基于PMN-PT的宽带高灵敏双谐振式声发射传感器研究

宋 洋,唐正凯,史汝川,林 迪,韩 韬,罗骋韬

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240;2.中国科学院 上海硅酸盐研究所,上海 201800)

0 引言

局部放电现象会对电力设备绝缘造成极大危害[1-2]。声发射检测法是常用的检测方法之一,被用于检测局部放电产生的超声信号[3-4]。由于局部放电强度低(尖端放电的放电量不足10 pC),激发的超声波频带宽(为20～200 kHz且主要集中在100 kHz内),声发射传感器的灵敏度越高,带宽越大,则越利于准确检测并识别局部放电类型,所以需要声发射传感器具备高灵敏度(峰值灵敏度不小于60 V/(m·s-1))和大带宽(20～100 kHz)[5-6]。现有的基于压电陶瓷PZT的声发射传感器难以同时实现该灵敏度和带宽要求,因此需要开发新的设计方案。新型弛豫铁电单晶PMN-PT的机电耦合系数高(k33约为90%),可以提升传感器的灵敏度,被应用于多种类型的超声换能器中[7-9]。但是PMN-PT具有较高的机械品质因数(Qm约为150),不利于提升传感器带宽,且一般的添加背衬或多振动模态耦合的方法在提升带宽的同时会降低灵敏度,故而关于使用PMN-PT制备声发射传感器的报道较少,对于PMN-PT在应用时的振动模态、振子尺寸、传感器结构及工作稳定性等尚不清楚。针对上述问题,本文使用有限元(COMSOL)进行仿真模拟并结合实验验证,研制了基于PMN-PT的双谐振式声发射传感器,并与使用相同原理制备的基于PZT-5H传感器进行对比[5-6,10-11]。通过灵敏度标定、稳定性、温度特性及局部放电检测实验,证明基于PMN-PT的传感器性能优秀,能满足局部放电检测的需要。同时,通过基于PMN-PT和PZT-5H的声发射传感器性能对比,验证了PMN-PT替代PZT-5H用于局部放电检测的声发射传感器制备的可行性。

1 双谐振式声发射传感器灵敏度、结构及谐振峰耦合原理

1.1 声发射传感器的灵敏度和带宽

声发射传感器的灵敏度定义为输出电压与机械输入的比值(位移、速度、加速度),当采用速度作为输入量时,灵敏度被称为速度灵敏度,即:

(1)

式中:Sv(ω)为速度灵敏度;V(ω)为输出电压;v(ω)为传感器接收表面振速。声发射传感器的带宽通常定义为峰值灵敏度减去10 dB的频带宽度。

根据超声信号的频带特征以及现有商用声发射传感器峰值灵敏度小于75 dB,故要求设计的声发射传感器带宽覆盖20～100 kHz,灵敏度峰值超过75 dB。

1.2 压电材料选择与对比

为使传感器具备高灵敏度,压电振子应选择具备较高机电耦合系数和压电常数的振动模态。在所有的振动模态中,通常长度伸缩振动模态下具备最高的机电耦合系数k33和压电应变常数d33,故选择压电振子工作在长度伸缩振动模态。

本文使用的PMN-PT(中国科学院上海硅酸盐研究所制备)和PZT-5H(浙江神镭超声材料制备)性能对比如表1所示。由表可见,对比PZT-5H,PMN-PT的k33和d33分别提升了约20%和155%,有利于提高灵敏度。但PMN-PT的机械品质因数Qm远高于PZT-5H,这降低了传感器的带宽,因此,采用谐振峰耦合方式制成的双谐振式声发射传感器提升了带宽。

表1 PMN-PT和PZT-5H的材料特性

1.3 谐振峰耦合原理

使用两个不同的压电振子,利用谐振峰耦合提升传感器带宽的双谐振式声发射传感器结构如图1(a)所示。传感器由两个极化方向相反的压电振子、外壳和匹配层组成。定义两个压电振子最近的两个平面距离为压电振子间距。

图1 双谐振式声发射传感器结构示意图及谐振峰耦合原理图

当传感器使用多个谐振频率不同的压电振子,且这些压电振子的谐振峰耦合时,传感器的带宽将得到极大提升。但并非所有的压电振子都能发生耦合,谐振峰耦合的条件见图1(b)。假设频段f1-f2需要在传感器的-10 dB带宽内,单独使用一个压电振子的带宽无法满足该条件。利用两个不同的压电振子,当两个压电振子的谐振峰足够接近时,若在f1、f2之间任意频点f处满足下式,则两个压电振子谐振峰耦合,能成功设计出带宽覆盖f1-f2的传感器。

V1+V2≥10-0.5Vmax

(2)

式中:V1和V2为压电振子1、2在频率f处的输出电压;Vmax为压电振子输出的最大电压,并假设各个频点处传感器的输入速度相等。上述分析是一种理想条件,实际上由于压电振子在所有频率上都有响应,压电振子的振动会相互产生串扰以及两个压电振子输出电压存在相位差,所以V1、V2和Vmax值会发生变化。因此,两个不同尺寸的压电振子能否耦合以及耦合后的效果需要利用有限元进行分析。

2 双谐振式声发射的设计与制备

2.1 双谐振式声发射传感器设计

传感器的应用频带为20～100 kHz,中心频率为60 kHz。首先通过有限元仿真确定谐振频率在60 kHz附近的压电振子长度。开环情况下,长度伸缩振动模态压电振子的谐振频率为

(3)

式中:fr为谐振频率;c为压电材料声速;l为压电材料长度;n为正整数。由于电缆的额外输入阻抗会明显改变传感器响应,故在实际仿真中必须加以考虑。线缆对传感器的影响是对压电振子添加了一个串联电容和并联电阻,通过测量,使用传输线缆的电容为90 pF,电阻为10 Ω。经仿真可得,8 mm的PMN-PT声发射传感器在考虑外电路时,其谐振频率为65 kHz,带宽为46.1～80.1 kHz,在开环时的谐振频率为110 kHz。外电路使谐振频率向低频偏移超过40%。外部电路相当于对压电振子添加了负载,改变了压电振子的静态电容,使压电振子的最小导纳频率变小,进而使谐振频率变小。

为了实现带宽提升,选择使用谐振频率小于65 kHz和谐振频率大于65 kHz的两个压电振子。为了考察压电振子谐振峰耦合效果,利用有限元模型进行仿真,最终选择9 mm+7 mm的压电振子,谐振频率分别为55 kHz和70 kHz。利用式(3)计算得到与9 mm和7 mm PMN-PT的开环谐振频率相同的PZT-5H长度分别为10 mm和8 mm,大于PMN-PT的长度。低频段的应用会增加压电振子的长度,长度过大则不利于传感器的制备和实际使用。PMN-PT较低的声速将有效减小所需的长度,有利于传感器的小型化。

在仿真过程中发现随着压电振子间距的增大,传感器的带宽逐渐减小。为使传感器具备更大的带宽,将压电振子的间距设定为0.5 mm。使用9 mm和7 mm PMN-PT压电单晶的双谐振式声发射传感器命名为S97,使用10 mm和8 mm PZT-5H压电陶瓷的双谐振式声发射传感器命名为C108。开环情况下,S97和C108的灵敏度曲线分别如图2(a)、(b)所示。考虑外电路情况下,S97和C108的灵敏度曲线分别如图2(c)、(d)所示。

图2 S97和C108开环和考虑外电路的灵敏度曲线

S97在开环和考虑外电路时的灵敏度分别为94.6 dB和78.2 dB,C108在开环和考虑外电路时的灵敏度分别为90.7 dB和76.0 dB。PMN-PT具有更高的k33和d33,这有效地提升了传感器的灵敏度。S97在开环和考虑外电路时的带宽分别为36.4～98.3 kHz和72.2～152.3 kHz,低于C108在开环和考虑外电路时的带宽47.1～130.4 kHz和70.0～155.8 kHz。但对比使用单压电振子(8 mm PMN-PT)的传感器,带宽提升了约80%,证明谐振峰耦合方式可以有效地弥补因PMN-PT的高Qm而导致传感器带宽减小的影响。因此,结合PMN-PT高k33和d33的优势以及使用谐振峰耦合的设计,可使声发射传感器同时具备高灵敏度和大带宽的特点。

外电路使压电振子的谐振频率向低频发生偏移,由于PMN-PT具有更大的静态电容,9 mm的PMN-PT谐振频率偏移了约43.2%,远高于10 mm PZT-5H的27.0%。更低的声速和谐振频率更易受到外电路影响而向低频偏移,PMN-PT只需更小的尺寸便可以实现更高的检测灵敏度,因此,对于应用于低频段的声发射传感器,PMN-PT是一种理想材料。

2.2 双谐振式声发射传感器制备

声发射传感器的匹配层除了起到保护压电振子的作用,还能在压电材料和传声介质之间起到匹配作用,增强声波的透射,提升传感器的灵敏度和带宽。掺杂氧化铝是制备匹配层的常用方法,氧化铝的声速约为9 570 m/s,声阻抗约为37.4 MRayl,通过掺杂制备的匹配层声阻抗会改变±5 MRayl[13]。S97和C108的匹配层使用掺杂氧化铝的方法制备(确吉(上海)电子科技有限公司),声速为9 500 m/s,声阻抗为36.8 MRayl。采用铝合金作为传感器的外壳,制备的S97和C108双谐振式声发射传感器如图3所示。

图3 S97和C108实物图及S97内部结构图

3 结果与讨论

3.1 校准结果

C108由中国计量科学研究院经纵波绝对校准方法校准。S97声发射传感器的校准采用面对面校准[14]。校准结果如图4所示。表2总结了S97、C108及一款商用声发射传感器PXR04-0047的校准结果。

图4 S97和C108双谐振式声发射传感器校准结果

表2 声发射传感器S97,C108和PXR04性能表

双谐振式声发射传感器S97的最高灵敏度为76.2 dB,C108和PXR04的灵敏度均低于72 dB,证明了采用PMN-PT作为压电振子,其高机电耦合系数和压电常数可以有效提升灵敏度,且S97的带宽覆盖20～100 kHz的检测范围,这说明谐振峰耦合设计有效地提升了传感器的带宽。对比商用声发射传感器PXR04,S97不仅实现了更高的灵敏度和更大的带宽,而且使用的压电振子表面积更小(约为PXR04的17%),体积更小(约为PXR04的10%),说明当优化双谐振式声发射传感器的尺寸,尤其是径向尺寸后,传感器具备在复杂曲面上进行检测的应用潜力。

对比仿真结果,校准得到的灵敏度峰值与仿真峰值偏差约为10%,这是由于仿真中激励源为铅笔芯断裂的等效函数,而实验中采用发射换能器作为激励源,研究表明不同的激励源会使谐振峰偏差超过30%[15-16]。仿真得到的带宽小于校准得到的结果,其原因是仿真中缺少对压电振子阻尼的准确拟合。

3.2 稳定性和温度特性

对声发射传感器的稳定要求是局部放电超声波检测仪连续工作1 h后,注入恒定幅值的脉冲信号,其响应值的变化不应超过±20%,传感器的灵敏度变化范围应在-1.94～1.58 dB。将S97、C108与发射换能器固定在一个尺寸为400 mm×400 mm×5 mm的铝板上,发射换能器连续发射1 h的声波,S97和C108接收发射声波。1 h后重新进行校准实验,重复进行10次,S97和C108其中3次的检测结果分别如图5(a)、(b)所示。在10次校准结果中,灵敏度的变化均在稳定性要求范围内,并且S97灵敏度方差为0.63,C108灵敏度的方差为0.59。S97和C108的灵敏度方差接近,证明基于PMN-PT的声发射传感器可以达到与目前流行的基于PZT陶瓷的传感器相近的稳定性。

图5 S97和C108的稳定性和温度特性测试结果

压电振子的特性会受到温度影响,因此需要测量传感器的温度特性。使用对流加热将传感器加热到一定温度,测量传感器在两个压电振子谐振频率下的输出电压,如图5(c)、(d)所示。由图可见,S97与C108在25～70 ℃的输出电压随着温度升高而逐渐增大,最高电压对比室温输出电压分别提升了约5.3%和5.4%,证明基于PMN-PT的声发射传感器具备与现有基于PZT的传感器一样优异的温度特性。温度高于70 ℃,接近PMN-PT的退极化温度,PMN-PT性能退化[17],S97的输出电压下降,证明基于PMN-PT的传感器不适宜高温检测。但利用PMN-PT制备的声发射传感器能够胜任多数的室内检测任务。

3.3 局部放电检测

对S97和C108进行局部放电检测实验。将声发射传感器(S97、C108及商用声发射传感器PXR04-0047)贴合在252 kV高压开关柜(ZF1(GIS/H-GIS),上海西电高压开关设备有限公司)上,同时使用特高频(UHF)传感器检测局部放电,所得测量结果如图6所示。

图6 S97,C108和PXR04及UHF传感器在一个工频周期的输出电压及3种声发射传感器的信噪比

使用UHF传感器作为参考,防止声发射传感器出现漏检和误检。由于UHF传感器检测电磁波,因此,当局部放电发生时,UHF传感器会首先响应,当超声波传播到设备外壁后,声发射传感器开始响应。在全部的60组检测结果中,UHF传感器和声发射传感器均检测到局部放电信号,且输出结果具备良好的一致性,证明了S97不会出现漏检和误检,具有良好的检测能力。

当没有局部放电发生时,声发射传感器对环境噪声也会有响应。S97、C108和PXR04对环境噪声的输出电压峰-峰值分别为0.022 8 V、0.075 1 V和0.075 0 V。S97的输出电压更小,具备更好的噪声屏蔽能力,而使用PZT陶瓷作为压电振子的传感器,C108和PXR04对噪声响应的大小相近,且几乎是S97的3.3倍。经计算,S97、C108和PXR04的信噪比分别为17.33 dB、3.20 dB和0.72 dB。谐振峰耦合时,两个压电振子的输出采取差分模式,可以消除共模误差,因此,S97和C108的灵敏度高于PXR04。同样采用差分输出的S97灵敏度远高于C108,证明了PMN-PT单晶具有更强的噪声抑制能力。对于工作在高环境噪声的声发射传感器,PMN-PT是一种合适的材料。

对S97、C108和PXR04的输出电压计算功率谱密度如图7所示,在开关柜中使用尖端放电源,尖端放电的频率在100 kHz内[6]。在功率谱密度中,S97、C108和PXR04功率谱密度吻合,在25 kHz和105 kHz上存在峰值,且在100 kHz内强度更高,验证了S97和C108都具备良好的检测能力。S97显示出高信噪比和良好的检测能力,这对使用PMN-PT提升传感器性能的设计方案进行了验证,说明PMN-PT是制备用于局部放电检测的声发射传感器的理想材料。

图7 S97、C108和PXR04输出电压的功率谱密度

4 结束语

本文设计制备了基于PMN-PT的双谐振式声发射传感器。其中,PMN-PT压电振子采用长度伸缩振动模态,两个压电振子的长度分别为9 mm和7 mm,振子间距为0.5 mm,匹配层的声阻抗为36.8 MRayl,声速为9 500 m/s。经校准,制备的双谐振式声发射传感器灵敏度为76.2 dB,带宽为20～105 kHz,实现了通过采用PMN-PT获得高灵敏度以及通过谐振峰耦合设计提升带宽的目标。

与基于PZT-5H采用相同方法设计的传感器进行对比,得益于PMN-PT的高机电耦合系数,基于PMN-PT的声发射传感器的灵敏度是基于PZT-5H的近5 dB。PMN-PT的高机械品质因数使传感器带宽低于基于PZT-5H的传感器,但谐振峰耦合的设计使带宽满足检测需求。PMN-PT具有比PZT-5H更大的静态电容,使其谐振频率受外电路影响向低频的偏移幅度更大,这种低频偏移并结合PMN-PT更低的声速,使其更适用于制备低频声发射传感器。

通过传感器的灵敏度标定验证了仿真结果与预测的趋势相吻合。通过局部放电检测实验,计算得到基于PMN-PT的声发射传感器具备更高的信噪比(达17.33 dB),可以准确地检测到局部放电现象。通过稳定性和温度特性实验,证明了基于PMN-PT的声发射传感器都具有良好的稳定性和重复性。同时,双谐振式声发射传感器使用的压电材料体积和表面积更小,具备在复杂曲面上进行检测的应用潜力。