基于PMN-PT的寬帶高靈敏雙諧振式聲發(fā)射傳感器研究

宋 洋,唐正凱,史汝川,林 迪,韓 韜,羅騁韜

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;2.中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所,上海 201800)

0 引言

局部放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)電力設(shè)備絕緣造成極大危害[1-2]。聲發(fā)射檢測(cè)法是常用的檢測(cè)方法之一,被用于檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)[3-4]。由于局部放電強(qiáng)度低(尖端放電的放電量不足10 pC),激發(fā)的超聲波頻帶寬(為20～200 kHz且主要集中在100 kHz內(nèi)),聲發(fā)射傳感器的靈敏度越高,帶寬越大,則越利于準(zhǔn)確檢測(cè)并識(shí)別局部放電類型,所以需要聲發(fā)射傳感器具備高靈敏度(峰值靈敏度不小于60 V/(m·s-1))和大帶寬(20～100 kHz)[5-6]?，F(xiàn)有的基于壓電陶瓷PZT的聲發(fā)射傳感器難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)該靈敏度和帶寬要求,因此需要開發(fā)新的設(shè)計(jì)方案。新型弛豫鐵電單晶PMN-PT的機(jī)電耦合系數(shù)高(k33約為90%),可以提升傳感器的靈敏度,被應(yīng)用于多種類型的超聲換能器中[7-9]。但是PMN-PT具有較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm約為150),不利于提升傳感器帶寬,且一般的添加背襯或多振動(dòng)模態(tài)耦合的方法在提升帶寬的同時(shí)會(huì)降低靈敏度,故而關(guān)于使用PMN-PT制備聲發(fā)射傳感器的報(bào)道較少,對(duì)于PMN-PT在應(yīng)用時(shí)的振動(dòng)模態(tài)、振子尺寸、傳感器結(jié)構(gòu)及工作穩(wěn)定性等尚不清楚。針對(duì)上述問題,本文使用有限元(COMSOL)進(jìn)行仿真模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研制了基于PMN-PT的雙諧振式聲發(fā)射傳感器,并與使用相同原理制備的基于PZT-5H傳感器進(jìn)行對(duì)比[5-6,10-11]。通過靈敏度標(biāo)定、穩(wěn)定性、溫度特性及局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn),證明基于PMN-PT的傳感器性能優(yōu)秀,能滿足局部放電檢測(cè)的需要。同時(shí),通過基于PMN-PT和PZT-5H的聲發(fā)射傳感器性能對(duì)比,驗(yàn)證了PMN-PT替代PZT-5H用于局部放電檢測(cè)的聲發(fā)射傳感器制備的可行性。

1 雙諧振式聲發(fā)射傳感器靈敏度、結(jié)構(gòu)及諧振峰耦合原理

1.1 聲發(fā)射傳感器的靈敏度和帶寬

聲發(fā)射傳感器的靈敏度定義為輸出電壓與機(jī)械輸入的比值(位移、速度、加速度),當(dāng)采用速度作為輸入量時(shí),靈敏度被稱為速度靈敏度,即:

(1)

式中:Sv(ω)為速度靈敏度;V(ω)為輸出電壓;v(ω)為傳感器接收表面振速。聲發(fā)射傳感器的帶寬通常定義為峰值靈敏度減去10 dB的頻帶寬度。

根據(jù)超聲信號(hào)的頻帶特征以及現(xiàn)有商用聲發(fā)射傳感器峰值靈敏度小于75 dB,故要求設(shè)計(jì)的聲發(fā)射傳感器帶寬覆蓋20～100 kHz,靈敏度峰值超過75 dB。

1.2 壓電材料選擇與對(duì)比

為使傳感器具備高靈敏度,壓電振子應(yīng)選擇具備較高機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)的振動(dòng)模態(tài)。在所有的振動(dòng)模態(tài)中,通常長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模態(tài)下具備最高的機(jī)電耦合系數(shù)k33和壓電應(yīng)變常數(shù)d33,故選擇壓電振子工作在長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模態(tài)。

本文使用的PMN-PT(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所制備)和PZT-5H(浙江神鐳超聲材料制備)性能對(duì)比如表1所示。由表可見,對(duì)比PZT-5H,PMN-PT的k33和d33分別提升了約20%和155%,有利于提高靈敏度。但PMN-PT的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm遠(yuǎn)高于PZT-5H,這降低了傳感器的帶寬,因此,采用諧振峰耦合方式制成的雙諧振式聲發(fā)射傳感器提升了帶寬。

表1 PMN-PT和PZT-5H的材料特性

1.3 諧振峰耦合原理

使用兩個(gè)不同的壓電振子,利用諧振峰耦合提升傳感器帶寬的雙諧振式聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。傳感器由兩個(gè)極化方向相反的壓電振子、外殼和匹配層組成。定義兩個(gè)壓電振子最近的兩個(gè)平面距離為壓電振子間距。

圖1 雙諧振式聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及諧振峰耦合原理圖

當(dāng)傳感器使用多個(gè)諧振頻率不同的壓電振子,且這些壓電振子的諧振峰耦合時(shí),傳感器的帶寬將得到極大提升。但并非所有的壓電振子都能發(fā)生耦合,諧振峰耦合的條件見圖1(b)。假設(shè)頻段f1-f2需要在傳感器的-10 dB帶寬內(nèi),單獨(dú)使用一個(gè)壓電振子的帶寬無法滿足該條件。利用兩個(gè)不同的壓電振子,當(dāng)兩個(gè)壓電振子的諧振峰足夠接近時(shí),若在f1、f2之間任意頻點(diǎn)f處滿足下式,則兩個(gè)壓電振子諧振峰耦合,能成功設(shè)計(jì)出帶寬覆蓋f1-f2的傳感器。

V1+V2≥10-0.5Vmax

(2)

式中:V1和V2為壓電振子1、2在頻率f處的輸出電壓;Vmax為壓電振子輸出的最大電壓,并假設(shè)各個(gè)頻點(diǎn)處傳感器的輸入速度相等。上述分析是一種理想條件,實(shí)際上由于壓電振子在所有頻率上都有響應(yīng),壓電振子的振動(dòng)會(huì)相互產(chǎn)生串?dāng)_以及兩個(gè)壓電振子輸出電壓存在相位差,所以V1、V2和Vmax值會(huì)發(fā)生變化。因此,兩個(gè)不同尺寸的壓電振子能否耦合以及耦合后的效果需要利用有限元進(jìn)行分析。

2 雙諧振式聲發(fā)射的設(shè)計(jì)與制備

2.1 雙諧振式聲發(fā)射傳感器設(shè)計(jì)

傳感器的應(yīng)用頻帶為20～100 kHz,中心頻率為60 kHz。首先通過有限元仿真確定諧振頻率在60 kHz附近的壓電振子長(zhǎng)度。開環(huán)情況下,長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模態(tài)壓電振子的諧振頻率為

(3)

式中:fr為諧振頻率;c為壓電材料聲速;l為壓電材料長(zhǎng)度;n為正整數(shù)。由于電纜的額外輸入阻抗會(huì)明顯改變傳感器響應(yīng),故在實(shí)際仿真中必須加以考慮。線纜對(duì)傳感器的影響是對(duì)壓電振子添加了一個(gè)串聯(lián)電容和并聯(lián)電阻,通過測(cè)量,使用傳輸線纜的電容為90 pF,電阻為10 Ω。經(jīng)仿真可得,8 mm的PMN-PT聲發(fā)射傳感器在考慮外電路時(shí),其諧振頻率為65 kHz,帶寬為46.1～80.1 kHz,在開環(huán)時(shí)的諧振頻率為110 kHz。外電路使諧振頻率向低頻偏移超過40%。外部電路相當(dāng)于對(duì)壓電振子添加了負(fù)載,改變了壓電振子的靜態(tài)電容,使壓電振子的最小導(dǎo)納頻率變小,進(jìn)而使諧振頻率變小。

為了實(shí)現(xiàn)帶寬提升,選擇使用諧振頻率小于65 kHz和諧振頻率大于65 kHz的兩個(gè)壓電振子。為了考察壓電振子諧振峰耦合效果,利用有限元模型進(jìn)行仿真,最終選擇9 mm+7 mm的壓電振子,諧振頻率分別為55 kHz和70 kHz。利用式(3)計(jì)算得到與9 mm和7 mm PMN-PT的開環(huán)諧振頻率相同的PZT-5H長(zhǎng)度分別為10 mm和8 mm,大于PMN-PT的長(zhǎng)度。低頻段的應(yīng)用會(huì)增加壓電振子的長(zhǎng)度,長(zhǎng)度過大則不利于傳感器的制備和實(shí)際使用。PMN-PT較低的聲速將有效減小所需的長(zhǎng)度,有利于傳感器的小型化。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)隨著壓電振子間距的增大,傳感器的帶寬逐漸減小。為使傳感器具備更大的帶寬,將壓電振子的間距設(shè)定為0.5 mm。使用9 mm和7 mm PMN-PT壓電單晶的雙諧振式聲發(fā)射傳感器命名為S97,使用10 mm和8 mm PZT-5H壓電陶瓷的雙諧振式聲發(fā)射傳感器命名為C108。開環(huán)情況下,S97和C108的靈敏度曲線分別如圖2(a)、(b)所示?？紤]外電路情況下,S97和C108的靈敏度曲線分別如圖2(c)、(d)所示。

圖2 S97和C108開環(huán)和考慮外電路的靈敏度曲線

S97在開環(huán)和考慮外電路時(shí)的靈敏度分別為94.6 dB和78.2 dB,C108在開環(huán)和考慮外電路時(shí)的靈敏度分別為90.7 dB和76.0 dB。PMN-PT具有更高的k33和d33,這有效地提升了傳感器的靈敏度。S97在開環(huán)和考慮外電路時(shí)的帶寬分別為36.4～98.3 kHz和72.2～152.3 kHz,低于C108在開環(huán)和考慮外電路時(shí)的帶寬47.1～130.4 kHz和70.0～155.8 kHz。但對(duì)比使用單壓電振子(8 mm PMN-PT)的傳感器,帶寬提升了約80%,證明諧振峰耦合方式可以有效地彌補(bǔ)因PMN-PT的高Qm而導(dǎo)致傳感器帶寬減小的影響。因此,結(jié)合PMN-PT高k33和d33的優(yōu)勢(shì)以及使用諧振峰耦合的設(shè)計(jì),可使聲發(fā)射傳感器同時(shí)具備高靈敏度和大帶寬的特點(diǎn)。

外電路使壓電振子的諧振頻率向低頻發(fā)生偏移,由于PMN-PT具有更大的靜態(tài)電容,9 mm的PMN-PT諧振頻率偏移了約43.2%,遠(yuǎn)高于10 mm PZT-5H的27.0%。更低的聲速和諧振頻率更易受到外電路影響而向低頻偏移,PMN-PT只需更小的尺寸便可以實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)靈敏度,因此,對(duì)于應(yīng)用于低頻段的聲發(fā)射傳感器,PMN-PT是一種理想材料。

2.2 雙諧振式聲發(fā)射傳感器制備

聲發(fā)射傳感器的匹配層除了起到保護(hù)壓電振子的作用,還能在壓電材料和傳聲介質(zhì)之間起到匹配作用,增強(qiáng)聲波的透射,提升傳感器的靈敏度和帶寬。摻雜氧化鋁是制備匹配層的常用方法,氧化鋁的聲速約為9 570 m/s,聲阻抗約為37.4 MRayl,通過摻雜制備的匹配層聲阻抗會(huì)改變±5 MRayl[13]。S97和C108的匹配層使用摻雜氧化鋁的方法制備(確吉(上海)電子科技有限公司),聲速為9 500 m/s,聲阻抗為36.8 MRayl。采用鋁合金作為傳感器的外殼,制備的S97和C108雙諧振式聲發(fā)射傳感器如圖3所示。

圖3 S97和C108實(shí)物圖及S97內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 校準(zhǔn)結(jié)果

C108由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院經(jīng)縱波絕對(duì)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)。S97聲發(fā)射傳感器的校準(zhǔn)采用面對(duì)面校準(zhǔn)[14]。校準(zhǔn)結(jié)果如圖4所示。表2總結(jié)了S97、C108及一款商用聲發(fā)射傳感器PXR04-0047的校準(zhǔn)結(jié)果。

圖4 S97和C108雙諧振式聲發(fā)射傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

表2 聲發(fā)射傳感器S97,C108和PXR04性能表

雙諧振式聲發(fā)射傳感器S97的最高靈敏度為76.2 dB,C108和PXR04的靈敏度均低于72 dB,證明了采用PMN-PT作為壓電振子,其高機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)可以有效提升靈敏度,且S97的帶寬覆蓋20～100 kHz的檢測(cè)范圍,這說明諧振峰耦合設(shè)計(jì)有效地提升了傳感器的帶寬。對(duì)比商用聲發(fā)射傳感器PXR04,S97不僅實(shí)現(xiàn)了更高的靈敏度和更大的帶寬,而且使用的壓電振子表面積更小(約為PXR04的17%),體積更小(約為PXR04的10%),說明當(dāng)優(yōu)化雙諧振式聲發(fā)射傳感器的尺寸,尤其是徑向尺寸后,傳感器具備在復(fù)雜曲面上進(jìn)行檢測(cè)的應(yīng)用潛力。

對(duì)比仿真結(jié)果,校準(zhǔn)得到的靈敏度峰值與仿真峰值偏差約為10%,這是由于仿真中激勵(lì)源為鉛筆芯斷裂的等效函數(shù),而實(shí)驗(yàn)中采用發(fā)射換能器作為激勵(lì)源,研究表明不同的激勵(lì)源會(huì)使諧振峰偏差超過30%[15-16]。仿真得到的帶寬小于校準(zhǔn)得到的結(jié)果,其原因是仿真中缺少對(duì)壓電振子阻尼的準(zhǔn)確擬合。

3.2 穩(wěn)定性和溫度特性

對(duì)聲發(fā)射傳感器的穩(wěn)定要求是局部放電超聲波檢測(cè)儀連續(xù)工作1 h后,注入恒定幅值的脈沖信號(hào),其響應(yīng)值的變化不應(yīng)超過±20%,傳感器的靈敏度變化范圍應(yīng)在-1.94～1.58 dB。將S97、C108與發(fā)射換能器固定在一個(gè)尺寸為400 mm×400 mm×5 mm的鋁板上,發(fā)射換能器連續(xù)發(fā)射1 h的聲波,S97和C108接收發(fā)射聲波。1 h后重新進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),重復(fù)進(jìn)行10次,S97和C108其中3次的檢測(cè)結(jié)果分別如圖5(a)、(b)所示。在10次校準(zhǔn)結(jié)果中,靈敏度的變化均在穩(wěn)定性要求范圍內(nèi),并且S97靈敏度方差為0.63,C108靈敏度的方差為0.59。S97和C108的靈敏度方差接近,證明基于PMN-PT的聲發(fā)射傳感器可以達(dá)到與目前流行的基于PZT陶瓷的傳感器相近的穩(wěn)定性。

圖5 S97和C108的穩(wěn)定性和溫度特性測(cè)試結(jié)果

壓電振子的特性會(huì)受到溫度影響,因此需要測(cè)量傳感器的溫度特性。使用對(duì)流加熱將傳感器加熱到一定溫度,測(cè)量傳感器在兩個(gè)壓電振子諧振頻率下的輸出電壓,如圖5(c)、(d)所示。由圖可見,S97與C108在25～70 ℃的輸出電壓隨著溫度升高而逐漸增大,最高電壓對(duì)比室溫輸出電壓分別提升了約5.3%和5.4%,證明基于PMN-PT的聲發(fā)射傳感器具備與現(xiàn)有基于PZT的傳感器一樣優(yōu)異的溫度特性。溫度高于70 ℃,接近PMN-PT的退極化溫度,PMN-PT性能退化[17],S97的輸出電壓下降,證明基于PMN-PT的傳感器不適宜高溫檢測(cè)。但利用PMN-PT制備的聲發(fā)射傳感器能夠勝任多數(shù)的室內(nèi)檢測(cè)任務(wù)。

3.3 局部放電檢測(cè)

對(duì)S97和C108進(jìn)行局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。將聲發(fā)射傳感器(S97、C108及商用聲發(fā)射傳感器PXR04-0047)貼合在252 kV高壓開關(guān)柜(ZF1(GIS/H-GIS),上海西電高壓開關(guān)設(shè)備有限公司)上,同時(shí)使用特高頻(UHF)傳感器檢測(cè)局部放電,所得測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 S97,C108和PXR04及UHF傳感器在一個(gè)工頻周期的輸出電壓及3種聲發(fā)射傳感器的信噪比

使用UHF傳感器作為參考,防止聲發(fā)射傳感器出現(xiàn)漏檢和誤檢。由于UHF傳感器檢測(cè)電磁波,因此,當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí),UHF傳感器會(huì)首先響應(yīng),當(dāng)超聲波傳播到設(shè)備外壁后,聲發(fā)射傳感器開始響應(yīng)。在全部的60組檢測(cè)結(jié)果中,UHF傳感器和聲發(fā)射傳感器均檢測(cè)到局部放電信號(hào),且輸出結(jié)果具備良好的一致性,證明了S97不會(huì)出現(xiàn)漏檢和誤檢,具有良好的檢測(cè)能力。

當(dāng)沒有局部放電發(fā)生時(shí),聲發(fā)射傳感器對(duì)環(huán)境噪聲也會(huì)有響應(yīng)。S97、C108和PXR04對(duì)環(huán)境噪聲的輸出電壓峰-峰值分別為0.022 8 V、0.075 1 V和0.075 0 V。S97的輸出電壓更小,具備更好的噪聲屏蔽能力,而使用PZT陶瓷作為壓電振子的傳感器,C108和PXR04對(duì)噪聲響應(yīng)的大小相近,且?guī)缀跏荢97的3.3倍。經(jīng)計(jì)算,S97、C108和PXR04的信噪比分別為17.33 dB、3.20 dB和0.72 dB。諧振峰耦合時(shí),兩個(gè)壓電振子的輸出采取差分模式,可以消除共模誤差,因此,S97和C108的靈敏度高于PXR04。同樣采用差分輸出的S97靈敏度遠(yuǎn)高于C108,證明了PMN-PT單晶具有更強(qiáng)的噪聲抑制能力。對(duì)于工作在高環(huán)境噪聲的聲發(fā)射傳感器,PMN-PT是一種合適的材料。

對(duì)S97、C108和PXR04的輸出電壓計(jì)算功率譜密度如圖7所示,在開關(guān)柜中使用尖端放電源,尖端放電的頻率在100 kHz內(nèi)[6]。在功率譜密度中,S97、C108和PXR04功率譜密度吻合,在25 kHz和105 kHz上存在峰值,且在100 kHz內(nèi)強(qiáng)度更高,驗(yàn)證了S97和C108都具備良好的檢測(cè)能力。S97顯示出高信噪比和良好的檢測(cè)能力,這對(duì)使用PMN-PT提升傳感器性能的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證,說明PMN-PT是制備用于局部放電檢測(cè)的聲發(fā)射傳感器的理想材料。

圖7 S97、C108和PXR04輸出電壓的功率譜密度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制備了基于PMN-PT的雙諧振式聲發(fā)射傳感器。其中,PMN-PT壓電振子采用長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模態(tài),兩個(gè)壓電振子的長(zhǎng)度分別為9 mm和7 mm,振子間距為0.5 mm,匹配層的聲阻抗為36.8 MRayl,聲速為9 500 m/s。經(jīng)校準(zhǔn),制備的雙諧振式聲發(fā)射傳感器靈敏度為76.2 dB,帶寬為20～105 kHz,實(shí)現(xiàn)了通過采用PMN-PT獲得高靈敏度以及通過諧振峰耦合設(shè)計(jì)提升帶寬的目標(biāo)。

與基于PZT-5H采用相同方法設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行對(duì)比,得益于PMN-PT的高機(jī)電耦合系數(shù),基于PMN-PT的聲發(fā)射傳感器的靈敏度是基于PZT-5H的近5 dB。PMN-PT的高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)使傳感器帶寬低于基于PZT-5H的傳感器,但諧振峰耦合的設(shè)計(jì)使帶寬滿足檢測(cè)需求。PMN-PT具有比PZT-5H更大的靜態(tài)電容,使其諧振頻率受外電路影響向低頻的偏移幅度更大,這種低頻偏移并結(jié)合PMN-PT更低的聲速,使其更適用于制備低頻聲發(fā)射傳感器。

通過傳感器的靈敏度標(biāo)定驗(yàn)證了仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)的趨勢(shì)相吻合。通過局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn),計(jì)算得到基于PMN-PT的聲發(fā)射傳感器具備更高的信噪比(達(dá)17.33 dB),可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到局部放電現(xiàn)象。通過穩(wěn)定性和溫度特性實(shí)驗(yàn),證明了基于PMN-PT的聲發(fā)射傳感器都具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。同時(shí),雙諧振式聲發(fā)射傳感器使用的壓電材料體積和表面積更小,具備在復(fù)雜曲面上進(jìn)行檢測(cè)的應(yīng)用潛力。