声发射传感器的原理、分类、结构及特性

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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注意事项

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。

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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 目前世界上最小体积的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