声发射传感器的应用和优势

1.传感器工作原理

某些晶体受力产生变形时其表面出现电荷，而在电场的作用下晶片可发生弹性变形，这两种现象统称为压电效应，前一种现象又叫正压电效应，后一种现象又称为负（反）压电效应。常用声发射传感器的工作原理，基于晶体元器件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，送入信号处理器，完成信号处理过程。

压电材料多为非金属介电晶体，包括锆钛酸铅、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（PZT-5）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。

传感器的特性主要包括：频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度。传感器特性取决于许多因素，包括：①晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；②晶片的阻尼块及在壳体中安装方式；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υ，即ft=0.5υ，可见，晶片的谐振频率与其厚度成反比。

2.传感器的类型与选择

传感器属检测系统的关键部件，其响应多敏感于表面振动的垂直位移，包括：位移、位移速度、位移加速度，这主要取决于传感器的频率响应和灵敏度特性。

传感器从工作原理上主要分为压电型、电容型和光学型三大类。其中，压电型是实际检测中适用最广泛的传感器类型。压电型传感器从工作原理及结构型式、外观尺寸、功能上又可分为：谐振式（单端和差动式）、宽频带式、锥形式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式，其主要类型、特点和适用范围见表3.1-3。

表3-1.3 传感器的类型、特点和适用范围

3.结构形式

常用的压电型谐振传感器的结构形式如图3.1-7所示。

压电元件多采用锆钛酸铅陶瓷晶片（PZT-5），起着声电转换的作用，其两表面镀上5～19μm厚的银膜，起着电极的作用。陶瓷保护膜，起着保护晶片及传感器与被检体之间的电绝缘作用。金属外壳对电磁干扰起着屏蔽的作用。导电胶，起着固定晶片与导电的作用。在差动式传感器中，正负极差接而成的两个晶片，可输出差动信号，起着抑制共模电噪声的作用。传感器材料选择，还应考虑诸如温度、腐蚀、核辐射、压力等检测环境因素。(www.xing528.com)

4.传感器灵敏度校准方法

（1）传感器绝对灵敏度校准绝对灵敏度校准是声发射定性定量分析、二级标准传感器选择所不可缺少的环节，有表面波脉冲法和互易法两种。绝对灵敏度M，一般用在一定频率下，传感器的输入电压（单位为V）与表面垂直位移速度（单位为m/s）之比来表示，其单位为：V/（m/s）。

1）瑞利波脉冲法。在半无限体钢制试块表面上，以铅笔芯或玻璃细管的断裂作为阶跃力点源，如测得标准电容位移传感器和待校传感器对表面波脉冲的响应，则即可按定义算出绝对灵敏度。该校准方法已纳入ASTM标准（ISO12713：1998（E）、ISO12714：1999（E）），在0.1～1MHz频率内，校准的不确定度可达±15%（90%置信度）。国内也已建立起此类校准系统，传感器灵敏度校准曲线的示例如图3.1-8所示。

图3.1-7 压电型谐振传感器的结构

图3.1-8 差动宽频带传感器绝对灵敏度曲线

瑞利波脉冲法，操作不便，但与检测实际相近，除了一般传感器校准外，还可用于二级标准传感器的校准。

2）互易法。根据传感器的机电变换的可逆性原理，在半无限体试块表面上，只要比较一组同类传感器之间的电气特性，即可测出绝对灵敏度。此法不需直接测量表面的法向位移，因而操作比较简便，但每次校准需提供三个同类待校传感器。该方法已纳入日本无损检测协会标准，在0.05～1MHz频率内，可提供瑞利波和纵波灵敏度。

（2）传感器相对灵敏度校准在批量检测中，需要一种简便而经济的相对校准方法，以比较传感器灵敏度的变化。此类方法只提供传感器对模拟源的相对幅度或频率响应。

常用的对接法，一般由小型试块、以扫频仪为激励源的超声传感器（谐振频率大于2.5MHz）及电压表构成，可用来比较传感器的频率响应。作为一简便的方法，可由小型试块、电脉冲发生器、声发射仪等构成。用声发射仪记录传感器对模拟信号的响应幅度，也可与已知灵敏度的标准传感器作比较，其原理如图3.1-9所示。