壓電膜片傳感器的聲發(fā)射特性研究

梁 穎，郭 濤，張程杰，啜燕軍，石 帥

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100000)

0 引 言

聲發(fā)射(AE)是揭示材料變形和損傷特征的有效方法，作為應(yīng)力材料塑性應(yīng)變引起的不可恢復(fù)能量耗散的一部分，聲發(fā)射與材料的失效密切相關(guān).監(jiān)測材料失效聲發(fā)射系統(tǒng)普遍包括AE傳感器、前置放大器與采集處理模塊，圖1 給出了系統(tǒng)相應(yīng)損傷監(jiān)測流程.其中，作為監(jiān)測系統(tǒng)的前端，AE傳感器的性能決定了系統(tǒng)記錄損傷源信號的質(zhì)量.

圖1 聲發(fā)射檢測原理圖

傳統(tǒng)商用AE傳感器多采用特定尺寸的PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷作為敏感元件，其靈敏度高，應(yīng)用廣泛，但特定尺寸PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷的加工會使生產(chǎn)成本與難度大大增加，而且在低頻聲發(fā)射傳感器中，該類敏感芯體的應(yīng)用受到一定限制[1]；除此之外，傳統(tǒng)商用AE傳感器多為諧振式，其諧振性通常會對聲發(fā)射信號造成調(diào)制，使信號波形失真[2].

因此，許多研究者在低成本和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上開發(fā)和尋求可替代壓電器件.文獻[3]利用0-3型壓電復(fù)合材料對AE傳感器進行制備，改變了傳統(tǒng)壓電陶瓷原料的高聲阻抗特性；文獻[4]采用壓電駐極體薄膜研發(fā)了形狀可調(diào)的柔性AE探頭，使其能夠較好地響應(yīng)于低頻段；文獻[5]將MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)應(yīng)用于AE傳感器的制備，使AE傳感器能夠工作在特定頻段內(nèi)，更適于對具有高能量釋放的AE源進行監(jiān)測；文獻[6]對不同尺寸材料的諧振頻率采取有限元(FEM)方式進行數(shù)值模擬，測試得到了適用于電力變壓器的材料尺寸；文獻[1]利用PVDF材料研制AE探頭，提升了AE探頭的抗振動與抗沖擊能力，拓寬了AE探頭工作頻帶.

前人采用不同材料對AE傳感器特性進行了優(yōu)化，然而，壓電隔膜在AE傳感器中的應(yīng)用還較少.除了成本低外，壓電隔膜還擁有構(gòu)造緊密，質(zhì)量小，響應(yīng)頻段廣[7]等特點，目前多用于蜂鳴器及各種揚聲報警設(shè)備中.在被檢工件上直接粘貼使用可能會降低壓電隔膜的重復(fù)使用率.因此，本文將壓電隔膜封裝在不銹鋼外殼中，通過斷鉛實驗對傳感器進行表征，對其時頻特性進行研究，并與商用AE傳感器特性進行對比.

1 聲發(fā)射傳感器工作機理

AE傳感器作為AE監(jiān)測系統(tǒng)的敏感元件，可以將被測物體表面的機械動態(tài)位移轉(zhuǎn)化為電信號，通過固定在被檢查結(jié)構(gòu)上完成對損傷源的診斷.

所設(shè)計低成本壓電隔膜傳感器的簡易結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其主要結(jié)構(gòu)有端蓋、附有高頻接口的不銹鋼外殼、磁體、壓電隔膜等，其中，壓電隔膜的重要成分為鋯鈦酸鉛(PZT).為減少AE傳感器的機械諧振，擴大傳感器的相應(yīng)作業(yè)頻段領(lǐng)域，殼體內(nèi)用高密度環(huán)氧樹脂進行密封.

圖2 低成本壓電隔膜傳感器簡易結(jié)構(gòu)

該傳感器通過鋯鈦酸鉛壓電隔膜的正壓電效應(yīng)將材料內(nèi)部應(yīng)力波信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于附加應(yīng)力場的影響，其敏感元件出現(xiàn)伸縮振動、內(nèi)極化和表面電荷現(xiàn)象.對應(yīng)壓電方程如式(1)所示

(1)

式中：Di表示在電荷輸出i方向上的相應(yīng)電位偏移；Tj是施加于膜片j方向上的應(yīng)力；dij表示應(yīng)變壓電系數(shù)，即施加于壓電隔膜j方向上的力在i方向上電荷量的產(chǎn)出.壓電隔膜經(jīng)極化處理后，其工作模式主要是沿厚度方向，則式(1)可簡化為

D3=d31T1+d32T2+d33T3，

(2)

式中：d31，d32，d33分別表示平面與厚度方向上壓電隔膜的應(yīng)變壓力常數(shù).由式(2)可知，敏感芯體的厚薄決定了其諧振頻率.

該研究所選壓電隔膜是市面常見類型，總直徑尺寸參數(shù)為φ20 mm，其中，壓電陶瓷(敏感元件)尺寸參數(shù)為φ15 mm，厚度為0.2 mm.封裝后壓電隔膜傳感器尺寸為φ28 mm×26 mm，商用AE傳感器不銹鋼外殼尺寸為φ19 mm×22.4 mm.

2 實驗驗證與數(shù)據(jù)采集

傳感器頻率響應(yīng)的評估是應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了對一個傳遞函數(shù)未知的傳感器進行頻率響應(yīng)的確定，需要對其聲發(fā)射脈沖響應(yīng)進行測試.由于鉛筆芯斷裂實驗易于實現(xiàn)，具有可重復(fù)性，因此，本文通過10次鉛筆芯斷裂實驗，測試壓電膜片傳感器在實際損傷檢測中的相應(yīng)靈敏度與頻響特性.

2.1 鉛筆芯斷裂實驗復(fù)現(xiàn)性驗證

如圖3 所示，鉛芯伸出大概2.5 mm長，和被測結(jié)構(gòu)輪廓面夾角大致是30°，通過在結(jié)構(gòu)表面折斷鉛筆芯從而實現(xiàn)聲發(fā)射測試脈沖的產(chǎn)生.為確保鉛筆斷裂實驗具備良好的復(fù)現(xiàn)性，測試時，每次斷鉛應(yīng)盡量保持相同的強度、角度、位置與長度，從而使所測得信號具備良好的一致性與可對比性.

圖3 鉛筆斷裂實驗示意圖

為驗證鉛筆斷裂實驗的可重復(fù)性，計算了 3 個敏感探頭捕獲到的10個測試信號的相關(guān)系數(shù).相關(guān)系數(shù)愈趨近1，表明信號相關(guān)性愈理想.圖4 給出了壓電隔膜傳感器前5次與后5次鉛筆斷裂實驗線性回歸的結(jié)果.

圖4 壓電隔膜傳感器鉛筆斷裂測試可復(fù)現(xiàn)性證明

由圖4 結(jié)果可知，壓電隔膜傳感器的鉛筆斷裂實驗結(jié)果相關(guān)系數(shù)可達0.98，具有良好的復(fù)現(xiàn)性.分別對商用AE傳感器、壓電隔膜鉛筆斷裂實驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)進行計算，得到其相關(guān)系數(shù)分別為 0.96, 0.98.根據(jù)相關(guān)系數(shù)結(jié)果可知，3個敏感探頭的10次鉛筆斷裂實驗均具備良好的復(fù)現(xiàn)性.

2.2 損傷源信號分析

圖5 展示了壓電隔膜傳感器捕獲到的模擬損傷源信號信息，測試結(jié)果表明，壓電隔膜傳感器對損傷聲源信號具有好的敏感性與良好的聲學(xué)響應(yīng).

圖5 壓電隔膜捕獲損傷源信號

由圖5 可知，壓電隔膜傳感器捕獲到的損傷源信號電壓正峰幅值可達56 mV左右，具有較大的信號強度，說明壓電隔膜傳感器靈敏度較高，將機械信號轉(zhuǎn)化為電脈沖(電壓或電荷)的轉(zhuǎn)換能力較強.

2.3 信號響應(yīng)相似性分析

壓電隔膜傳感器在鉛筆斷裂實驗中表現(xiàn)出的高靈敏度與敏感性滿足所需性能要求.但信號時域信息摻雜了大量的噪聲與數(shù)據(jù)，很難利用此信息確定信號的響應(yīng)時間，從而對比傳感器特性.

而傳感器的響應(yīng)時間可以定義為傳感器輸出從先前狀態(tài)改變到最終值所需的時間，該時間還可以通過能量曲線獲得.因此，本文利用壓電隔膜、壓電隔膜傳感器與商用聲發(fā)射傳感器捕獲到信號的能量標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)性等具體特征的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比，驗證方案的可行性.

通過捕獲到信號的變化趨勢和傳感器的響應(yīng)時間，對壓電隔膜、壓電隔膜傳感器與商用聲發(fā)射傳感器之間的相關(guān)性進行驗證.圖6 展示了3個敏感探頭相應(yīng)的能量圖，由圖6 中可以看出，3個敏感探頭捕獲到的信號具有相似的能量行為，信號能量先經(jīng)過一個最低點后，突然增加直至最高點，最后逐漸消散到零.通過對圖6中的能量信息進行分析，可以得到3個敏感探頭對應(yīng)的響應(yīng)時間，如表1 所示.

圖6 3個敏感探頭的能量圖

表1 3個敏感探頭的響應(yīng)時間

表1 給出了3個敏感探頭響應(yīng)時間的對比數(shù)據(jù)，從表1 中可以得知，壓電隔膜傳感器捕獲到信號的時間延遲最大，這是由于傳感器內(nèi)部高密度環(huán)氧樹脂對捕獲聲波存在影響，而壓電隔膜對被捕獲信號的時間響應(yīng)與商用AE傳感器基本一致，但其最大點的能量較之商用AE傳感器出現(xiàn)了略微的衰減.

剖析與處理3個敏感探頭接收到的信號頻域內(nèi)容，給出如圖7 3個傳感器的頻率響應(yīng)曲線，可以得知，商用AE傳感器的頻率響應(yīng)范圍大致為60 kHz～1 MHz.而壓電隔膜傳感器頻響可達250 kHz，在300 kHz之后，傳感器信號出現(xiàn)衰減；在800 kHz左右，壓電隔膜傳感器響應(yīng)存在新頻率峰值.

從圖7 中還可以得出，由于3個敏感探頭的固有靈敏度不同，所捕獲到的信號波峰振幅也略有不同.除信號波峰振幅之外，3個敏感探頭捕獲到的信號呈現(xiàn)出類似的趨勢.在60 kHz～170 kHz 頻段里，壓電隔膜與壓電隔膜傳感器的頻率響應(yīng)呈現(xiàn)高相似性.而這兩個敏感探頭的響應(yīng)最高可達300 kHz，在考慮到信號衰減的情況下，可將壓電隔膜傳感器應(yīng)用于需要300 kHz以上頻率的加工過程的監(jiān)測.在850 kHz左右，出現(xiàn)了次高的相關(guān)性峰值，表明可用此區(qū)域監(jiān)測高頻損傷加工過程.

圖7 頻率響應(yīng)曲線

通過對3個傳感器的頻率相關(guān)性進行計算可知，壓電隔膜與壓電隔膜傳感器之間的頻率相關(guān)性最高，這是由于這兩個敏感探頭具有相同尺寸與形狀的敏感芯體.3個敏感探頭之間的頻率相關(guān)性大多都在0.55以上，最高點相關(guān)性皆可達到0.8以上，這表明3個敏感探頭對信號的響應(yīng)具有很高的相似性.

2.4 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明，低成本壓電隔膜傳感器可以在低頻段內(nèi)提供更好的頻率響應(yīng)，和傳統(tǒng)商用AE傳感器對比，處于低頻段下其響應(yīng)更好，因壓電隔膜傳感器處于低頻段下可能包含更有價值的信息，可以用其對監(jiān)測過程中低頻段信號信息進行補充.

壓電隔膜傳感器與壓電隔膜具有相似的靈敏度與頻響范圍，表明為了提高壓電隔膜結(jié)構(gòu)的耐用性與可重復(fù)性，對其進行封裝是有必要的.壓電隔膜傳感器與商用聲發(fā)射傳感器的相關(guān)性結(jié)果非常相似，這說明壓電隔膜傳感器作為AE商用傳感器的替代方案進行損傷源監(jiān)測是有望的.

3 結(jié) 論

本文提出了一種低成本的壓電隔膜AE傳感器結(jié)構(gòu)，用鉛筆斷裂實驗對其性能進行了表征.與傳統(tǒng)AE商用傳感器、壓電隔膜相比，其捕獲到的信號時頻分析響應(yīng)皆顯示了很好的相似性.與傳統(tǒng)PZT隔膜相比，壓電隔膜傳感器具有可重復(fù)使用和易于安裝的特點.對聲發(fā)射脈沖的響應(yīng)表明，壓電隔膜傳感器可以作為傳統(tǒng)AE商用傳感器的替代方案，研究中得到的傳感器相應(yīng)的工作頻段可為AE損傷監(jiān)測中數(shù)字信號處理提供數(shù)據(jù)支撐.