声发射传感器原理和结构

发布时间：2023-08-09 13:35　阅读次数：

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。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）。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。声发射传感器是利用正压电效应把声波装换成电信号。
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）。

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的产生。

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。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。

分体单端声发射传感器结构简单，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，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。

为降低使用复杂度并提高稳定性，在分体式传感器基础上内置前置放大器，形成内置增益型一体化传感器。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，分体谐振式传感器是声发射检测中使用最多的一种。

声发射传感器分类

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：谐振式传感器、宽频带传感器、差分传感器和内置前放传感器。还有一些特定场景使用的声发射传感器，如高温、防水、微型、本安防爆等等。

由于应用的不同，声发射传感器的种类很多。选择适合声发射应用的传感器对于测量的成功和可靠性至关重要。在大多数情况下，传感器选择的主要标准传感器的频率响应适用于检测应用。在一些特殊的应用环境下(高温、油浸、水浸、电磁环境等)，可能会对AE传感器的选择造成更严格的限制。

声发射传感器选型流程图

声发射传感器的频率范围通常分为四类：超低频(5kHz~20kHz)、低频(20kHz~100kHz)、中频(100kHz~400kHz)和高频(>400kHz)。原因是随着单位距离衰减频率的增加，400kHz以上的频率对于很多应用中的测量意义不大。此外，根据大多数声发射应用，使用这种方法对传感器进行快速分类非常有用。在非常宽的频率范围内响应的AE传感器称为宽带传感器。宽带AE传感器具有平坦的响应曲线。在研究中通常用于分析感兴趣的未知频率并对采集到的信号进行频谱分析。

如果是为了测量信号源的频率成分，应该选择平滑相应的宽带传感器，再去做频谱分析;如果是为了测某一频率段的信号，可以选用高灵敏度的谐振传感器。声发射实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属结构，如压力容器等，这类应用常使用频率150KHz谐振频率传感器来接收声发射信号；对于腐蚀、泄漏等二类声发射信号，多使用谐振频率40KHz的谐振式传感器。比如经典的一些声发射传感器应用有：

用途和材质	一般推荐清诚声发射传感器
压力容器储罐裂缝检测	G150、GI150系列
罐底腐蚀、管道泄漏	G40、GI40系列
阀门泄漏、轴承裂纹检测	GI35、GI40系列
桥梁悬索断裂监测	GI40、GI150系列
风电叶片裂纹监测	GI40、G80、GI150系列
刀具磨损、断裂监测	W800
悬臂吊车载人工作平台	GI40（玻璃纤维）、GI150（金属）
变压器局部放电检测	GI40（GIS气介）、GI150（油浸式）系列

这些只是一般类似场景的经验整理，有条件最好用宽带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。