Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
HLAVNÍ PROBLÉMY PěI KALIBRACI SNÍMAýģ AE MAIN PROBLEMS WITH AE SENSORS CALIBRATION Petr BENEŠ, JiĜí FIALKA Vysoké uþení technické v BrnČ, FEKT Contact e-mail:
[email protected] Abstract This paper contains a brief description of the current situation in the laboratory for calibration of acoustic emission sensors by the reciprocity method according to the NDIS 2109 and by the step function according to ASTM 1106. Most attention is given to the problems with correct implementation of AE sensor calibration methodology. It describes in detail the influence of aperture effect on frequency response for surface calibration of the sensor. Briefly describe the basic principle and design of broadband AE sensor with conical active element and are given the frequency characteristics of the reference sensors obtained by reciprocal calibration. Key words: acoustic emission, reference sensor, calibration Abstrakt PĜíspČvek obsahuje krátký popis aktuálního stavu pracovištČ pro kalibraci snímaþĤ akustické emise reciproþní metodou dle NDIS 2109 a skokovou funkcí dle ASTM 1106. Hlavní pozornost je vČnována problémĤm spojeným s kalibrací snímaþĤ AE. Je podrobnČ popsán vliv aperturního jevu na frekvenþní charakteristiku snímaþe pĜi povrchové kalibraci. StruþnČ jsou popsány základní principy a konstrukþní Ĝešení širokopásmových snímaþĤ s kuželovým aktivním þlenem a jsou uvedeny frekvenþní charakteristiky tČchto referenþních snímaþĤ získané reciproþní kalibrací. Klíþová slova: akustická emise, referenþní snímaþ, kalibrace
1. Vývoj a souþasný stav pracovištČ pro kalibraci snímaþĤ FEKT VUT v BrnČ Cílem pĜíspČvku je informovat o souþasném stavu našeho pracovištČ pro kalibraci snímaþĤ akustické emise a provádČných experimentech a jejich výsledcích. Problematice kalibrace snímaþĤ se vČnujeme se stĜídavou intenzitou od roku 1995. Hlavním dĤvodem je orientace našeho pracovištČ na využití spojité akustické emise jako diagnostického signálu a s tím související potĜeba používat širokopásmové snímaþe. Hlavní þást informace signálu spojité AE je totiž ve spektrální oblasti, narozdíl od impulzní emise, využívané napĜ. pro detekci a lokalizaci trhlin. Signál spojité AE jsme využili napĜ. pro bezdotykové mČĜení vzdálenosti založené na principu zmČny charakteru AE signálu generovaného pĜi výtoku média definovanou štČrbinou, mČĜení prĤtoku jednofázových a dvoufázových médií, pĜi diagnostice kvality teplosmČnných povrchĤ, pĜi fázových zmČnách, pĜi tĜení apod. PĜi všech uvedených aplikacích byla kromČ energie signálu významným parametrem i spektrální výkonová hustota.
DEFEKTOSKOPIE 2010
17
Z dĤvodu reprodukovatelnosti experimentĤ bylo nutné znát a opakovanČ ovČĜovat frekvenþní charakteristiky používaných snímaþĤ. Nejprve to byly pokusy se sekundární kalibrací snímaþĤ pomocí duralového a ocelového konického bezodrazového bloku dle ASTM E976, kdy zdrojem byl jiskrový výboj, lom tuhy, plynová tryska, pĜípadnČ piezoelektrický mČniþ. Výsledky nebyly pĜíliš uspokojivé, a proto byl v roce 2001 poĜízen s pomocí Ing. Crhy z Vítkovických železáren ocelový válec o prĤmČru 900 mm a výšce 430 mm s celkovou váhou 2,5 tuny. Válec byl ve Žćárských strojírnách opracován, byla planparalelnČ zabroušena þela válce a povrch þel byl vyleštČn. Tímto byl získán základní prvek pro vybudování pracovištČ pro primární kalibraci snímaþĤ v naší laboratoĜi. Jako první byla implementována kalibrace reciproþní metodou dle japonského standardu NDIS 2109, autorem metody je prof. Hatano. Metoda potĜebuje tĜi reverzibilní snímaþe, které nemusí být pĜedem kalibrovány. Výsledkem je amplituda i fáze frekvenþního pĜenosu všech tĜí snímaþĤ. BČhem kalibrace je nutné zmČĜit tĜi hodnoty napČtí a tĜi hodnoty proudu pro každý kmitoþet v požadovaném frekvenþním pásmu. Snímaþe jsou buzeny harmonickým impulsem, jehož základní frekvence se postupnČ bČhem kalibrace mČní v požadovaném rozsahu. Pro kalibraci je nutný rozmČrný testovací blok (rozmČr omezuje dolní kmitoþtový rozsah) a ménČ bČžné laboratorní vybavení, napĜ. citlivá proudová sonda. Pro reciproþní kalibraci bylo použito tehdy dostupné vybavení, kde základem byl spektrální analyzátor HP89410A a proudová sonda Tektronix P6022. PodrobnČ je tehdy realizovaná sestava kalibraþního pracovištČ popsána v pĜíspČvku na Defektoskopii 2001 [1]. Hlavní nevýhodou realizované reciproþní kalibrace byla doba mČĜení (témČĜ dvČ hodiny) a nutnost trvalé pĜítomnosti obsluhy bČhem kalibrace. Proto dalším logickým krokem byla snaha o automatizaci celého kalibraþního procesu. V této oblasti se o pokrok rozhodující mČrou zasloužil kolega ing. Keprt, který doplnil sestavu pĜístrojĤ o tĜíkanálový pĜepínaþ s extrémnČ vysokým potlaþením vzájemných pĜeslechĤ, umožĖující automatické „cyklování“ promČĜovaných snímaþĤ a následnČ plnČ automatizoval celý kalibraþní proces pomocí vytvoĜeného software v prostĜedí LabVIEW. Dalším krokem byla implementace primární kalibrace skokovou funkcí síly dle ASTM E 1106. Základem této kalibraþní metody je znalost výchylky povrchu testovacího bloku pĜi skokovém uvolnČní síly bodovČ pĤsobící na povrchu bloku. Výchylka volného povrchu testovacího bloku v místČ kalibrovaného snímaþe mĤže být urþena pomocí teorie pružnosti výpoþtem nebo dostateþnČ vČrným mČĜením absolutním snímaþem výchylky o známé citlivosti, založeném na kapacitním nebo optickém principu. Skoková funkce síly je aproximována lomem sklenČné kapiláry o prĤmČru menším než 0,2 mm. Pomocí tenzometrového snímaþe je zmČĜena velikost síly, pĜi které kapilára pukne. Kalibraþní pracovištČ bylo doplnČno lámacím mechanismem umožĖujícím definovaný a opakovatelný lom kapiláry a referenþní snímaþ výchylky – laserinterferometr Polytec OFV-5000 s optickou hlavou OFV-505 a ultrazvukovým modulem DD-300 s pracovním rozsahem 75nm ve frekvenþním rozsahu do 20 MHz. Podrobný popis kalibraþního pracovištČ po doplnČní o kalibraci skokovou funkcí byl obsahem našeho pĜíspČvku na Defektoskopii v roce 2006 [2]. V následujících letech bylo provedeno nČkolik set kalibrací na zhruba tĜiceti snímaþích s cílem lokalizovat a minimalizovat možné zdroje nejistot mČĜení pro obČ metody a dosažené výsledky vzájemnČ porovnat. U kalibrace skokovou funkcí byl
18
DEFEKTOSKOPIE 2010
sledován vliv prĤmČru kapiláry, vliv rychlosti nárĤstu síly potĜebné pro lom kapiláry a vliv vzájemné polohy a orientace snímaþe a místa zdroje. U reciproþní kalibrace byl sledován vliv typu a množství vazebního média, vliv doby potĜebné k „usazení“ snímaþe, vzájemné vzdálenosti snímaþĤ a pĜítlaþné síly. Vzhledem k množství provádČných experimentĤ se ukázalo jako nezbytné nahradit spektrální analyzátor Agilent podstatnČ výkonnČjším digitizérem National Instruments PXI 5122. Tím se nejen výraznČ zkrátila potĜebná doba mČĜení, ale souþasnČ se i významnČ vylepšili metrologické vlastnosti celého ĜetČzce. Rozhodující vliv na celkovou nejistotu mČĜení má totiž kromČ vazebního média také vlastní šum mČĜicích pĜístrojĤ. Šum mČĜicího kanálu je kritický zejména na vyšších kmitoþtech, kde dosahuje užiteþný signál pouze desítek mikrovoltĤ. ZávČry z provedených mČĜení a experimentĤ byly uvedeny na Defektoskopii 2007 [4] a zejména na konferenci EWGAE 2008 v KrakovČ [5]. 2. Hlavní problémy spojené s kalibrací snímaþĤ V souvislosti s kalibrací snímaþĤ a otázkou dosažitelné pĜesnosti a vČrohodnosti je nutné si uvČdomit nČkolik zásadních problémĤ a omezení [6]: 1. Okamžitá výchylka bodu na povrchu testovaného bloku je tĜírozmČrný vektor, ale výstup ze snímaþe je skalární povahy. MĤžeme mČĜit pouze hodnotu elektrického napČtí nebo náboje. ýasto se proto pĜedpokládá, že výstupní napČtí je úmČrné pouze normálové složce výchylky povrchu, to ale v nČkterých pĜípadech nemusí být pravda. 2. Snímaþ zatČžuje povrch zkušebního tČlesa a svojí mechanickou impedancí ovlivĖuje výsledek mČĜení. Interakce mezi impedancí bloku a snímaþe urþuje výchylku mČĜicí plochy snímaþe. ObČ tyto impedance jsou komplexní funkce závislé na frekvenci a neexistuje jednoduchá metoda, jak je zmČĜit. Proto se pĜi kalibraci pĜedpokládá, že vstupem do snímaþe je výchylka nezatíženého povrchu bloku a interakce snímaþe a bloku se zanedbává. To je ovšem hrubé zkreslení reálné situace - snímaþ umístČný na bloky vyrobené z rĤzných materiálĤ s rĤznou akustickou impedancí bude mít rĤzné kalibraþní kĜivky. Proto v kalibraþním protokolu musí být vždy uvedeno, na jakém materiálu byla kalibrace provedena. Na druhou stranu, tvar frekvenþní charakteristiky snímaþe svĤj charakter pĜíliš nemČní, hlavní vliv má rozdílná impedance snímaþe a mČĜeného povrchu na celkovou citlivost snímaþe. Snižování akustické impedance mČĜeného povrchu vede ke snížení výstupního signálu ze snímaþe. 3. Výstupní signál ze senzoru je funkcí výchylky mČĜeného povrchu, který je v kontaktu se snímaþem. Tato funkce není závislá pouze na þase, ale i na velikosti, tvaru a poloze mČĜící plošky snímaþe. Tato skuteþnost ovlivĖuje výrazným zpĤsobem charakteristiku snímaþe pĜi prĤchozí kalibraci. PodrobnČji je tento problém popsán v následující kapitole. 3. Aperturní efekt Aperturní efekt zpĤsobený koneþnou velikostí styþné plochy snímaþe bývá þasto ignorován. To je ovšem možné pouze za pĜedpokladu, že prĤmČr snímací plošky je zanedbatelný v porovnání s mČĜenými vlnovými délkami, nebo je pohyb všech bodĤ snímací plošky ve fázi s povrchem snímaþe. První pĜedpoklad je splnČn jen pro velmi malé prĤmČry aktivní plochy snímaþe (max. 2-3 mm). Druhý pĜedpoklad je splnČn pouze v pĜípadČ, že na snímaþ pĜichází rovinná vlna v ose kolmé na povrch.
DEFEKTOSKOPIE 2010
19
ObecnČ však výstup snímaþe odpovídá váženému prĤmČru výchylky povrchu pod snímací ploškou. Praktickým dĤsledkem je, že kalibrace snímaþe se liší pĜi rĤzném druhu pĜíchozí vlny (prĤchozí a povrchová kalibrace) a také s rĤznými rychlostmi šíĜení tČchto vln uvnitĜ testovacího bloku. Výstupní napČtí ze snímaþe lze vypoþítat z následujícího vztahu [6]: 1 U (t ) ³³ u( x, y, t )r ( x, y)dydx
AS
kde: S – oblast povrchu o ploše A, kterou pokrývá þelo snímaþe, u(x, y, t) – výchylka povrchu, r(x, y) – lokální citlivost snímaþe. Pro snímaþ s kruhovou snímací plochou a konstantní citlivostí v celé plošce aperturní efekt pĜedpovídá pro procházející pĜímou vlnu nulovou citlivost v koĜenech Besselovy funkce [7]:
J 0 (ka) 0 kde: k=2Sf/c [m-1], f – frekvence [Hz], c – je Rayleighova rychlost v testovacím bloku [m.s-1], a – je polomČr snímací plošky snímaþe [m]. Na následujících grafech je znázornČna vypoþítaná závislost citlivosti snímaþe na kmitoþtu procházející pĜímé vlny pro rĤzné prĤmČry þelní plošky snímaþe a frekvenþní charakteristika ideálního snímaþe zkreslená aperturním efektem. Na vodorovné ose je vynášena frekvence procházející pĜímé vlny v kHz, Rayleighova rychlost byla pro výpoþet zvolena c = 3000 m/s.
Obr.1. Vliv aperturního efektu na citlivost ideálního snímaþe Fig.1. Influence of the aperture effect on the sensitivity of an ideal sensor
20
DEFEKTOSKOPIE 2010
Obr.2 Vliv aperturního efektu na frekvenþní charakteristiku ideálního snímaþe Fig.2 The influence of the aperture effect on the ideal sensor frequency response 4. Konstrukce širokopásmových snímaþĤ AE K nejvČtším problémĤm pĜi povrchové kalibraci tak dnes patĜí nedostateþná citlivost snímaþĤ pro kmitoþty nad 500 kHz, kde se u bČžných snímaþĤ již výraznČ projevuje aperturní jev. To vede na nutnost používat širokopásmové snímaþe s velmi malou dotykovou ploškou. V praxi se používá nČkolik variant provedení piezoelektrických snímaþĤ. NejznámČjší jsou: Pinducer (Obr.3Obr. 3) – komerþní širokopásmový snímaþ s deskovým krystalem o prĤmČru 2 mm s navazujícím tlumiþem o délce 50 mm. Snímaþ má vyrovnanou frekvenþní charakteristiku v pásmu 0,1 až 2 MHz [8] NIST laboratorní snímaþ (Obr.4) – s kuželovitým aktivním prvkem tvaru komolého kužele z piezokeramiky PZT-5A polarizovaný ve smČru podélné osy. Tlumení je zajištČno masivním válcovým blokem o prĤmČru asi 40 mm a výšky 25 mm. Snímaþ je citlivý pouze na normálovou výchylku testovaného povrchu a je širokopásmový bez výrazných rezonancí. PĜenos snímaþe je dobĜe teoreticky popsán a vypoþítán. Více informací v literatuĜe [9], [10], [11]. AERE Harwell [12] (Obr.5) – odolnČjší verze NIST snímaþe, dovolující mČĜení i mimo laboratoĜ. Kapkovitý mosazný blok zajišĢuje útlum vln z aktivního prvku. Snímaþ obsahuje pružinu, která vytváĜí stálý tlak mezi aktivním prvkem a povrchem testovaného tČlesa. Frekvenþní charakteristika je rovná do cca 2 MHz. Varianty širokopásmových snímaþĤ vycházejících z kuželového aktivního prvku publikovali dále napĜ. Koberna [13], Glaser [14], Theobald [15], Lee [16], Sebastian [17] a mnozí další. Rozdíly jsou pĜedevším ve zpĤsobu ochrany aktivního prvku pĜed vlivy okolí, zpĤsobu Ĝešení tlumícího prvku, pĜípadnČ doplnČní snímaþe i o možnost buzení.
DEFEKTOSKOPIE 2010
21
EL. VÝVODY
VÝBċHOVÁ TYý POJIVO
TESTOVANÝ PěEDMċT
PIEZOELEMENT
VAZEBNÉ PROSTěEDÍ
Obr. 3. Širokopásmový piezoelektrický snímaþ, typ Pinducer [8] Fig. 3 Broadband AE sensor type Pinducer [8]
Obr.4. Snímaþ NIST Fig.4. Sensor NIST
Obr.5 snímaþ AERE Harwell [12] Fig.5 Sensor AERE Harwell [12]
5. Praktická realizace širokopásmového snímaþe Pro praktickou realizaci širokopásmového snímaþe byla zvolena nejjednodušší varianta – snímaþ NIST. Kuželový prvek z piezoelektrického materiálu 432, niklovými elektrodami s prĤmČrem základny 1,5 mm a 4 mm a s výškou 2,5 mm byl nalepen vodivým lepidlem Loctite 3880 na mosazný tlumiþ v rozmČrech dle NIST. Na obr. 6 je provedení snímaþe a záznam prĤbČhu výstupního napČtí ze snímaþe ve srovnání s prĤbČhem výchylky povrchu zaznamenané laserovým interferometrem, shoda je velmi dobrá. NicménČ pro praktické využití se ukázalo, že snímaþ ani v laboratorních podmínkách není možné dlouhodobČ používat, mČĜené charakteristiky se mČnily v závislosti na þase a opakovatelnost byla rovnČž špatná. DĤvodem je velmi pravdČpodobnČ neurþitČ definovaný mechanický a pĜedevším elektrický kontakt spodní elektrody s povrchem zkušebního tČlesa. Z tČchto dĤvodĤ byla výroba odolnČjší verze referenþního snímaþe domluvena s Ing. Veselským z firmy Dakel. V realizované verzi je piezoelektrický kuželík krytý tenkou membránou, která souþasnČ pĜedstavuje i elektrický kontakt pro spodní elektrodu Frekvenþní charakteristiky tĜí kusĤ dodaných referenþních snímaþĤ DAKEL 281 jsou na obr.7. Do kmitoþtu cca 400 kHz je frekvenþní charakteristika vyrovnaná, pak se již zaþíná projevovat aperturní jev a zĜejmČ i vliv konkrétního tvaru ochranné membrány snímaþe. Opakovatelnost je velmi dobrá.
22
DEFEKTOSKOPIE 2010
Obr.6. Snímaþ NIST (NBS) vlastní výroby a odezva na lom kapiláry ve srovnání s laserovým interferometrem Fig.6 Self production sensor NIST (NBS) and time response on capillary break compare with laser interferometer response
Obr.7 Frekvenþní charakteristiky referenþních snímaþĤ DAKEL 281 s kuželovým aktivním prvkem Fig. 7 Frequency response of reference sensor DAKEL 281 with conical active element 6. ZávČr PracovištČ pro kalibraci snímaþĤ akustické emise je v rutinním provozu, povrchová kalibrace reciproþní metodou i skokovou funkcí je plnČ implementována. Do budoucna plánujeme doplnit i mČĜení prĤchozí kalibrací dle metodiky NPL prezentované na letošním EWGAE ve Vídni. PracovištČ je postupnČ doplĖováno o další komponenty, v souþasné dobČ je hlavním úkolem zjednodušit a zpĜehlednit kabeláž a snížit množství používaných komponent a samostatných pĜístrojĤ vytvoĜením kompaktní jednotky, která bude obsahovat všechny potĜebné napájecí
DEFEKTOSKOPIE 2010
23
zdroje, oddČlovací þleny, filtry, zesilovaþe a pĜepínaþe. Stále nevyĜešeným úkolem je náhrada zdroje skokové síly – lomu kapiláry pro kalibraci dle ASTM. Jako vhodná náhrada se zdá být generátor využívající magnetostrikþní mČniþ, který je schopen generovat velmi krátké impulzy s vynikající opakovatelností a je tak možná ještČ vhodnČjší, než pro podobné úþely používaný laserový impuls. 7. Literatura [1] BENEŠ, P., CHMELAě, P. Metody kalibrace snímaþĤ AE. In Defektoskopie 2001. Praha, ýNDT. 2001. p. 37 - 80. ISBN 80-214-2002-2. [2] KEPRT, J., BENEŠ, P. Kalibrace snímaþĤ AE. In Defektoskopie 2006 - Sborník pĜíspČvkĤ. Tábor: VUT Brno. 2006, p. 101 – 108, ISBN 80-216-3290-X. [3] KEPRT, J. Primární kalibrace snímaþĤ akustické emise. Dizertaþní práce. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, 2008. 171 s. [4] KEPRT, J., BENEŠ, P. Stanovení nejistot primární kalibrace snímaþĤ akustické emise. In Defektoskopie 2007 - Sborník pĜíspČvkĤ. Praha: ýeská spoleþnost pro nedestruktivní testování. 2007, p. 105 – 426, ISBN 978-80-214-3504-9. [5] KEPRT, J., BENEŠ, P. A Comparison of AE Sensor Calibration Methods. In 28thEuropean Conf. AE Testing Proceedings. Krakow, Polsko: EWGAE. 2008, p. 19 - 24. [6] MILLER, R. K., HILL, E. K. Acoustic emission testing. 3rd ed., Columbus: American Society for Nondestructive Testing, 2005. Nondestructive Testing Handbook, vol.6, 446 pages. ISBN 1-57117-106-1. [7] ASTM Standard E1106-86. Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors. ASTM, Philadelphia, 1986. [8] SCOTT, I.G. Basic acoustic emission. 1st ed. Montreux (Switzerland): Gordon and Breach Science Publishers, 1991, Nondestructive Testing Monographs and Tracts, vol.6., 245 pages. ISBN 2-88124-352-5. [9] HORA, P. Kalibrace snímaþĤ akustické emise impulsní metodou. Kandidátská disertaþní práce. Praha: FEL ýVUT – katedra radioelektroniky, srpen 1990 [10] HORA, P. Calibration of Transducers for Acoustic Emission. Acta technica ýSAV. 1991, no. 2, p. 190 - 220. [11] PROCTOR T. M., Jn. An improved piezoelectric acoustic emission transducer. J. Acoust. Soc. Am. 1982, vol. 71, no. 5, p. 1163 – 1168. [12] SCRUBY, C. B., WADLEY, H. N. G. A Calibrated Capacitance Transducer for the Detection of Acoustic Emission. Journal Physics D. 1978, p. 1487. [13] KOBERNA, M. Broadband Acoustic Emission Sensor with a Conical Active Element in Practice. Journal of Acoustic Emission, 1993, vol. 11, no. 2, p. 61 – 63. [14] WEISS, G., G., GLASER, S., D. Design And Absolute Calibration of An Embedded, Wideband Velocity Sensor. Transport. Res. Record 1614. 1998 [15] YAN, T., THEOBALD, P., JONES, B. E. A self-calibrating piezoelectric transducer with integral sensor for in situ energy calibration of acoustic emission. NDT&E International. Elsevier, 2002, vol. 35, p. 459 – 464. [16] Lee,Y.-C., Lin, Z., Miniature piezoelectric conical transducer: Fabrication, evaluation and application, Ultrasonics 44 (2006) e693–e697. [17] Sebastian J., Monitoring of refractory wall recession using high–temperature impact–echo instrumentation, UDRI University of Dayton, Dayton, 2004.
24
DEFEKTOSKOPIE 2010
