压电膜片传感器的声发射特性研究

梁 颖，郭 涛，张程杰，啜燕军，石 帅

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100000)

0 引 言

声发射(AE)是揭示材料变形和损伤特征的有效方法，作为应力材料塑性应变引起的不可恢复能量耗散的一部分，声发射与材料的失效密切相关.监测材料失效声发射系统普遍包括AE传感器、前置放大器与采集处理模块，图1 给出了系统相应损伤监测流程.其中，作为监测系统的前端，AE传感器的性能决定了系统记录损伤源信号的质量.

图1 声发射检测原理图

传统商用AE传感器多采用特定尺寸的PZT(锆钛酸铅)陶瓷作为敏感元件，其灵敏度高，应用广泛，但特定尺寸PZT(锆钛酸铅)陶瓷的加工会使生产成本与难度大大增加，而且在低频声发射传感器中，该类敏感芯体的应用受到一定限制[1]；除此之外，传统商用AE传感器多为谐振式，其谐振性通常会对声发射信号造成调制，使信号波形失真[2].

因此，许多研究者在低成本和创新的基础上开发和寻求可替代压电器件.文献[3]利用0-3型压电复合材料对AE传感器进行制备，改变了传统压电陶瓷原料的高声阻抗特性；文献[4]采用压电驻极体薄膜研发了形状可调的柔性AE探头，使其能够较好地响应于低频段；文献[5]将MEMS(微机电系统)技术应用于AE传感器的制备，使AE传感器能够工作在特定频段内，更适于对具有高能量释放的AE源进行监测；文献[6]对不同尺寸材料的谐振频率采取有限元(FEM)方式进行数值模拟，测试得到了适用于电力变压器的材料尺寸；文献[1]利用PVDF材料研制AE探头，提升了AE探头的抗振动与抗冲击能力，拓宽了AE探头工作频带.

前人采用不同材料对AE传感器特性进行了优化，然而，压电隔膜在AE传感器中的应用还较少.除了成本低外，压电隔膜还拥有构造紧密，质量小，响应频段广[7]等特点，目前多用于蜂鸣器及各种扬声报警设备中.在被检工件上直接粘贴使用可能会降低压电隔膜的重复使用率.因此，本文将压电隔膜封装在不锈钢外壳中，通过断铅实验对传感器进行表征，对其时频特性进行研究，并与商用AE传感器特性进行对比.

1 声发射传感器工作机理

AE传感器作为AE监测系统的敏感元件，可以将被测物体表面的机械动态位移转化为电信号，通过固定在被检查结构上完成对损伤源的诊断.

所设计低成本压电隔膜传感器的简易结构如图2 所示，其主要结构有端盖、附有高频接口的不锈钢外壳、磁体、压电隔膜等，其中，压电隔膜的重要成分为锆钛酸铅(PZT).为减少AE传感器的机械谐振，扩大传感器的相应作业频段领域，壳体内用高密度环氧树脂进行密封.

图2 低成本压电隔膜传感器简易结构

该传感器通过锆钛酸铅压电隔膜的正压电效应将材料内部应力波信号转换为电信号，由于附加应力场的影响，其敏感元件出现伸缩振动、内极化和表面电荷现象.对应压电方程如式(1)所示

(1)

式中：Di表示在电荷输出i方向上的相应电位偏移；Tj是施加于膜片j方向上的应力；dij表示应变压电系数，即施加于压电隔膜j方向上的力在i方向上电荷量的产出.压电隔膜经极化处理后，其工作模式主要是沿厚度方向，则式(1)可简化为

D3=d31T1+d32T2+d33T3，

(2)

式中：d31，d32，d33分别表示平面与厚度方向上压电隔膜的应变压力常数.由式(2)可知，敏感芯体的厚薄决定了其谐振频率.

该研究所选压电隔膜是市面常见类型，总直径尺寸参数为φ20 mm，其中，压电陶瓷(敏感元件)尺寸参数为φ15 mm，厚度为0.2 mm.封装后压电隔膜传感器尺寸为φ28 mm×26 mm，商用AE传感器不锈钢外壳尺寸为φ19 mm×22.4 mm.

2 实验验证与数据采集

传感器频率响应的评估是应用于监测系统的基础，为了对一个传递函数未知的传感器进行频率响应的确定，需要对其声发射脉冲响应进行测试.由于铅笔芯断裂实验易于实现，具有可重复性，因此，本文通过10次铅笔芯断裂实验，测试压电膜片传感器在实际损伤检测中的相应灵敏度与频响特性.

2.1 铅笔芯断裂实验复现性验证

如图3 所示，铅芯伸出大概2.5 mm长，和被测结构轮廓面夹角大致是30°，通过在结构表面折断铅笔芯从而实现声发射测试脉冲的产生.为确保铅笔断裂实验具备良好的复现性，测试时，每次断铅应尽量保持相同的强度、角度、位置与长度，从而使所测得信号具备良好的一致性与可对比性.

图3 铅笔断裂实验示意图

为验证铅笔断裂实验的可重复性，计算了 3 个敏感探头捕获到的10个测试信号的相关系数.相关系数愈趋近1，表明信号相关性愈理想.图4 给出了压电隔膜传感器前5次与后5次铅笔断裂实验线性回归的结果.

图4 压电隔膜传感器铅笔断裂测试可复现性证明

由图4 结果可知，压电隔膜传感器的铅笔断裂实验结果相关系数可达0.98，具有良好的复现性.分别对商用AE传感器、压电隔膜铅笔断裂实验结果的相关系数进行计算，得到其相关系数分别为 0.96, 0.98.根据相关系数结果可知，3个敏感探头的10次铅笔断裂实验均具备良好的复现性.

2.2 损伤源信号分析

图5 展示了压电隔膜传感器捕获到的模拟损伤源信号信息，测试结果表明，压电隔膜传感器对损伤声源信号具有好的敏感性与良好的声学响应.

图5 压电隔膜捕获损伤源信号

由图5 可知，压电隔膜传感器捕获到的损伤源信号电压正峰幅值可达56 mV左右，具有较大的信号强度，说明压电隔膜传感器灵敏度较高，将机械信号转化为电脉冲(电压或电荷)的转换能力较强.

2.3 信号响应相似性分析

压电隔膜传感器在铅笔断裂实验中表现出的高灵敏度与敏感性满足所需性能要求.但信号时域信息掺杂了大量的噪声与数据，很难利用此信息确定信号的响应时间，从而对比传感器特性.

而传感器的响应时间可以定义为传感器输出从先前状态改变到最终值所需的时间，该时间还可以通过能量曲线获得.因此，本文利用压电隔膜、压电隔膜传感器与商用声发射传感器捕获到信号的能量标准、相关性等具体特征的统计数据进行对比，验证方案的可行性.

通过捕获到信号的变化趋势和传感器的响应时间，对压电隔膜、压电隔膜传感器与商用声发射传感器之间的相关性进行验证.图6 展示了3个敏感探头相应的能量图，由图6 中可以看出，3个敏感探头捕获到的信号具有相似的能量行为，信号能量先经过一个最低点后，突然增加直至最高点，最后逐渐消散到零.通过对图6中的能量信息进行分析，可以得到3个敏感探头对应的响应时间，如表1 所示.

图6 3个敏感探头的能量图

表1 3个敏感探头的响应时间

表1 给出了3个敏感探头响应时间的对比数据，从表1 中可以得知，压电隔膜传感器捕获到信号的时间延迟最大，这是由于传感器内部高密度环氧树脂对捕获声波存在影响，而压电隔膜对被捕获信号的时间响应与商用AE传感器基本一致，但其最大点的能量较之商用AE传感器出现了略微的衰减.

剖析与处理3个敏感探头接收到的信号频域内容，给出如图7 3个传感器的频率响应曲线，可以得知，商用AE传感器的频率响应范围大致为60 kHz～1 MHz.而压电隔膜传感器频响可达250 kHz，在300 kHz之后，传感器信号出现衰减；在800 kHz左右，压电隔膜传感器响应存在新频率峰值.

从图7 中还可以得出，由于3个敏感探头的固有灵敏度不同，所捕获到的信号波峰振幅也略有不同.除信号波峰振幅之外，3个敏感探头捕获到的信号呈现出类似的趋势.在60 kHz～170 kHz 频段里，压电隔膜与压电隔膜传感器的频率响应呈现高相似性.而这两个敏感探头的响应最高可达300 kHz，在考虑到信号衰减的情况下，可将压电隔膜传感器应用于需要300 kHz以上频率的加工过程的监测.在850 kHz左右，出现了次高的相关性峰值，表明可用此区域监测高频损伤加工过程.

图7 频率响应曲线

通过对3个传感器的频率相关性进行计算可知，压电隔膜与压电隔膜传感器之间的频率相关性最高，这是由于这两个敏感探头具有相同尺寸与形状的敏感芯体.3个敏感探头之间的频率相关性大多都在0.55以上，最高点相关性皆可达到0.8以上，这表明3个敏感探头对信号的响应具有很高的相似性.

2.4 测试结果分析

测试结果表明，低成本压电隔膜传感器可以在低频段内提供更好的频率响应，和传统商用AE传感器对比，处于低频段下其响应更好，因压电隔膜传感器处于低频段下可能包含更有价值的信息，可以用其对监测过程中低频段信号信息进行补充.

压电隔膜传感器与压电隔膜具有相似的灵敏度与频响范围，表明为了提高压电隔膜结构的耐用性与可重复性，对其进行封装是有必要的.压电隔膜传感器与商用声发射传感器的相关性结果非常相似，这说明压电隔膜传感器作为AE商用传感器的替代方案进行损伤源监测是有望的.

3 结 论

本文提出了一种低成本的压电隔膜AE传感器结构，用铅笔断裂实验对其性能进行了表征.与传统AE商用传感器、压电隔膜相比，其捕获到的信号时频分析响应皆显示了很好的相似性.与传统PZT隔膜相比，压电隔膜传感器具有可重复使用和易于安装的特点.对声发射脉冲的响应表明，压电隔膜传感器可以作为传统AE商用传感器的替代方案，研究中得到的传感器相应的工作频段可为AE损伤监测中数字信号处理提供数据支撑.