声发射技术项目建议书Word下载.docx
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（3）材料试验：
材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试,铁磁性材料的磁声发射测试等。
（4）民用工程：
楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。
（5）航天和航空工业：
航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。
（6）金属加工：
工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。
（7）交通运输业：
长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。
（7）其它，如硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，Li/MnO2电池的充放电监测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测等。
1.1.4国内发展概况
声发射技术于二十世纪七十年代初开始引入我国，当时正是我国断裂力学发展的高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点，随后中科院沈阳金属研究所、航天部621所、机械部合肥通用机械研究所、武汉大学等一些科研院所和大学主要开展了金属和复合材料的声发射特性研究。
八十年代初期人们开始尝试采用声发射技术进行压力容器的检验等工程应用，然而鉴于当时声发射仪器的性能和声发射信号处理方面的能力限制，以及人们对声发射源性质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少应有的深度，在实验结果的重复性和可靠性等方面存在不少问题，因此声发射技术曾陷入低谷。
八十年代中期劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国PAC公司引进当时世界上最先进的采用Z80微处理计算机技术制造的SPARTAN源定位声发射检测与信号处理分析系统,并在全国一些石化和煤气公司开展了大量球形储罐和卧罐等压力容器的检测，取得了成功的应用实例，得到了用户的认可。
随后，冶金部武汉安全环保研究院、大庆石油学院、西安44所和石油大学等许多单位相继从PAC引进先进的SPARTAN和LOCAN等型号的声发射仪器，开展了压力容器、飞机、金属材料、复合材料和岩石的检测和应用。
1989年的全国第四届声发射会议指出，我国声发射技术发展已经走出低谷，开始向新的高峰攀登。
自进入二十世纪九十年代至今，声发射技术在我国的研究和应用成快速发展的趋势。
九十年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田和深圳锅炉压力容器检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相继进口大型声发射仪器广泛开展压力容器的检验。
九十年代中期空军第一研究所和航天703所从美国PAC公司引进了第三代可以存储声发射信号波形的Mistras2000多通道声发射仪，从而开展了以波形分析为基础的航空航天设备的声发射检测与信号处理分析。
2002年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心从德国VALLEN公司引进了最新型号的ASM5型36通道声发射仪，该仪器既可对声发射信号进行基于波形的模式识别分析，又具有大型常压油罐底部泄漏的检测能力。
目前声发射技术已在我国已在石油、石化、电力、航空、航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域开展了广泛的研究和应用工作。
在声发射仪器的研制和生产方面，我国的起步并不算太晚，沈阳电子研究所于七十年代末即研制出单通道声发射仪，长春试验机研究所于八十年代中期研制出采用微处理计算机控制的32通道声发射定位分析系统，劳动部锅炉压力容器检测研究中心于95年成功研制出世界上首台硬件采用PC-AT总线、软件采用WINDOWS界面的多通道（2－64）声发射检测分析系统，2000年广州声华公司研制出基于大规模可编程集成电路（FPGA）技术基础上的全波形全数字化多通道声发射检测分析系统，2002年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心研制出基于信号处理集成电路（DSP）技术基础上的全数字化多通道声发射检测分析系统。
在学术交流活动方面，我国于1978年随着全国无损检测学会的建立成立了声发射专业委员会，次年在黄山召开了第一届全国声发射会议；
近10年来已固定每年召开一次声发射专业委员全体会议，并进行小规模的学术交流活动，每两年召开一次全国学术会议进行大规模的学术交流活动和仪器演示活动，到目前为止已召开了九届。
1.1.5行业标准情况
我国声发射检测标准的制定，既滞后于国内其它常规无损检测方法，也与美国有很大的差距，但在许多方面已取得进展，检测术语、检测仪性能测试、金属压力容器检测方法、钛合金压力容器检测方法、复合材料构件检测方法和在役金属容器检测方法等已分别颁布国家标准、国家军用标准和行业标准，其余尚处在企业或内部标准阶段。
目前已颁布主要声发射标准目录如下：
GB／T12604·
4-90声发射检测术语
GB／T18182-2000金属压力容器声发射检测及结果评价方法
GJB2044-94钛合金压力容器检测方法
JB／T8283-95检测仪性能测试方法
JB／TQ753-89在役容器检测方法
QJ2914-96复合材料构件检测方法
1.1.6声发射技术的创新性
声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现为：
（1）声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象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；
（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；
（5）由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；
（6）对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；
（7）对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷；
（8）由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。
1.2竞争分析
据估计，我国目前约有60多个科研院所、大专院校和专业检验单位在各个部门和领域从事声发射技术的研究、检测应用、仪器开发、制造和销售工作，从业人员200多人。
在仪器制造和销售方面，国内主要有科海恒生公司、广州声华公司和沈阳电子所等，科海恒生公司制造和销售2—32通道CFAE-2001系列的参数式多通道声发射仪器，广州声华公司制造和销售2—32通道WAE2000系列的数字化全波形多通道声发射仪，沈阳电子所主要制造和销售2—8通道的多通道声发射仪。
另外一些单位针对具体设备的工程检测，基于声发射技术的原理研制出具有单一功能的专用检测仪器，这些仪器主要包括轴承故障检测仪、阀门泄漏检测仪（沈阳电子所）、高压变压器局部放电检测仪（沈阳变压器厂和北京电力科学研究院）、摩擦声发射检测仪（北京航空航天大学）、岩石状态监测仪（广州声华公司）、声发射燃条燃速测试仪（航天总公司44所）、高精度声发射对刀装置（国防科技大学）以及刀具破损监测仪等。
在现有声发射仪器设备的保有量方面，估计约有32通道及以上的仪器20多台，8到24通道的仪器40多台，1到4通道的仪器100多台。
主要仪器机型为美国PAC公司的LOCAN、SPARTAN和MISTRAS系列，德国VALLEN公司的AMSY系列，国内科海恒生公司的CFAE系列，广州声华公司的WAE系列和沈阳电子所的声发射仪。
下表为声发射传感器及检测系统的大致市场价格。
声发射传感器及检测系统的大致价格
进口（美元）
国产（人民币）
窄带
宽带
声发射传感器（单个价格）
200
>
1000
600
1200
声发射测试系统（每个通道价格）
3000
12000
1.3推广应用领域
本项目拟将声发射技术应用在混凝土桥梁的无损检测，检测对象包括桥梁下部结构（如桩基、墩台等）和上部结构（如主塔、缆索、结构主梁、桥面板等），从而建立起一套相关领域的检测方法和技术。
成果可推广应用于：
（1）各种形式桥梁的无损检测，不仅可以满足静态、动态检测要求，还可以进行状态检测和实时监测；
（2）港口工程结构构件的无损检测，检测范围不仅包括上部结构如轨道梁、纵梁、横梁、面板等构件，还可检测下部结构，如高桩码头的桩基质量检测；
（3）工业与民用建筑领域，重大标志性建筑结构（如超高层建筑、异形建筑）工程质量的检测和监测；
（4）地下空间结构（如地铁隧道）工程质量的检测与监测；
（5）地下隐蔽工程质量的检测，如地下污水和电缆线管道的检测；
（6）新型建筑材料和复合材料的检测，如玻璃幕墙安全质量检测、玻璃钢制成的构件强度检测等；
综上所述，本项目成果应用范围很广，不仅在金属压力容器领域有着权威性的检测解释权，在土木工程领域也会有很好的发展空间；
不仅在金属制品领域有很好的应用，在混凝土材料以及复合材料方面也将会有很好的应用前景。
土木工程领域现有的检测技术有很多不足，影响了工程质量的诊断，无法起到及时预警功能和准确的诊断功能，工程事故一旦发生，将耗费大量的人力、物力、财力。
现有检测技术的不足归根到底还是受制于相应技术理论和设备性能，相比较而言，声发射技术在理论上有了很多年的完善和验证，研制的设备也有很好的适应性和可操作性。
声发射技术在土木工程方面的应用将是断裂力学、复合材料、工程实践相结合的具有跨越性和革命性的技术行为。
该技术在土木工程领域的应用，将是现有检测技术的丰富和发展，对推动该领域内理论和工程实践的发展也将是非常有力的技术手段。
2.项目可行性分析
2.1项目的技术创新性
声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法。
（1）例如在做混凝土强度检测方面，回弹仪和超声波是较为常规的检测手段，虽然工程应用效果不错，但是具体操作时，也存在一些问题，如若结构构件浇注不密实，采用回弹仪测试得到的数据可能会失真；
而采用声发射技术检测，就可以大大提高检测数据的可靠性；
（2）常规的基桩动测技术有低应变法和高应变法，低应变检测常用应力波反射法（锤击波动法）、声波透射法，一般用于基桩的完整性检测，高应变法试桩一般用CASE法、CAPWAP法，用于基桩承载力和桩身完整性的检测；
上述两类检测手段都是基于超声探伤方法，能量本身由配套的检测仪器发出，再由相应的设备予以接受，通过声波在被测构件内的传播变化来判断缺陷存在；
而声发射技术探测到的能量是来自被测构件本身，缺陷的判别机理与超声波完全不同：
当被测构件受外加荷载作用时，内部缺陷会发射出相应的信号，声发射技术检测仪器能捕捉到这个信号，通过频率变化来判断构件损伤情况；
（3）声发射技术检测环境适应性更好，抗外界干扰能力更强，更适合于户外作业；
如采用应变片技术测试构件应变变化情况，要考虑施工时天气变化情况，要保持所贴表面的干燥度和平整度，考虑温度变化，还需另外粘贴温度补偿片，有时候还要考虑施工的可操作性；
如果采用声发射技术检测，上述问题都可以较好地解决，可以大幅减少现场工作量；
（4）声发射技术检测系统是集成了最新无线通讯技术的平台，可以实现远程数据的采集和处理；
（5）声发射技术检测既可以运用于动态检测，也可以运用于静态（状态）检测，也就是说该检测技术既可以做实时跟踪监测，还可以类似于常规检测手段一样做最终状态检测；
2.2项目测试与技术可行性
声发射检测技术所表征的信号直接来自构件或材料的内部裂纹及缺陷等扩展的动态信息，而大部分构件和材料缺陷的声发射信号是高频信号，大致在100KHz~300KHz之间，进而采用高频谐振传感器以及先进的信号处理技术大大排除了可听音范围内的环境噪声干扰，使声发射技术开始走出实验室而进入现场实用阶段。
随着微电子技术、计算机技术、信息处理和通信技术的飞速发展，声发射检测技术现已被广泛地应用于压力容器检测、航空航天材料检测、桥梁检测、金属材料检测、复合材料检测、水泥构件检测等。
在工程领域，当结构构件受到荷载作用或者环境变化作用时，构件内部会以应力波（声发射）的形式释放能量。
这些应力的最终作用结果是引发混凝土或钢结构内部微小缺陷的扩展（如裂纹的扩展）或结构疲劳失效，利用声发射检测技术能实时检测到缺陷的萌生、产生的位置，以及追踪扩展及断裂的全过程。
声发射检测系统是中外合资上海XX电子系统有限公司利用声发射技术开发的产品，主营AE传感器和传感系统的研发、生产和营销。
该产品具有自主知识产权。
与现有的声发射传感器相比，声发射检测装置所采用的声发射传感器具有灵敏度高、检测频率范围宽等特点，其主要技术参数如下表所示。
频率范围
50kHz–1250kHz
灵敏度
57dBref1V/（m/s）
输出电压
3Vpk/pk
输出阻抗
100
工作温度
-40℃—+80℃
电源电压
±
5VDC
电流
11mA
冲击
2000G
振动
1000G
重量
12g（不包括电缆、插头）
声发射检测系统研制出来后，先后在上海市建筑科学研究院工程结构及机械技术研究所、同济大学结构工程与防灾研究所工程结构试验中心等单位，对钢筋混凝土梁、工字钢梁进行了加载试验，其中，钢筋混凝土梁的长、宽、高分别为3200mm×
400mm×
400mm，三分点处加载。
检测结果表明，无论建筑构件内部产生细微裂纹或者在外表面出现肉眼可观察到裂纹时，均可测试到声发射信号。
声发射信号的特征频率的峰值主要集中在300kHz—400kHz。
图1、施加一定载荷后，梁表面没有出现裂纹，但从以上频谱图看出，AE-010型传感器已经检测到构件内部出现裂纹；
图2、继续施加载荷，梁表面已经出现裂纹，AE-010型传感器频谱变化更大。
该试验表明，声发射检测技术完全能适用于混凝土梁的损伤的判断，能及时发现和跟踪裂缝产生的位置，形态。
同样，用声发射检测系统监测加载后的工字钢梁所发出的声发射信号，可用来预报钢梁内部结构的变化。
工字钢梁试样的长度1000mm，高150mm，三分点处加载。
实验中记录的声发射信号数据如下表1所示：
表1、工字钢梁加载试验声发射信号数据统计
外加力（kN）
加力持续时间
有效信号次数
0-20
04’41”
1
20-29
03’44”
3
29-35
02’13”
35-40
04’36”
2
40-50
09’11”
6
50-60
05’04”
7
60-70
04’43”
70-80
04’26”
4
80-90
03’14”
90-100
06’01”
8
100-104
06’33”
10
可以看出，当外加负载达到40-60kN水平时，工字钢梁频繁产生有效声发射信号，在15分钟时间内，有至少13个大信号产生，说明工字钢梁内部结构已经开始产生明显变化；
直至当外加负载达到104kN，工字钢梁呈现屈服特性，有效声发射信号频繁产生。
这里40-60kN的负载可以认为是一个分水岭，从这个阶段开始，后续的声发射事件频繁发生。
反过来，对声发射时间的出现频次进行统计分析，当频繁检测到有效声发射信号时，说明在对应负载情况下，钢结构安全性能已经开始敲响警钟。
这一点，对报警检测有很高的实用价值。
基于声发射技术的声发射检测系统具有常规检测仪器难以比拟的技术优势，通过试验表明，该产品不仅技术先进，而且具备很强的现场可操作性。
3.项目实施方案
声发射检测技术在实验室阶段的试验表明该技术是很成功的，工程实践上还需进一步验证和试用。
鉴于声发射检测技术的优点，选取比较有影响的大型工程来验证比较具有典型性和代表性，结合上海地区大型土木工程建设情况，拟定东海大桥作为检测应用工程。
东海大桥是国内第一座建造于外海的大桥，它连接了上海陆域的芦潮港和新启用的洋山深水港区，该桥梁施工技术含量很高，不论是桩基施工还是主航孔上斜拉桥的建造都具有很高的技术难度，由于外海环境恶劣（波浪流速较大、风速也大于陆域、海水中氯离子渗透作用危及混凝土强度、周围辅助设施缺乏），对东海大桥进行全面检测也是十分必须的，而声发射检测技术良好的环境适应性决定了该技术具有常规检测技术所不具备的优势，而新结构采用新技术也响应了国家提出的提高科技创新能力的要求。
声发射无损检测技术在东海大桥主跨斜拉桥上的应用可以从以下几方面着手：
（1）测试大桥基桩的完整性，在基桩桩身表面安装传感器，通过在桥面上相应位置处施加荷载，测出基桩频率，判断基桩桩身有无损伤情况；
或者直接测试基桩（此时基桩受到水平方向的波浪荷载作用）频率，理想状态下，在波浪荷载下测出基桩频率也能判断基桩损伤程度；
另外，依据工程现场情况，还可通过测试系统获得表征基桩力学性能的资料，如荷载－位移曲线，包括竖向荷载－沉降曲线和水平荷载－水平位移曲线；
（2）测试斜拉桥主塔塔身混凝土质量、混凝土强度以及塔身受力状况，与上述测试基桩完整性手段一样，在构件表面（选取受力最不利位置）安装传感器，测出主塔构件频率，从而判断构件损伤程度、混凝土强度以及受力状态的描述；
（3）有代表性地选取斜拉桥缆索，在其上粘贴传感器，通过测试传感器频率，判断缆索完好情况，同时还能测出缆索张力，与设计张力和施工阶段监测的张力值作比较；
（4）测试主梁混凝土质量、混凝土强度以及主梁受力状况，与上述测试手段一样，还是在主梁受力最不利位置上安装传感器，通过频率来判断；
可以利用声发射检测技术的动态测量功能监测主梁在外部荷载情况下内力变化情况，如果主梁存在缺陷，还可以监视缺陷在外部荷载作用下的开展情况，为以后维护桥梁结构的安全性提供依据；
（5）测试桥面混凝土质量，如混凝土密实度，混凝土强度等指标；
测试手段与上述方法一样，在桥面混凝土结构层安装传感器，判断面层混凝土损伤程度；
最后，对现场测试的数据进行整理和计算，撰写检测报告，对大桥存在的问题给予明确阐述。
4.预期效益
声发射检测技术是现有工程检测技术的丰富和补充，在无损探伤方面具有常规检测技术不可比拟的优势和权威性。
声发射检测技术在桥梁工程的应用，将大大降低常规检测所需人力、物力成本，随着检测技术的进一步推广和检测仪器的量产和国产，经济性也将逐步显现；
声发射检测技术在桥梁工程的应用，尤其是对于海水以下打入地下深处的基桩而言，解决了工程界一直无法准确判断基桩完整性的问题，是现有超声波技术探伤的一次跨越性进步；
声发射检测技术在桥梁工程领域的成功应用，可以推广到整个国家基础建设领域，市场潜力巨大，更可以带动一批相关产业的发展，如配套的相关精密仪器设备制造产业、数据通讯产业等。
5.合作计划
（具体内容在确定第三方合作对象后再定）
5.1技术转让
5.2合资合作
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