壓電晶片有源傳感器的聲發(fā)射特性研究

張麗梅，馮玉志，石 帥，郭 濤

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

聲發(fā)射(AE)技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和無損檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1].疲勞裂紋的聲發(fā)射一直是研究人員感興趣的問題.作為AE探測的關(guān)鍵部件，AE傳感器可以幫助研究人員對(duì)AE源物理特性的認(rèn)識(shí)更加全面.

目前，有多種AE傳感器用于AE信號(hào)的檢測，如光纖布拉格光柵(FBG)AE傳感器，其具有高靈敏度和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，但是，光電檢測器的光學(xué)噪聲會(huì)導(dǎo)致光纖傳感器無法得到低振幅的AE信號(hào)[2]；耦合壓電薄膜應(yīng)變傳感器可以檢測表面波占主導(dǎo)地位的厚試件上的缺口聲發(fā)射[3]；單片壓電陶瓷片也可用于測量聲發(fā)射，但是壓電陶瓷AE傳感器對(duì)彎曲波運(yùn)動(dòng)(垂直表面運(yùn)動(dòng))最敏感，適合用于大沖擊、大擾動(dòng)、玻璃破裂等引起的具有高振幅的發(fā)射現(xiàn)象[4].

壓電晶片有源傳感器(PWAS)是最近發(fā)展起來的一種主動(dòng)進(jìn)行無損監(jiān)測的方法，它具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜和便于加工成型等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、損傷診斷和無損監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)化方面具有良好的發(fā)展前景.它可以安裝在結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部，甚至可以嵌入結(jié)構(gòu)層與非結(jié)構(gòu)之間.Yeasin等[5]將PWAS埋入結(jié)構(gòu)中，利用機(jī)電阻抗方法將基體結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗與PWAS兩端所測得的電阻抗進(jìn)行耦合，PWAS兩端所測得的E/M阻抗實(shí)數(shù)部分的波峰谷譜線反映了結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振譜，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的損傷檢測；Joseph等[6]使用PWAS作為共振器，在電激勵(lì)下產(chǎn)生機(jī)械共振，利用PWAS和函數(shù)發(fā)生器的簡單組合構(gòu)建了非常精確的頻率標(biāo)準(zhǔn)，通過精細(xì)加工PWAS尺寸可得到準(zhǔn)確的頻率值.國內(nèi)對(duì)PWAS的研究報(bào)道較少，使用PWAS進(jìn)行監(jiān)測的方法還在研究和發(fā)展中，尤其在疲勞裂紋產(chǎn)生的AE信號(hào)中的適用性尚待分析.因此，本文使用PWAS對(duì)鋼試件產(chǎn)生的疲勞裂紋聲發(fā)射進(jìn)行了初步的捕獲試驗(yàn)，結(jié)果證明，PWAS成功捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射，與商用AE傳感器(S9225)相比，PWAS在高頻區(qū)域顯示出更好的信噪比.

1 傳感器選用和工作原理

1.1 PWAS傳感器

本文選用的PWAS為購買的國產(chǎn)壓電晶片，實(shí)物圖如圖1 所示，其直徑8 mm，厚度5 mm.研究表明，PWAS的厚度影響聲波的傳感，且5 mm厚的PWAS可以產(chǎn)生足夠的電壓信號(hào)來檢測聲應(yīng)變波.

圖1 PWAS實(shí)物圖

PWAS的傳感機(jī)理如圖2 所示，它可以測量對(duì)稱(波運(yùn)動(dòng)主要在平面內(nèi))和反對(duì)稱(波運(yùn)動(dòng)主要在平面外)蘭姆波模式.PWAS的壓電本構(gòu)方程為

圖2 PWAS傳感機(jī)理

(1)

(2)

1.2 S9225商用AE傳感器

S9225傳感器的截面示意圖如圖3 所示.

圖3 S9225 AE傳感器截面示意圖

該傳感器在鋼制外殼內(nèi)有多個(gè)組件，包括墊板、PZT元件、電極和阻尼材料.PZT元件的頂部電極連接到輸出插座，底部電極接地到外殼.粘合劑用于將AE傳感器粘合到主體結(jié)構(gòu)[9-10].本文選用帶寬為20 kHz～700 kHz的S9225商用AE傳感器與PWAS傳感器進(jìn)行對(duì)比.

2 AE疲勞試驗(yàn)

對(duì)PWAS傳感器和商用AE傳感器S9225進(jìn)行AE疲勞試驗(yàn)，測量軸向循環(huán)疲勞載荷作用下疲勞裂紋擴(kuò)展的AE信號(hào).測試樣品選擇常被用來制作飛機(jī)易疲勞部件的Al-2024T3材料，樣品的尺寸為100 mm×100 mm×1 mm.

實(shí)驗(yàn)裝置工作原理如圖4 所示.

圖4 試驗(yàn)設(shè)備工作原理

在試件中心鉆一個(gè)直徑為1 mm的小孔，在循環(huán)疲勞載荷作用下產(chǎn)生一個(gè)約20 mm的預(yù)裂紋.第一組試驗(yàn)將PWAS和S9225對(duì)稱地粘合在裂縫兩邊距疲勞裂紋10 mm處(疲勞裂紋位于樣品中心)；第二組試驗(yàn)將PWAS和S9225位置調(diào)換，其余條件不變.樣品周圍使用吸波黏土邊界，以防止AE信號(hào)被來自板邊緣的反射波信號(hào)污染[11].兩個(gè)傳感器連接著相同的前置放大器，前置放大器內(nèi)置一個(gè)帶通濾波器(30 kHz～700 kHz)用于濾除機(jī)械干擾(如試驗(yàn)機(jī)抓地力，吸波粘土邊界與試樣之間的摩擦等)中的噪聲.經(jīng)放大濾波后的信號(hào)供后端采集使用，AE檢測系統(tǒng)框圖如圖5 所示.

圖5 AE 檢測系統(tǒng)框圖

采用液壓MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行疲勞加載，軸向拉伸循環(huán)疲勞載荷在最大載荷水平和最小載荷水平之間呈正弦變化，并且保持比率σmin/σmax為0.1.最大負(fù)載水平Fmax為12.3 kN，最小負(fù)載水平Fmin為1.23 kN.使用慢速加載速率(0.05 Hz)可避免加載頻率與AE信號(hào)頻率發(fā)生干擾.

3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，PWAS和S9225采集到的AE命中信號(hào)如圖6 所示，從圖6(a)可以看出，PWAS有較低幅度的AE命中，其命中幅度基本恒定在70 dB，且在70 dB上下都有少量分布；同樣，S9225也捕獲到AE命中，如圖6(b)所示，其命中基本恒定在45 dB，且在 45 dB 上下也有少量分布.PWAS和S9225均捕獲到了550 s后發(fā)生的新AE命中事件，新的AE命中具有比以前的AE命中更高的幅度，并且幅度幾乎是恒定的，只有很小的變化.

圖6 PWAS和S9225傳感器捕獲信號(hào)圖

基于以上AE命中分析，PWAS和S9225都以非常相似的細(xì)節(jié)捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的AE信號(hào).為了對(duì)波形做進(jìn)一步分析，重點(diǎn)考慮了AE信號(hào)的最大幅度、時(shí)域模式和頻譜等參數(shù)，從而比較PWAS和S9225兩種傳感器的特性.每個(gè)AE命中都對(duì)應(yīng)一個(gè)AE波形，而對(duì)時(shí)域波形做快速傅立葉變換(FFT)即可獲得該波形的頻譜.因此，對(duì)于AE波形的分析可能有助于更多地了解不同AE命中的演化.

下面對(duì)所圈部分信號(hào)(分別用A，B和C組來表示)分別進(jìn)行基于AE波形的分析.

首先選擇A組信號(hào)密集的部分波形進(jìn)行代表性分析比較，PWAS和S9225 捕獲的時(shí)域和頻域波形分別如圖7(a)和圖7(b)所示.可以看出，兩種傳感器均捕獲到40 kHz和100 kHz的信號(hào)，但是，PWAS傳感器還捕獲到約370 kHz的信號(hào)，峰值約0.3 dB，而該峰值在S9225捕獲信號(hào)中幾乎沒有.

圖7 第一組實(shí)驗(yàn)A組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

對(duì)B組信號(hào)密集部分波形進(jìn)行分析比較，PWAS和S9225傳感器捕獲的時(shí)域和頻域波形分別如圖8(a)和圖8(b)所示，可以看出，PWAS和S9225 AE傳感器均可捕獲 150 kHz 以下的信號(hào).但是，PWAS傳感器還捕獲了220 kHz和450 kHz 的信號(hào)，幅值達(dá)0.4 dB，而這兩個(gè)頻率點(diǎn)在S9225捕獲的頻譜中幅值小于 0.1 dB.

圖8 第一組實(shí)驗(yàn)B組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

圖9(a)和圖9(b)中分別顯示了對(duì)于C組信號(hào)，PWAS和S9225的時(shí)域和頻譜波形.兩種傳感器都具有30 kHz，60 kHz，100 kHz，220 kHz，450 kHz 的峰值，但同B組信號(hào)類似，S9225在220 kHz 和450 kHz峰值頻率下的響應(yīng)幅值小于0.1 dB，而PWAS捕獲的220 kHz頻率幅值達(dá)0.45 dB，450 kHz頻率峰值為0.2 dB.

圖9 第一組實(shí)驗(yàn)C組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

將PWAS和S9225傳感器互換位置后，再進(jìn)行同條件加載試驗(yàn)，對(duì)裂紋擴(kuò)展過程采集到的波形進(jìn)行時(shí)頻域分析，得到的A，B，C組時(shí)頻域信號(hào)如圖10～圖12 所示.可見，A組信號(hào)中PWAS在210 kHz和400 kHz頻率附近峰值較S9225大，B組信號(hào)中220 kHz頻譜峰值較大，而C組信號(hào)中480 kHz頻譜峰值高于S9225，但在100 kHz～200 kHz 的頻譜中，S9225的信號(hào)峰值要高于PWAS.本次試驗(yàn)中，S9225在低頻部分捕獲信號(hào)峰值更高，與第一組試驗(yàn)結(jié)果不太一致，可能與安裝位置、粘接強(qiáng)度、環(huán)境噪聲等因素有關(guān).

圖10 第二組試驗(yàn)A組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

圖11 第二組試驗(yàn)B組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

圖12 第二組試驗(yàn)C組信號(hào)時(shí)域和頻域圖

綜合以上分析，PWAS成功捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射，通過對(duì)比兩種傳感器的信號(hào)，可見AE傳感器類型對(duì)捕獲的AE波形及其頻譜有重大影響.與S9225傳感器相比，PWAS在高頻區(qū)域顯示出更好的信噪比，但S9225波形頻譜噪聲要比PWAS波形的噪聲小，可根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的傳感器.

4 結(jié) 語

PWAS傳感器具有諸多優(yōu)勢，如體積小、重量輕、價(jià)格便宜，并且可以根據(jù)不同的幾何形狀進(jìn)行生產(chǎn)，可以大量地永久粘結(jié)在主體結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，因此有著廣泛的應(yīng)用.本文通過試驗(yàn)證明了PWAS可用于疲勞裂紋的AE檢測，并且在高頻區(qū)域比商用S9225傳感器有更好的信噪比.

AE檢測技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康檢測和無損檢測的重要技術(shù)，對(duì)工程應(yīng)用具有重要價(jià)值，未來可通過進(jìn)一步分析PWAS的AE波形，找出與疲勞裂紋長度可能存在的相關(guān)性，這將是AE檢測技術(shù)的關(guān)鍵.