声发射检测技术深度解析：从传感器到信号处理与系统构建

声发射（Acoustic Emission, AE）检测作为一种动态的无损检测方法，能够实时“倾听”材料内部在应力作用下产生的微观损伤信号，从而评估结构件的完整性与健康状态。整个检测过程的成败，高度依赖于一套设计精良、匹配得当的检测设备与信号处理系统。这套系统从捕获微弱的声发射波，到将其转化为可供分析的数据，每一步都至关重要。本文将系统性地拆解声发射检测的硬件构成与软件核心，深入探讨从传感器选型到最终数据解读的全链路技术要点。

声发射传感器：系统的“耳朵”

传感器是声发射检测系统的第一道关卡，其核心任务是将材料表面因声发射波引起的微弱机械振动，精准地转换为电信号。

工作原理：压电效应的核心

声发射传感器的物理基础是压电效应。某些晶体材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷）在受到外力作用发生形变时，其表面会产生电荷，此为正压电效应；反之，在电场作用下，这些晶体也会发生弹性形变，称为逆压电效应。声发射传感器正是利用了正压电效应：当声发射应力波传到被测件表面，引起局部振动，这种振动传递给紧密耦合的传感器，使其内部的压电晶片受力变形，进而产生可测量的电压信号。

常用的压电材料主要是非金属介电晶体，其中，锆钛酸铅（PZT-5）因其高接收灵敏度而成为主流选择。而在高温环境下，则需要选用居里点更高的材料，例如铌酸锂晶体，其工作温度可达540°C，甚至更高。

传感器的核心特性包括频响宽度、谐振频率和幅度灵敏度。这些特性并非孤立存在，而是由压电晶片的几何形状、尺寸、弹性/压电常数，以及阻尼块的设计、壳体内的安装方式和现场的耦合状况等多种因素共同决定的。一个基础的物理关系是：压电晶片的谐振频率与其厚度成反比，这意味着更薄的晶片对应更高的谐振频率。

传感器的类型与选择

传感器作为系统的关键部件，其性能直接决定了检测的成败。在实际应用中，压电型传感器因其可靠性和适用性而占据主导地位，而电容型和光学型则多用于特殊的校准或实验室研究。压电型传感器内部又可根据结构和功能细分出多种类型，如何选择，取决于具体的检测目标和环境。

表1 传感器的主要类型、特点和适用范围

结构形式

以最常见的压电型谐振传感器为例，其内部结构精密而紧凑。

图1 压电型谐振传感器的结构

其核心是压电元件（通常为PZT-5陶瓷晶片），负责声-电转换。晶片表面镀有5~19μm厚的银膜作为电极。一层陶瓷保护膜不仅保护晶片，还起到与被检件之间的电绝缘作用。金属外壳则为内部元件提供电磁屏蔽。导电胶用于固定晶片并确保电气连接。在差动传感器中，两个反向连接的晶片可以输出差动信号，有效抑制共模噪声。此外，传感器的材料选择还必须考虑温度、腐蚀、核辐射、压力等严苛的检测环境因素。

传感器灵敏度校准

传感器的灵敏度直接影响检测结果的准确性和可比性，因此校准是不可或缺的步骤。

1. 绝对灵敏度校准：这是定量分析和选择二级标准传感器的基础。其灵敏度 M 通常定义为在特定频率下，传感器输出电压（V）与试件表面垂直位移速度（m/s）之比，单位为 V/(m·s)。

   • 瑞利波脉冲法：在标准钢块上，通过断铅笔芯或玻璃细管来模拟一个标准的阶跃力点源。通过对比标准电容传感器和待校传感器的响应，可以计算出绝对灵敏度。该方法已被ASTM和ISO标准采纳，在0.1-1 MHz频率范围内，不确定度可控制在±15%（90%置信度）以内。此法虽然操作稍显繁琐，但最贴近实际检测情况。 图2 差动宽频带传感器绝对灵敏度曲线示例
   • 互易法：利用传感器机电变换的可逆性原理，通过比较一组（至少三个）同类传感器之间的电气特性来确定绝对灵敏度。此法无需直接测量表面位移，操作相对简便，已被日本无损检测协会纳入标准。

2. 相对灵敏度校准：在批量检测或现场应用中，需要一种快速、经济的方法来检查传感器灵敏度的一致性。

   • 对接法是一种常用手段，通过一个小型试块、一个由扫频仪驱动的超声传感器和电压表，可以比较不同传感器的频率响应。
   • 更简便的方法是利用小型试块、电脉冲发生器和声发射仪，直接记录传感器对模拟信号的响应幅度，并与已知灵敏度的标准传感器进行对比。 图3 相对校准实例

信号传输与调理：确保信号保真

从传感器输出的微弱信号，需要经过一系列处理才能被后续系统有效分析。这个过程包括电缆传输、信号放大和滤波等环节。

电缆：信号传输的通道

传感器、前置放大器和主机之间通过电缆连接。常用的类型包括同轴电缆、双芯绞合线和光纤电缆。

• 50 Ω 同轴电缆是基本配置，能满足大部分场景的电磁屏蔽和阻抗匹配需求。
• 噪声问题：传感器电缆本身就像一根“天线”，容易受到电磁干扰。为减少影响，其长度一般不宜超过2米。在强电磁噪声环境中，可以采用前置放大器内置的传感器，从源头上消除这段电缆引入的噪声。
• 阻抗匹配：为实现信号传输效率最大化，信号链路中的所有组件——电缆、前置放大器、主机——都应实现阻抗匹配（通常为50 Ω）。任何不匹配都会导致信号反射和衰减。
• 电缆长度：前置放大器到主机的电缆长度可以从几米到三百米不等。对于长电缆，必须考虑信号衰减，通常要求全线衰减不超过3dB，否则需加装中继放大器。

门槛比较器：噪声的第一道防线

为了从背景噪声中区分出有效的声发射信号，系统设置了一个检测门槛（Threshold）。门槛比较器只允许幅度高于该设定电压值的信号通过，从而被识别为声发射信号。

图4 门槛比较电路原理

现代仪器中的门槛主要有三种类型：

• 固定门槛：在整个检测过程中保持不变，是应用最广泛的形式。
• 浮动门槛：门槛值随背景噪声水平自动调整，适用于在连续型背景噪声中探测突发型信号。
• 智能门槛：可根据预设程序进行动态调整，例如在检测的特定阶段自动升高或降低门槛。

信号调节：放大与滤波

经过门槛筛选的信号还需要进一步的调节。

1. 放大器

• 前置放大器（Pre-amplifier）：作为第一级放大器，其作用至关重要。它不仅为高阻抗的传感器和低阻抗的电缆提供阻抗匹配，防止信号衰减；还通过放大微弱信号，显著改善信噪比；同时，差动输入的前放还能有效抑制共模电噪声。其关键性能参数包括增益（通常为40dB）、频率范围、噪声水平和动态范围（通常要求>80dB）。
• 主放大器：在传统的模拟系统中，主放大器负责对信号进行二次放大，为后续的特征提取做准备。但在现代全数字化系统中，这一环节通常已被高性能的A/D转换器和数字信号处理所取代。
• 增益（Gain）：放大器的放大能力，通常用分贝（dB）表示，计算公式为： dB_G = 20 * lg(V_out / V_in) 其中 V_out 是输出电压，V_in 是输入电压。

2. 滤波器 滤波器用于剔除无关频段的噪声，限定系统的工作频率范围。

• 频率滤波器：通常在前置放大器和主处理器中都有配置。它分为高通、低通和带通三种。在选择频带时，需要在抑制噪声和避免信号衰减之间找到平衡。例如，机械噪声多集中在100kHz以下，而高频信号在材料中传播衰减快。因此，在多数金属构件检测中，100-400kHz 的带通滤波器是优先选择。

表2 频率滤波器的主要类型和功能

• 参数滤波器：这是一种更高级的滤波方式，直接对信号的特征参数（如持续时间、能量等）进行筛选。它可以是硬件形式（在数据采集前端实时过滤）或软件形式（在数据采集后进行处理）。软件滤波器更为灵活，因为它不破坏原始数据，允许反复进行不同条件的分析。
• 时差滤波器：在多通道定位应用中，可以设定一个合理的时差范围，只有满足该范围的信号才被用于定位计算，从而有效排除定位阵列外部的噪声源。

信号处理与分析：解码材料的“心声”

经过前端处理后的信号，最终被送入信号处理器进行分析和解读。

信号类型

从波形形态上看，声发射信号主要分为三类：

• 突发型信号：在时域上可分离，有明显上升和下降沿的独立信号包，如裂纹扩展、纤维断裂产生的信号。
• 连续型信号：当声发射事件发生得极为频繁，信号在时域上无法分离时，就会形成类似背景噪声的连续信号，如材料塑性变形、管道泄漏等。
• 混合型信号：高幅度的突发信号叠加在低幅度的连续信号之上，常见于纤维增强复合材料的加载测试中。

图5 突发型声发射信号波形

图6 连续型声发射信号波形

图7 突发与连续信号的混合

信号特征参数

为了量化分析，系统会从每个声发射信号（称为“撞击”，Hit）中提取一系列特征参数。

图8 声发射信号特征参数示意

表3 常用声发射信号特征参数

在记录这些参数的同时，系统还会同步记录外变量，如时间、载荷、温度、位移等，以便进行相关性分析，揭示损伤与外部条件的关系。

参数采集的影响因素

获取准确的参数值，需要理解并控制两个关键因素：

1. 检测门槛：门槛值的高低直接影响多个参数的测量结果。如图所示，门槛从T1提高到T2，振铃计数、持续时间、能量计数等都会显著减小。因此，为了保证数据的可比性，检测标准通常要求门槛值在仪器工作温度范围内变化不大于±1dB，并且在同一阵列中应使用相同的门槛设置。 图9 门槛值对声发射信号特征参数采集的影响

2. 增益：信号幅度通常用分贝（dB_AE）表示，以1μV的传感器输出作为0dB的参考基准。实际计算时，系统测量的是放大后的信号峰值电压，再减去总增益。这个过程中，放大器的电压范围限制可能导致强信号失真（削波），使得计算出的幅度值小于真实值。例如，一个40dB增益（放大100倍）、输出范围±10V的放大器，对于一个120mV（101.58dB）的输入信号，其输出会被限制在10V，导致系统计算出的幅度为100dB。因此，合理设置增益，避免信号饱和，是保证幅度测量准确性的前提。

声发射源定位：追溯损伤的源头

源定位是声发射检测最强大的功能之一，它通过布置传感器阵列，利用信号到达各传感器的时差来估算声发射源的位置。

图10 源定位分类

区域定位

这是一种快速、粗略的定位方法，适用于信号衰减大、声发射事件密集的材料（如复合材料）。

• 独立通道监视：每个传感器负责监视其周围的一个区域。当某个传感器首先接收到信号，就认为源位于其负责的区域内。
• 按信号到达顺序定位：在独立通道监视的基础上，进一步记录信号到达阵列中其他传感器的先后顺序。例如，在一个三通道阵列中，信号首先到达1号，其次到达2号，那么源的位置就可以被进一步限定在1号和2号传感器之间的某个子区域内。

图11 区域定位原理

时差定位（计算定位）

这是一种更精确但更复杂的定位方法，广泛应用于金属构件检测。它通过测量信号到达不同传感器的时间差（Δt），结合已知的声速（v）和传感器间距来计算源的坐标。

• 一维定位（线定位）：至少需要两个传感器。声源位于以两个传感器为焦点的双曲线上。在实际应用中，通常取双曲线与传感器连线的交点作为源的一维坐标。 图12 一维定位法

• 二维定位：至少需要三个传感器，但为了获得唯一解，通常使用四个或更多传感器。声源位置由多条双曲线的交点确定。现代算法如非线性衰减算法（NLR）和过定位算法，甚至可以利用3-8个撞击信号进行智能计算，并引入幅度-距离修正，大大提高了定位精度。 图13 二维定位原理

图14 不同定位阵列示意

时差定位的局限性

时差定位虽精确，但其应用也存在挑战。首先，它对信号质量要求高，很多低幅度的信号可能因衰减而无法到达所有传感器，导致无法定位。其次，定位精度受到多种因素影响，如结构件的衰减不均匀性、声速变化、传感器耦合差异、系统计时精度等。因此，在实际工程中，不能盲目追求单个定位点的绝对精确，而应从统计学角度观察定位的集中区域，这些区域与实际损伤位置具有良好的对应关系。获取高精度的定位结果，不仅需要先进的设备，更依赖于丰富的工程经验和专业的分析能力。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测声发射检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

数据显示与解读

声发射数据最终以图形和表格的形式呈现，为工程师提供决策依据。

• 历程图：将声发射参数（如计数、能量）随外变量（如时间、载荷）的变化绘制成图，用于评价声发射活动性、凯塞效应、费利西蒂比等。 图15 历程图
• 分布图：统计撞击或事件数随某个特征参数（最常用的是幅度）的分布，是鉴别源类型和噪声的有力工具。 图16 分布图
• 相关图：将两个特征参数作为X-Y轴作图，揭示它们之间的内在关联。 图17 相关图
• 定位图：直观显示声发射源在被检件上的空间位置。 图18 定位图
• 波形和频谱图：提供信号在时域和频域的详细信息，用于精细的信号分析。 图19 波形和频谱显示图
• 数据列表：以表格形式展示每个撞击的完整数据集，用于精确的数据溯源和分析。 图20 数据列表

声发射检测系统：集成与演进

系统分类与组成

声发射系统可以从不同维度分类，如通道数（单/双/多通道）、功能（专用/通用）、原理（参数/波形采集）等。

表4 声发射检测系统的类型、特点、适用范围

一个典型的声发射检测系统由硬件和软件构成。硬件上，每个独立的信号处理链路称为一个通道，多通道系统通过并行结构组合而成。

图21 单通道声发射检测系统的组成

• 前端单元：包括传感器、线缆、前置放大器。
• 信号处理单元：系统的核心，包括A/D转换、特征提取、波形采集、数据运算等。
• 存储与显示单元：通常由计算机担任，运行检测软件，负责数据存储和可视化。

多通道系统在此基础上增加了通道控制器和协调器，以确保各通道数据采集的同步性。

图22 多通道声发射检测系统的组成

发展趋势

自20世纪60年代诞生以来，声发射系统经历了从模拟到全数字、从笨重到便携的巨大变革。当前主流是基于PC插卡的全数字化系统。

图23 声发射检测系统PC插卡

现代系统性能强大，通道可扩展至数百个，采集速度高达20,000 hits/s，波形采样率可达40MHz。软件功能也日益丰富，集成了三维定位、小波分析、神经网络等高级工具。更重要的是，系统正朝着小型化、低成本化的方向发展。掌上型仪器已问世，而更具革命性的无线声发射系统也即将商业化，这将彻底摆脱繁琐的电缆束缚，极大提升现场检测的效率和灵活性。

图24 国外多通道检测系统

图25 掌上型两通道声发射检测系统

如何选择合适的检测系统？

选择系统需综合考虑以下几点：

1. 检测频率：根据被检材料的特性选择合适的工作频率范围。金属材料的信号频率可达数兆赫兹，而复合材料、岩石混凝土则集中在数百千赫兹以下。
2. 检测通道：根据检测对象的尺寸和形状决定。实验室研究通常选用通用型少通道仪器，而大型构件的整体监测则需要多通道系统。
3. 数据信息：根据分析需求选择系统的功能。是否需要采集全波形？需要哪种类型的源定位？是否需要高级的数据分析工具？这些问题都将引导你找到最适合的解决方案。