声发射传感器.

声发射传感器1、声发射传感器原理1.1结构声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。

压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。

根据不同的检测目的和环境采用不同结构和性能的传感器。

其中，谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种。

单端谐振式传感器的结构简单，如图3.1所示。

将压电元件的负电极面用导电胶粘贴在底座上；另一面焊出一根很细的引线与高频插座的芯线连接，外壳接地。

3421图3.1 单端谐振式传感器1—压电元件2—壳3—上盖4—导线5—高频插座6—吸收剂7—底座8—保护膜1.2声发射传感器压电元件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。

它利用了诸多的效应（包括物理效应、化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量。

而新原理、新效应的发现和利用，新型物性材料的开发和应用，使物性型传感器得到很大的发展。

因此了解传感器所基于的各种效应，对其理解、开发和应用都是非常必要的。

在声发射检测过程中，通常使用的是压电效应。

压电效应是可逆的，它是正压电效应和逆压电效应的总称。

习惯上把正压电效应称为压电效应。

当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象就被称为正压电效应。

电介质受力所产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数，它与机械形变方向有关，对一定材料一定方向则为常量。

电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（压缩或伸长）。

具有明显压电效应的材料称为压电材料，常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、镓酸锂LiGaO3、锗酸铋Bi12GeO20等单晶和经极化处理后的多晶体如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT。

新型压电材料有高分子压电薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和压电半导体（如ZnO、CdS）。

单晶材料的压电效应是由于这些单晶受外应力时其内部经格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。

经极化（一定温度下加以强电场）处理后的压电陶瓷、高分子压电薄膜的压电性是电畴、电极偶子取向极化的结果。

利用正压电效应制成的压电式传感器，将压力、振动、加速度等非电量转换成电量，从而进行精密测量。

当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。

利用逆压电效应可制成超声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器（如每昼夜误差<2×10-5s的石英钟、表）等。

逆压电效应可用于声发射信号产生。

由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点，因此，压电式传感器的应用获得迅速的发展。

利用正压电效应研制的压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。

更有重要意义的是：根据生物压电学的结果认识到生物都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感器。

如根据正压电效应治疗骨折，可以加速痊愈；用逆压电效应，对骨头通电具有矫正畸形骨等功能。

压电转换元件的主要缺点是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250℃左右。

2、声发射传感器校准2.1转换系数和灵敏度传感器的输入端作用是力、位移或者速度，输出则为电压。

可以认为力、位移或者速度转化为电压的整个系统为线性系统。

在分析线性系统时，并不关心系统内部的各种不同的结构情况，而是要研究激励和响应同系统本身特性之间的联系。

一般的线性系统的激励与响应所满足的关系，可以用下图来表示：图3.2 线性系统说明图 传感器输出u(t)是电学量的电压标量，输入d(t)可以是表面原子的位移、力学量的力矢量F(x,t)、速度矢量V(x,t)等。

简化处理假定只有垂直分量作用在传感器上，这样就可以建立输入与输出两组标量之间的转换关系。

传感器有一定的大小，作用在每一点上的力学量不同，而实际测出的是对作用在作用面上的平均值。

传感器的输入和它所在的位置有关，假定传感器所在区域的输入参量是均匀的，就可排除与位置的相关性。

传感器的是否存在会改变所在部位的输入的大小，假定传感器的输入就是无传感器时的输入。

传感器与标定试块的机械阻抗匹配影响传感器的标定结果，通常声发射传感器采用钢材进行标定。

根据以上假定，传感器的灵敏度可以定义为：| T(ω)|=| | )()(ωωD U这里T 为灵敏度可用对数表示，ω为频率，U 为传感器的输出电压、D 为表面原子的垂直位移分量或表面压力垂直分量。

2.2灵敏度曲线和标定方法传感器可以根据特定的校准方法，给出频率—灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同类型、不同频率和灵敏度的传感器。

图3.3表示标定的频率—灵敏度曲线。

表示铌酸锂传感器的频率特性，这条曲线是采用传感器接收表面单位时间产生的位移与传感器由此产生的电压之比表示灵敏度的方法测定的，在0.4兆赫附近灵敏度最高，为7.5千伏/米.秒-1。

在一般情况下，传感器的灵敏度要求不低于0.5千伏/米.秒-1。

由传感器接收到的信号转换为电信号后，由同轴屏蔽电缆馈送给前置放大器。

在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。

一般要求前置放大器具有40~60分贝的增益，噪声电平不超过5微伏，并有比较大的输出动态范围和频率宽度。

声发射源的物理变化过程引起具有不同幅度、波形和频率的声发射信号，声发射传感器应真实地检测出声发射源的所有信息，也就是说，传感器将检测到的信号转换为电信号时，应尽量地减少畸变。

灵敏度（k V /m .s -1）频率 （MHz ）图3.3 传感器的频率—灵敏度曲线传感器的标定方法因激励源和传播介质不同，可以组成多种多样的方法，但是不管哪一种方法，目前都没有被普遍承认。

激励源可分为噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。

属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀和金镉合金相变等；连续波源可以由压电传感器、电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生；脉冲波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂、落球和激光脉冲等产生。

传播介质可以是钢、铝或其它材料的棒、板和块。

作为传感器标定的激励源，在测量的频率范围内，希望具有恒定的振幅。

显然，没有一个模拟噪声源可以认为是真正的白噪声，提供一个振幅恒定的包括各种频率单纯正弦连续波也是难以做到的。

单位脉冲函数δ(t)的振幅频谱为：⎰∞∞--==1)()G(dt e t t j ωδω可见，理想的激励源应该是δ源。

在脉冲源中，激光脉冲设备昂贵，限制了它的应用；玻璃毛细管很难做到壁厚均匀，在使用中难以获得良好的重复性；落球法获得的信号频率低；电火花法受气候、湿度和其它因素影响；铅笔芯断裂法受操作人和材料表面条件影响。

上述几种方法，都有人在进行研究。

激光脉冲法的标定原理如图2—4所示，在一个大的铝块上置一水箱，利用二氧化碳脉冲激光器发出的激光光束与水的表面作用，在水中产生冲击波，用非接触的光学方法测量冲击波的压力，控制冲击波的强度。

置于铝块下表面的待定传感器接收冲击波。

玻璃毛细管破裂方法是C.C.Feng 等人提出的。

这种方法的工作原理示于图2—5，标定块为762ⅹ762ⅹ381毫米，重量为两吨的软钢块，内部无缺陷（经无损检测），模拟源和待定传感器置于中心位置附近。

传感器接收到信号的记录时间是130微秒，换能器图3.4 激光脉冲法图3.5 玻璃毛细管破裂源标定法在记录时间内，应不受边界反射波的影响。

传感器接收的信号经放大和滤波后，由瞬态记录仪存储记录，经计算机进行频谱分析，其结果由X-Y 记录仪记录。

玻璃毛细管的直径为 0.3—0.25毫米，用一个石英力规测量压破玻璃管的力。

用电容传感器作为标准传感器测量由于玻璃毛细管破裂产生脉冲波的垂直位移δ，实际测得的结果与根据理论计算公式：：Er F πσδ)1(2-=其中，F ——作用力；σ——标定块的泊松比；E ——杨氏模量；r ——传感器与加载点的距离。

电火花法是在两个电极上加高压电源，使极间的空气击穿，空气击穿产生的声波入射到固体介质表面转换为表面波。

也可以将标定块（金属介质）作为一个电极，另一个电极和它之间直接产生火花（图3.6）。

当入射角满足表面空气C C =αsin时(C 空气与C 表面分别为空气与标定块表面的声速)，将在固体表面激励出频率丰富的表面波。

对钢或铝一类的标定块来说，a 大约在7度左右。

这种方法容易使标定块表面受蚀。

高压电源图3.6 电火花标定方法断裂铅笔芯也可以产生一个阶跃函数形式的点源力。

采用直径为0.3毫米的、2H 石墨铅笔芯代替图3.5中的玻璃毛细管，就是铅笔芯断裂源的标定方法。

这种方法简单、经济、重复性好，而且调节铅笔芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向。

载荷突然释放的时间与玻璃毛细管相近（<0.1微秒），适当地配用力规也可以测出力的大小，铅笔芯断裂源的大致结构如图2—7所示。

采用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法，计算40微秒接收波形结果与实验相一致。

铅笔芯断裂源设备简单容易携带常应用于工程应用现场的传感器标定。

图3.7 铅笔芯模拟声源1—铅笔 2—应力规 3—支点 4—弹簧在实际标定传感器的工作中，标定块尺寸总是有限的，但是只要标定块的厚度大于三倍瑞利波波长，在标定块表面传播的波形主要就是瑞利波。

对于每一个δ源的作用，传感器响应的振铃持续时间约为100微秒，在这段时间内，需要避免边界反射波的干扰，就是说标定块尺寸应足够大。

对传感器的响应函数u(t)频谱分析，即傅氏展开⎰∞∞--==dt e t u U t Fu t j ωω)()()(考虑到响应函数的持续时间（几百毫秒），积分限可由-∞—∞变为b —a ，b 是传感器开始响应的时间，a 是响应终了的时间，即⎰-==a b t j dt e t u U t Fu ωω)()()(这样可避免边界反射波的影响，有人称积分限为“时间窗口”。

对标定块除了要求有足够大的尺寸外，还要求其表面具有足够的光洁度，以避免表面对波的衰减作用。

多通道声发射系统工程应用中还常用声发射传感器自身产生声发射信号来进行传感器性能简易标定。

具体方法是输入给系统中某声发射传感器电脉冲使其产生声信号并在应用对象中传播，其它传感器接收这个信号，根据接收信号的有无、幅度大小、波形频率特征等情况判断传感器的工作情况。