聲發射在線監測技術中的一種傳感器固定裝置

鄺吉貴，劉杲凱，陳一亮

（山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101）

聲發射(Acoustic Emission,簡稱AE)是一種常見的物理現象，指材料受外界因素作用局部因能量瞬間釋放而發出瞬態彈性波的現象，因此，聲發射也被稱為應力波發射。各種材料聲發射信號的頻率范圍很寬，從幾赫茲的次聲頻、20～20K 赫茲的聲頻到數兆赫的超聲頻。聲發射信號幅度的變化范圍很大，從微觀位錯運動到宏觀地震波。大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術，人們將聲發射儀器形象地稱為材料的聽診器。在工業裝備無損檢測領域，聲發射技術具有廣闊的發展空間。

聲發射檢測技術于20 世紀70 年代引入我國后，因其實時、在線和整體檢測的特點，完成其他常規檢測所不能完成的任務，在石油、石化、電力、航空航天、冶金、鐵路、交通、煤炭、建筑、機械制造及加工等領域快速發展起來。在一些難以停產檢修的設備上，開展在線監測工作，極大凸顯了聲發射檢測的優勢。在線監測解決了用戶生產與安全的難題，深受廣大用戶的歡迎。

通過在線監測，實時動態監控檢測，且只顯示和記錄擴展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關。而是顯示正在擴展的最危險缺陷。這樣，應用聲發射檢驗方法時可以對缺陷不按尺寸分類，而按其危險程度分類。按這樣分類，構件在承載時可能出現工件中應力較小的部位尺寸大的缺陷不劃為危險缺陷，而應力集中的部位按規范和標準要求允許存在的缺陷因擴展而被判為危險缺陷。聲發射法的這一特點原則上可以按新的方式確定缺陷的危險性。因此，在壓力管道、壓力容器、起重機械等產品的荷載試驗工程中，若使用聲發射檢測儀器進行實時監控檢測，既可以彌補常規無損檢測方法的不足，也可以提高試驗的安全性和可靠性。

同時，利用分析軟件可對以后的運行安全做出評估。

聲發射傳感器（AE 傳感器）是聲發射檢測系統的重要部分，是影響系統整體性能重要因素。常見的聲發射設備采用壓電陶瓷傳感器，具有較好的一致性和穩定性。聲發射檢測

技術是依靠傳感器元件將采用在線檢測設備商的缺陷信號采集，經過分析獲得缺陷的位置信息。聲發射傳感器通過固定裝置固定在待測裝置表面。待檢測設備所采用的材料多為碳鋼，但隨著不銹鋼材質的推廣應用，原來采用的磁性吸附傳感器固定裝置不再適用，而且在一些非金屬或非磁性裝置的無損檢測中，聲發射技術由于傳感器的固定方法問題受到阻礙。因此，需要研發出更加靈活可靠的聲發射傳感器固定裝置。

1 常見的聲發射傳感器固定裝置

圖1 傳統磁性固定裝置

在使用中，將聲發射探頭固定于本體內部頂板下方，信號線通過一側預留的槽空連接探頭。利用磁鐵產生的吸力，固定在待檢測設備表面。在壓緊力度不夠時，可以通過調節高度調節拉桿輔助產生一定的壓力。

這種聲發射傳感器固定裝置，僅能對鐵磁性材料進行檢測。在實際應用中，由于磁鐵產生的吸力有限，在一些因檢測空間問題導致信號線懸空部分太多時，會導致因信號線重力引發的傳感器位移。在聲發射檢測過程中，傳感器位移就會導致缺陷信號定位不準確及偽缺陷信號的產生。由于位移較小不易發現，會使得聲發射檢測結果判定錯誤，導致后續不必要的檢驗檢測，甚至設備判廢導致不必要的財產損失。此外，固定裝置的磁鐵會吸附許多鐵屑，導致磁鐵吸力降低同樣會導致聲發射傳感器發生位移導致偽信號的產生及定位不準確。

有些精密儀器對磁性有一定要求，在聲發射檢測結束后，還需要進行退磁。

此外，在一些場合會使用螺釘或膠水代替磁鐵，進行固定。使用螺釘時，需要在設備表面打好相應尺寸的螺紋空，會對設備的自身強度產生一定影響。此外，在線監測中，可能會牽扯到現場環境防爆要求較高，不允許進行打磨作業。因此，使用螺釘固定局限性較大。使用膠水，僅僅適用于永久性固定。因為傳感器的接觸面為氧化鋁，極易收到破損。

2 本聲發射傳感器固定裝置

本固定裝置采用柱狀空腔結構，一側設置90 度開口，用于放入聲發射傳感器，本體底部高于吸盤底部，與待測物體表面不直接接觸，內部設置壓縮彈簧和高度調節拉桿，高度調節拉桿通過固定套筒、固定片與限位器進行定位，所述高度調節拉桿貫穿壓縮彈簧和固定器本體，長度小于固定器本體高度，防止壓縮彈簧脫出，頂部設置蝶形手柄用于手動調節高度，穿過所述固定套筒與固定片進入所述固定器本體，底部加工螺紋用于連接頂板，高度調節拉桿與所述壓縮彈簧、所述限位器組合用于配合不同高度的聲發射傳感器，所述頂板與固定器本體套筒內壁松配合，由所述頂板連接器與所述高度調節拉桿連接起來，與彈簧組合為聲發射傳感器提供均勻施力平面，所述吸盤座連接所述真空球和吸盤，三者配合形成真空吸附在待測物體表面，中部設置所述的放氣塞，用于密封和放氣，所述的固定支架與均勻布置的所述吸盤座組合為所述固定器本體提供均勻吸附力，將聲發射傳感器固定在待測物體表面。

圖2 固定支架結構示意圖

圖3 主體結構示意圖

圖4 真空球吸盤結構示意圖

其中，1.固定器本體；2.壓縮彈簧；3.高度調節拉桿；4.頂板連接器；5.頂板；6.限位器；7.固定套筒；8.固定片；9. 真空球；10. 吸盤座；11. 放氣塞；12. 吸盤；13. 固定支架。

這種真空球式聲發射傳感器固定裝置，主要包括固定器本體1 和設置在固定器本體1 底部的固定支架13；所述固定器本體1 為圓柱形空腔結構，整體為硬塑料，保證剛度和耐用性，一側設置90°開口用于放入傳感器和信號線的活動通道，腔內裝有可調節高度的高度調節拉桿3，適用于直徑10～50mm、高度為10 ～80mm 的聲發射傳感器，固定套筒7 和固定片8 固定在固定器本體1 上，用于限制高度調節拉桿3的位置移動，限位器6 固定在高度調節拉桿3 上，用于限制高度調節拉桿3 的軸向移動，防止頂板5 脫出。

所述固定支架13 連接吸盤座10 與固定器本體1，選用硬鋁材料，三個吸盤座10 在固定支架上均勻布置，為固定器提供均勻的吸附力；所述吸盤座10 用于連接真空球9 和吸盤12，中部設置放氣孔，可插入放氣塞11；所述真空球9 選用抗老化彈性優質橡膠，直徑為30mm，所述吸盤12 為扁平吸盤，選用耐磨損耐油脂的聚氨酯材料，每個吸盤可提供100N 吸附力，可以將固定器吸附在待測物體表面。

本實施例所述真空球式聲發射傳感器的工作方法，包括步驟如下：

（1）操作人員取出，分別將真空球9 和吸盤12 安裝在吸盤座10 上。

（2）將固定裝置固定在潤濕的待測物體表面，保證吸盤位置表面平整且濕潤，通過擠壓真空球9 將氣體排出，使吸盤12 與工件表面的封閉空間形成真空環境，旋緊放氣塞11，防止漏氣。

（3）固定器吸附在待測物體表面后，將高度調節拉桿3升高至合適位置，放入聲發射傳感器，通過壓縮彈簧2 和頂板5 保證傳感器上端受力均勻，傳感器下端通過耦合劑與待測物體表面相接觸。

（4）檢測工作結束，關閉設備，取出聲發射傳感器，旋出放氣塞11 使吸盤與工件表面分離，取下真空球9 和吸盤12，在干燥、無腐蝕介質、溫度5℃左右處保存，防止疊壓變形。

3 結語

（1）本裝置解決了非磁性材料的聲發射檢測中的傳感器探頭固定問題，既可以應用于磁性材料，又可應用于非磁性材料。

（2）本裝置解決了有退磁要求的精密設備聲發射檢測，不會影響設備的穩定工作，檢測結束后無須退磁。

（3）本裝置對待檢測設備的表面粗糙度有一定的要求，粗糙度過大，會導致真空吸球無法吸附于待檢測設備表面。

（4）本裝置中由于使用了橡膠真空球，會在自然環境中老化。在使用過程中，橡膠自身降解并在各種復雜的工況（諸如濕、熱、光、氣、微生物等）下工作進一步加速了其老化過程。