分断裂方式，检测出小于0.01

8、mm长的裂纹扩展,研究应力腐蚀断裂和氢脆，检测马氏体相变，评价表面化学热处理渗层的脆性，以及监视焊后裂纹产生和扩展等等。在工业生产中，声发射技术已用于