声发射传感器的原理、分类、结构及特性

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　　声发射传感器(AE Sensor)的作用是接收材料或结构内部的声发射信号。压力容器、储罐、热交换器、管道、反应器、航空推进器、核电站的设备等许多类型的结构都可以用声发射进行监测。在所有的应用中，声发射传感器是连接结构与声发射仪之间的桥梁，所以，声发射传感器的性能对测试是非常重要的。

　　下面就声发射传感器的原理、分类、结构以及校准等方面进行综述，希望对大家认识了解和选择声发射传感器有一定的帮助。

　　声发射传感器的原理

　　传感器将声发源在被探测物体表面产生的机械振动转换为电信号，它的输出电压V(t,x)是表面位移波U(x,t)和它的响应函数T(t)的卷积：V(t,x)=U(t,x)T(t)

　　理想的传感器应该能同时测量样品表面位移(或速度)的纵向和横向分量，在整个频谱范围内(0～100MHz或更大)能将机械振动线性地转变为电信号，并具有足够的灵敏度以探测很小的位移(通常要求≤10-14m)。

　　目前人们还无法制造上述这种理想的传感器，现在应用的传感器大部分由压电元件组成，压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体，其中，锆钛酸铅接收灵敏度高，是声发射传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器。

　　声发射传感器的分类

　　传感器是声发射检测系统的重要部分，是影响系统整体性能重要因素。传感器设计不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声发射信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。在声发射检测中，大多使用的也是谐振式传感器和宽带响应的传感器。

　　传感器的主要类型有：
　　      · 高灵敏度传感器，是应用最多的一种谐振式传感器;
　　      · 宽频带传感器，通常由多个不同厚度的压电元件组成，或采用凹球面形与楔形压电元件达到展宽频带的目的;

　　1. 高灵敏度谐振式传感器，也称窄带传感器。
　　就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料(如压力容器等)，这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，频带范围大多是100kHz～400kHz，因此谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最普遍的一种，这种传感器具有很高的灵敏度，可探测的最小位移可达到10-14m，但它们的响应频率范围很窄，且共振频率一般都位于50至1000kHz之间。一般在传感器型号上加R来区分(Resonance)。

　　谐振式传感器参数技术的基础归结于两个基本假设：
　　      · 声发射是阻尼正弦波;
　　      · 声波是以某一固定的速度传播的。

　　根据这一假设，对声发射信号参数，如上升时间、峰值幅度、持续时间等测量、记录所得到得声发射特征是合理的。传播特性上，谐振传感器参数技术的假设意味着传播信号除了单纯衰减以外，它的声波形状是不变的。它是以不变的波形和不变的声速获取声发射信号的参数。

　　事实上，大部分在工程应用的构件是厚度为2～30mm的板材，在板材中，包括使用广泛的实验室试件，传输的声波都不是一个单一的传播模式，而是在每一种模式中包括以不同波速传播的多种频率在内的多种波形模式，其中在某一特定情况下，某种传播模式占优。

　　金属材料和其它应用场合常使用通称频率150kHz的谐振式窄带传感器，来测量工程材料的声发射信号，采用计数、幅度、上升数据、持续数据、能量这些传统的声发射参数。窄带谐振式传感器灵敏度较高并且有很高的信噪比，价格便宜，规格多，如在知晓声源传播基本特性、想获取某一频带范围的AE信号来进行处理或想提高系统灵敏度，选择合适型号的谐振式传感器比较好，如声源定位。应当指出所谓谐振式窄带传感器并不是只对某频率信号敏感，而是对某频率带信号敏感，其它频率带信号灵敏度较低。在下面频响曲线图可以很清楚的看到该传感器在75kHz左右也有60dB的灵敏度。

　　2. 宽频带传感器，也称宽带传感器。
　　在失去了与源有关的力学机理的情况下，用谐振式传感器来测量声发射信号有其它的局限性。为了测量到更加接近真实声发射信号来研究声源特性，就需得使用宽带传感器(图2)来获取更广频率范围的信号。宽带响应的传感器的主要优点是采集到的声发射信号丰富，全面，当然其中也包含着噪声信号。传感器是宽带、高保真位移或速度传感器以便捕捉到真实的波形。

　　传感器的幅频特性与其压电元件的厚度有关，宽频带传感器一般是由多个不同厚度的压电元件组成，这种传感器的操作频率一般为几十kHz到几MHz，适合探测声发射源频率很丰富的材料，但其缺点是灵敏度比谐振式的要低。但其频响曲线非常平坦，很适合做波形分析用。

　　3. 差动传感器
　　差动传感器也称差分传感器，由两个正负极差接的压电元件组成，输出相应变化的差动信号。其抗共模干扰能力强，适合噪声来源复杂的现场使用，一般会在传感器型号上加D来区分(Differential)。

　　4. 微型传感器
　　微型传感器具有小巧的外形结构，适合探测小型试件的声发射。但由于压电元件小，灵敏度较低，一般在传感器型号上加M来区分(Micro)。

　　5. 内置前放的传感器
　　这种传感器将声发射信号的前置放大器与压电元件一起置入探头的不锈钢外壳中，因此具有最好的抗电磁干扰能力，而且传感器的灵敏度不受影响。这种传感器在现场检测中使用十分方便，一般在传感器型号上加I来区分(Integral Preamp)。

　　6. 防水传感器
　　也称浸入式传感器，这种传感器经过密封防水处理，可以在水中对构件进行声发射检测，一般在传感器型号上加W来区分(Water-proof)。

　　7. 高温传感器
　　这种传感器适合在高温环境下长时间工作，要求压电元件具有高温稳定性能，它的居里温度远高于使用温度。高温传感器的使用温度范围为-20～+200℃甚至更高。

　　8. 低温传感器
　　这种传感器适合在低温环境下长时间工作，要求压电元件具有低温稳定性能，譬如富士的AE154DL低温传感器的使用温度范围为-196～+80℃。

　　9. 磁吸附传感器
　　它可以直接吸附在铁磁材料的检测对象上，达到充分接触耦合的目的。由于切变波传感器不能采用油耦合，所以它常采用磁吸附传感器的结构。

　　10. 空气耦合传感器
　　这种传感器以空气为耦合剂，中心频率一般为40kHz，最适合在非接触情况下进行在用压力容器的泄漏监测或局部放电检测。

　　11. 标准传感器
　　标准传感器是用来标定其他传感器的声发射传感器，具有很平坦的频率响应。但价格稍高，仅用在计量单位或声发射传感器生产厂家对传感器进行校准使用。

　　12. 专用声发射传感器
　　针对特定用途的声发射传感器，譬如专门针对岩体稳定性监测的传感器，在监测预报岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等场合有广泛的应用。

　　13. 三分量传感器
　　在材料表面一点上，能同时获得一个纵向振动和两个相互垂直的切变振动的传感器。

　　14. 电容传感器
　　这是一种直流偏置的静电式传感器，用它可以测量试件表面的垂直位移，所以也是一种位移传感器。由于它在很宽的频率范围内具有平坦的响应特性，因此可用于声发射信号的频谱分析和传感器标定。缺点是灵敏度不够高。

　　15. 锥形传感器
　　这种传感器采用NBS型的锥形探头, 灵敏度很高, 频谱相应也很宽。

　　16. 低频拟制传感器
　　它具有低频拟制能力，但对于表面波声发射信号有接近一般传感器的灵敏度。

　　17. 光学传感器
　　也称光纤声发射传感器，它应用Michelson干涉仪的原理，以相干长度十分大的激光的干涉来测量弹性波引起样品表面的垂直位移，它不与样品直接接触，因此具有很宽的通频带，并且可以绝对标定，但由于受波长所限，且本底噪音不易消除，其探测灵敏度不高。

　　18. 可转动传感器
　　这种传感器采用干耦合旋转式结构，在生产过程中，在传感器位置固定的情况下对移动的工件进行连续监测，譬如对铁轨或列车轮毂的声发射检测。

　　19. 复合传感器
　　这种传感器除了对声发射波敏感外，还可测试传感器布放位置的温度、振动等信号，因此特别适合声发射信号和其他温度、振动信号的综合检测。

　　其实，凡是能将物体表面振动声波转变成电量的传感器都可作为声发射传感器，因此那些在超声检测领域中的各种类型传感器都有可能作为声发射传感器，例如光学原理测物体表面微小位移的传感器、电磁原理测物体表面微小位移的传感器等。但由于声发射信号相对而言更弱小，大多数非压电原理的传感器的灵敏度都不够高，只能用于少数特殊情况。

　　压电声发射传感器的结构

　　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、镓酸锂、锗酸铋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和压电半导体。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&#8315;&#8309;s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。

　　压电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6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。

　　压电声发射传感器的特性

　　压电声发射传感器的特性包括：
　　      · 频响宽度
　　      · 谐振频率
　　      · 幅度灵敏度。

　　这些特性受下列因素的影响：
　　      · 晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数;
　　      · 晶片的阻尼块及壳体中安装方式;
　　      · 传感器的耦合、安装及试件的声学特性。


　　压电晶片的谐振频率(f)与其厚度(t)的乘积为常数，约等于0.5倍波速(V)，即f&#8226;t=0.5V，可见，晶片的谐振频率与其厚度成反比。这也是为何谐振频率越低的声发射传感器体积越大的原因。

　　声发射传感器的频响宽度又称频率带宽，一般是以传感器响应的峰值往下降10dB，然后画一根与X轴平行的直线，这条直线与传感器频响曲线的两个交点就是传感器的下限与上限。因此传感器的带宽也称10dB带宽。

　　从上图中很明显可以看到峰值灵敏度约为85dB，往下降低10dB即为75dB，从75dB处画一条平行于X轴的水平线(红色直线)，这条直线与蓝色的频响曲线有两个交点(红色圆圈处)，对应的X轴的频率分别是30kHz和140kHz，因此传感器的频率带宽(10dB带宽)就是30kHz~140kHz。

　　声发射传感器的选择

　　声发射传感器的选择应根据被测声发射信号来确定。首先是了解被测声发射信号的频率范围和幅度范围，包括有可能存在的噪音信号。

　　如何选择合适的传感器：
　　      · 钢材中焊接缺陷产生的声发射源一般信号频率范围在150-600kHz;
　　      · 储罐、锅炉等压力容器的缺陷产生的声发射信号源一般在100kHz~300kHz;
　　      · 混凝土材料结构的声发射信号源一般在40kHz~100kHz;
　　      · 变压器局部放电的声发射信号频率一般在用30kHz~140kHz;
　　      · 花岗岩等硬脆性岩石结构的声发射信号频率一般集中在80kHz~400kHz;
　　      · 煤岩等较软的岩石结构中的声发射信号一般在20kHz~110kHz;
　　      · 金属管道泄漏等场合的声发射信号频率集中在10kHz~70kHz的较低频段;
　　      · 碳纤维、复合材料一般集中在较高的300kHz~1000kHz频带;
　　      · 在部分设备打火放电的场合，且不适合接触式的检测，常常用到空气耦合的传感器;
　　      · 在刀具磨损检测场合一般用频带在80kHz~400kHz或带宽100kHz~500kHz的传感器。

　　当然，有条件最好用宽带传感器或标准传感器来实际测试确定。然后选择相对感兴趣的声发射信号灵敏、对噪音信号不灵敏的传感器进行检测。

　　声发射传感器的使用及及注意事项
　　声发射传感器的敏感元件大多是压电陶瓷材料的，容易破碎，因此要小心使用，避免碰撞和跌落，尤其是自带磁吸附装置的传感器。
　　      · 在安装时要先将传感器一侧紧挨工件表面，然后慢慢放下另外一侧，切不可直接吸附上去，否则将会导致压电陶瓷晶片破碎。
　　      · 在安装传感器的部分需要光洁、平整，如果是金属材料，有条件的最好打磨，使其表面露出金属光泽。然后涂抹上耦合剂，放上传感器之后轻轻平移传感器，使耦合剂分布均匀。
　　      · 在某些破坏性试验场合，需要注意声发射传感器的布点，尽量避免传感器的跌落。譬如在用试验机将岩石压碎的场合，最好能将传感器用软线固定在支架上，这样即便岩样破碎，传感器也不至于跌落地上而摔碎。
　　      · 在刀具磨损监测场合，由于刀具是转动的，而传感器只能固定在不动的部位，因此可遵循一个原则——传感器固定在离被测刀具距离最近且不运动的位置。在检测过程中，声发射传感器的电缆也最好不要触碰。

　　来源：翔鹏科技《声发射传感器》