声发射传感器:声发射传感器

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声发射传感器
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声发射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。声发射传感器设计不合理,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声发射传感器和宽带响应的声发射传感器。
中文名
声发射传感器
类 型
电子设备
频 率
25KHz~10MHz
波 形
阻尼正弦波
目录
1
产品简介
2
参数技术
3
产品分类
?
宽带响应
?
谐振响应
?
特殊声
4
选择方法
5
产品结构
6
产品压电元件
声发射传感器产品简介
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声发射传感器(AE传感器)声发射传感器的主要类型有:高灵敏度声发射传感器,是应用最多的一种谐振式声发射传感器;宽频带声发射传感器,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;高温声发射传感器,通常由铌酸锂或钛酸铅陶瓷制成;差动声发射传感器,是由两只正负极差接的压电元件组成的,输出相应的差动信号,信号因迭加而增大;此外,还有微型声发射传感器、磁吸附声发射传感器、低频抑制声发射传感器和电容式声发射传感器等。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25KHz~10MHz,因此选用谐振式声发射传感器比较适合。
声发射传感器参数技术
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谐振式声发射传感器参数技术的基础归结于两个基本假设:(1) 声发射是阻尼正弦波;(2) 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,谐振声发射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。
声发射传感器产品分类
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声发射传感器宽带响应
在失去了与源有关的力学机理的情况下,用谐振式声发射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,就需得使用宽带声发射传感器来获取更广频率范围的信号。宽带响应的声发射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。声发射传感器是宽带、高保真位移或速度声发射传感器以便捕捉到真实的波形。
声发射传感器谐振响应
金属材料和其它应用场合常使用标称频率150KHz的谐振式窄带声发射传感器,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。窄带谐振式声发射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声发射传感器比较好,如声源定位。应当指出所谓谐振式窄带声发射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。
声发射传感器特殊声
凡是能将物体表面振动声波转变成电量的声发射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声发射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声发射传感器、电磁原理测物体表面微小位移的声发射传感器等。但由于声发射信号相对而言更弱小,大多数非压电原理的声发射传感器灵敏度不够只能用于特殊情况。另一类采用压电原理的特殊声发射传感器为转变指定声波振动方向的振动量,如平行测试物体表面的振动量和垂直测试物体表面的振动量等。由于这类声发射传感器的实际效果有待验证,目前仅见用于研究和特殊情况。
声发射传感器选择方法
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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。可以是经验了解,如钢材中焊接缺陷产生的声发射源实验结果认为信号频率范围在25-750KHZ内等,但有条件最好实际测试确定。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声发射传感器进行检测。
声发射传感器产品结构
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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声发射传感器。其中,谐振式高灵敏度声发射传感器是声发射检测中使用最多的一种。单端谐振式声发射传感器的结构简单,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。
声发射传感器产品压电元件
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声发射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,使物性型声发射传感器得到很大的发展。因此了解声发射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。国内的压电陶瓷材料价格便宜,因而在低端声发射传感器中应用较多,但在一致性和温度稳定性方面稍有下降。而进口高端的声发射传感器一般选用国外进口(日本、德国、美国、瑞士等)生产的压电陶瓷元件。其一致性、可靠性、稳定性比普通的传感器要好很多,从而形成应用于不同环境的ZHAES声发射传感器产品。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)。
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发射传感器的主要元件是压电陶瓷压电陶瓷的特性我们之前讲过本文主要介绍各类传感器的结构谐振式传感器谐振式声发射传感器一般由壳体、耦合面、压电元件、连接导线及接线端子组成。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。耦合面起...
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声发射传感器:声发射传感器  第1张

声发射传感器:声发射传感器的内部结构

声发射传感器主要有谐振式、宽带型、内置前放型和差动型几种结构体。

下文详细介绍了几种传感器的结构和各结构的作用。

1.谐振式声发射传感器一般由壳体、耦合面、压电元件、连接导线及接线端子组成;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;压电元件通常采用锆钛酸铅陶瓷晶片,起到声电转换作用;耦合面起到绝缘和保护压电陶瓷的作用;金属外壳对电磁干扰起屏蔽作用。

2.宽带型声发射传感器除了谐振式传感器的部分之外,还加入阻尼材料抑制部分谐振。

3.内置前放型声发射传感器在谐振式传感器的基础上,加了一个预放大器,

通过前置放大器和预放大器组合可以实现高灵敏度和低噪音。

4.差分型声发射传感器有两压对称的压电元件组成,后接差分放大器,用于消除共模信号。

5.以上的声发射传感器都是接触型的传感器。

之外,还有一类是空气耦合的声发射传感器。结构有些差异。

友情提示:内部压电陶瓷谐振频率不等于传感器谐振频率!

声发射传感器:声发射传感器详细介绍资料

声 发 射 传 感 器
Acoustic Emission Sensor
一、声发射传感器的原理 二、声发射传感器的分类 三、压电声发射传感器的结构 四、压电声发射传感器的特性 五、声发射传感器的选择 六、声发射传感器的使用及及注意事项 七、声发射传感器的校准 八、声发射传感器的附件、耦合、安装 九、声发射传感器的存放、运输、保养及定制
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。
图 1.1 声发射检测系统的结构 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。
一、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。
二、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:
① 声发射是阻尼正弦波;
② 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(如 PXR15 型声发射传感器)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
图 2.1 PXR15 型声发射传感器频响曲线
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。在上面的 PXR15 的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 2.2)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。典型产品有日本富士的 AE1045S 宽带 传感器。其频响曲线如下:
图 2.2 AE1045S 宽带传感器的幅频特性曲线
(3)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)。
图 2.3 采用双芯 BNC 输出的 AE105D 差分传感器
(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)。
图 2.4 小体积的 M31 声发射传感器(体积仅为 3*3mm)
(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)。典型产品有富士的 AE204SW。
(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,譬如 AE204DH。
(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,PXR 系列中大部分型号都可以提供带磁吸附 装置的声发射传感器。
(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,譬如 PXR04A 型声发射传感器。
(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。如富士的 REF-VL 低频段标准传 感器和 REF10M 高频段标准传感器。
(12)专用声发射传感器:针对特定用途的声发射传感器,譬如 PXR001 低频岩体监测声发射传感器就是 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。 富士也针对管道泄漏专门研制生产了一款 ABS-7000 型漏水监听声发射传感器。
(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。
图 2.5 HS-10A-10M2 振动声发射复合传感器 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。
三、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 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。 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 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。 图 3.1 单端谐振式传感器结构 四、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: ① 晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数; ② 晶片的阻尼块及壳体中安装方式; ③ 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?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。下图即是 PXR04 型谐振式声发射传感器的频响曲线图。 图 3.2 PXR04 谐振式声发射传感器频响曲线 从上图中很明显可以看到 PXR04 传感器的峰值灵敏度约为 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,因此说 PXR04 传感器的频率带宽(10dB 带宽)就是 30kHz~140kHz。 五、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。 鹏翔科技 PXR 系列声发射传感器从 2006 年 11 月开始部分采用进口的 PZT 敏感元件,随着 PXR03 型声发射传感器在 2008 年 10 月成功升级,至此,PXR 全系列声发射传感器均全部采用进口的 PZT 敏 感元件。日本是世界著名的压电陶瓷的产地,其 PZT 材料和加工工艺具有世界领先水平,PXR 声发射传 感器采用其 PZT 敏感元件后,在灵敏度、一致性、温度稳定性等诸多方面都有明显的优势。 在广大客户的大量试验基础上,我们得到了如下的传感器选择经验: ① 钢材中焊接缺陷产生的声发射源一般认为信号频率范围在 150-600kHz,常用 PXR20; ② 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,常用 PXR15; ③ 混凝土材料结构的声发射信号源一般在 40kHz~100kHz,常用 PXR07 或 R6a; ④ 变压器局部放电的声发射信号频率一般在用 30kHz~140kHz,常用 PXR04 或 D9241A; ⑤ 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,常用 PXR30; ⑥ 煤岩等较软的岩石结构中的声发射信号一般在 20kHz~110kHz,常用 PXR03; ⑦ 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,常用 PXR02; ⑧ 碳纤维、复合材料一般集中在较高的 300kHz~1000kHz 频带,常用 PXR50; ⑨ 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 PXR40A; ⑩ 在刀具磨损检测场合一般用频带在 80kHz~400kHz 的 PXR30 或带宽 100kHz~500kHz 的 PXR40。 当然,这些只是经验了解,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。 六、声发射传感器的使用及注意事项 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。 七、声发射传感器的校准 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: d(t) u(t) 系统 T(t) 图 7.1 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: 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、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 7.2 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。 图 7.2 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: 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 7.3 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 7.4 ,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, 图 7.3 激光脉冲法 图 7.4 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:: 其中,F——作用力; ——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 7.5)。当 入射角满足 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。 图 7.5 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 7.6 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 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 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。 为了控制 PXR 系列声发射传感器的出厂品质,鹏翔科技引进了美国原装生产的声发射传感器校准(标 定)系统,该校准系统涵盖了两套美国材料测试协会(ASTM)制定的声发射传感器器标定标准: 1、 ASTM E976-00 “Standard Guide for Determine the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response”。 2、 ASTM E1781-98 “Standard Practice for Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors” 溯源于 ASTM E1106-86 “Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors”。 该校准系统配置了波形发生卡,声发射卡,前置放大器,NIST 传感器,阻抗匹配器 FF-Calib-AT,脉冲 传感器 FF-Calib-Pulser,低噪声电缆,校准计算机 FF-Calib-PC,校准软件 FF-Calib-Tech,声速标定 传感器 S9208-Calib。 目前国内仅有两套该校准系统,另外一套为北京理工大学无损检测技术联合实验室所有。 八、声发射传感器的附件、耦合、安装 声发射信号经传输介质、耦合介质、换能器、测量电路而获取,以下可看出 接受到的信号影响因素很多。因此,在传感器表面和检测面的耦合以及传感器的安装等细节方面都要严格 要求。 1、耦合剂 使用耦合剂的目的首先是充填接触面之间的微小空隙,不使这些空隙间的微量空气影响声波的穿透;其次 是通过耦合剂的“过渡”作用,使传感器与检测面之间的声阻抗差减小,从而减小能量在此界面的反射损失。 另外,还起到“润滑”作用,减小传感器面与检测面之间的摩擦。 耦合剂的好坏与得到的信号质量密切相关。质量不好的耦合剂可使声波能量损失,分辨力降低,甚至损坏 传感器。耦合剂的性能要求如下: (1)声衰减系数小,透声良好; (2)声阻抗介于传感器的面材与检测面之间,匹配良好; (3)粘附力低,容易擦掉; (4)粘滞性适中,使用时不会流淌,又容易挤出; (5)保湿性适中,不容易干燥; (6)外观上色泽鲜明,透明度高,不含气泡; (7)均匀性好,不含颗粒或杂质,使用时不堵塞管口; (8)稳定性好,不变色、不改变稠度、不分层、不析出、不变质、不腐败; (9)不腐蚀或损坏传感器。 因此,提高检测率,减少耦合影响,降低检测成本有着重要意义。常用耦合剂为真空硅脂。 2、声发射传感器固定方法 传感器的固定方法主要包括机械固定、粘接固定和磁吸附固定方式。选择何种固定方式主要根据传感器的 类型和待测面表面情况和对声发射信号的影响情况所决定。 3、波导 有些情况不能将声发射传感器直接放在被测试对象的表面例如高温、高压、低温、表面疏松等,而需要通 过波导实现声联接即通过波导接收声发射信号。常见的波导有金属棒或金属管组成的波导,一端固定(焊 接或机械连接)在检测对象表面,另一端面上放置声发射传感器。 九、声发射传感器的存放、运输、保养及定制 大部分声发射传感器的敏感元件都是压电陶瓷材料和金属外壳,不需要特别的保养,每次使用后将耦 合剂或灰尘擦拭干净即可。如果遇到强烈碰撞或不慎跌落则很容易破碎。因此需要存放在干燥、稳固且平 坦的地方,或者装入专用的包装箱中,在运输时需要使用防震材料或专用的运输箱。 声发射传感器:声发射传感器  第2张

声发射传感器:德国UNIDOR声发射传感器

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