局部放电超声波传感器的选择

局部放电超声波传感器的选择

（1） 超声波及其物理性质

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz 之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz 的机械波，称为次声波；高于2×104Hz 的机械波，称为超声波。如图3-1为声波的频率界限图：

图3-1声波的频率界限图

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为

0ax x P P e

-= （2.25） 20ax

x I I e -= （2.26） 式中：x P ，x I ——声波在距声波x 处的声压和声强；

0P ，0I ——声波在生源处的声压和声强；

x ——声波与声源间的距离；

α——衰减系数。

声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。

（2）超声波传感器原理

接收超声波的装置叫做超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。也有使用导磁材料制作的超声波探头，它是利用导磁材料的压磁效应将接收的超声波振动转换成电信号。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。

在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转化元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。应用较多的压电材料主要有五大类，即压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电高分子聚合物、压电复合材料以及压电半导体。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点在于以下几个方面：

●机电转换效率高，一般可以达到80%左右；

●容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、矩形以及球形

等；

●通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接

收型以及收发两用型；

●造价低廉，不易老化，机电参数的时间和温度稳定性好，易于推广应用。（3）超声探头的选择原则

在超声检测中，传感器的种类很多，性能各异，因此，须根据检测对象，合理的选择传感器。传感器的选择主要是对晶片尺寸、角度、频率等几个方面选择。

●传感器晶片尺寸大时，其覆盖范围大，晶片小时，覆盖范围小。角度的

选择应尽可能使其便于接受超声波，就检测灵敏度而言，如果忽略超声

波在材料中的衰减，灵敏度随被测物到传感器距离的增大而降低。另外

探头型式的选择也要视具体情况而定，选择直探头或斜探头主要取决于

待测设备缺陷的部位及方位。

●压电晶体的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带，并等于转换出

的电信号的频率。

综合以上因素，本文选用的超声波传感器的中心频带最大宽度80kHz～150kHz。