中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）是揭示材料變形和損傷特征的有效方法，作為應力材料塑性應變引起的不可恢復能量耗散的一部分，AE與材料的失效密切相關(guān)。
傳統商用AE傳感器多采用特定尺寸的鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷作為敏感元件，其靈敏度高，應用廣泛，但特定尺寸PZT陶瓷的加工會(huì )使生產(chǎn)成本與難度大大增加，而且在低頻AE傳感器中，該類(lèi)敏芯體的應用受到一定限制；除此之外，傳統商用AE傳感器多為諧振式，其諧振性通常會(huì )對AE信號造成調制，使信號波形失真。因此，許多研究者在低成本和創(chuàng )新的基礎上尋求和開(kāi)發(fā)可替代壓電器件。
基于壓電隔膜成本低、構造緊密、質(zhì)量小、響應頻段廣等特點(diǎn)，中北大學(xué)的梁穎等人在《測試技術(shù)學(xué)報》（Journal of Test and Measurement Technology）期刊上發(fā)表論文，報告了一種低成本壓電隔膜傳感器（圖1），通過(guò)斷鉛實(shí)驗對傳感器進(jìn)行表征，分析了其時(shí)頻特性，并與商用AE傳感器特性進(jìn)行了對比。
圖1 低成本壓電隔膜傳感器簡(jiǎn)易結構
研究人員通過(guò)鉛筆芯斷裂實(shí)驗，測試了壓電膜片傳感器在實(shí)際損傷檢測中的相應靈敏度與頻響特性。如圖2所示，鉛芯伸出大概2.5mm長(cháng)，和被測結構輪廓面夾角大致是30°，通過(guò)在結構表面折斷鉛筆芯從而實(shí)現AE測試脈沖的產(chǎn)生。為確保鉛筆斷裂實(shí)驗具備良好的復現性，測試時(shí)，每次斷鉛應盡量保持相同的強度、角度、位置與長(cháng)度，從而使所測得信號具備良好的一致性與可對比性。
圖2 鉛筆斷裂實(shí)驗示意圖
圖3展示了壓電隔膜傳感器捕獲到的模擬損傷源信號信息，測試結果表明，壓電隔膜傳感器對損傷聲源信號具有好的敏感性與良好的聲學(xué)響應。但信號時(shí)域信息摻雜了大量的噪聲與數據，很難利用此信息確定信號的響應時(shí)間，從而對比傳感器特性。而傳感器的響應時(shí)間可以定義為傳感器輸出從先前狀態(tài)改變到最終值所需的時(shí)間，該時(shí)間還可以通過(guò)能量曲線(xiàn)獲得。
圖3 壓電隔膜捕獲損傷源信號
因此，研究人員利用壓電隔膜、壓電隔膜傳感器與商用AE傳感器捕獲到信號的能量標準、相關(guān)性等具體特征的統計數據進(jìn)行對比，驗證方案的可行性。圖4展示了3個(gè)敏感探頭相應的能量圖，通過(guò)對其能量信息進(jìn)行分析，可以得到3個(gè)敏感探頭對應的響應時(shí)間，如表１所示。
圖4 ３個(gè)敏感探頭的能量圖
表1 ３個(gè)敏感探頭的響應時(shí)間
從表１中可以得知，壓電隔膜傳感器捕獲到信號的時(shí)間延遲最大，而壓電隔膜對被捕獲信號的時(shí)間響應與商用AE傳感器基本一致，但其最大點(diǎn)的能量較之商用AE傳感器出現了略微的衰減。進(jìn)一步研究發(fā)現，商用AE傳感器的頻率響應范圍大致為60KHz～1MHz。而壓電隔膜感器頻響可達250KHz，在300KHz之后，傳感器信號出現衰減；在800KHz左右，壓電隔膜傳感器響應存在新頻率峰值（圖5）。在60KHz～170KHz頻段里，壓電隔膜與壓電隔膜傳感器的頻率響應呈現高相似性。而這兩個(gè)敏感探頭的響應最高可達300KHz，在考慮到信號衰減的情況下，可將壓電隔膜傳感器應用于需要300KHz以上頻率的加工過(guò)程的監測。在850KHz左右，出現了次高的相關(guān)性峰值，表明可用此區域監測高頻損傷加工過(guò)程。
圖5 頻率響應曲線(xiàn)
最后，通過(guò)對3個(gè)傳感器的頻率相關(guān)性進(jìn)行計算可知，壓電隔膜與壓電隔膜傳感器之間的頻率相關(guān)性最高，這是由于這兩個(gè)敏感探頭具有相同尺寸與形狀的敏感芯體。3個(gè)敏感探頭之間的頻率相關(guān)性大多都在0.55以上，最高點(diǎn)相關(guān)性皆可達到0.8以上，這表明3個(gè)敏感探頭對信號的響應具有很高的相似性。
總體而言，低成本壓電隔膜傳感器可以在低頻段內提供更好的頻率響應，和傳統商用AE傳感器對比，處于低頻段下其響應更好，因壓電隔膜傳感器處于低頻段下可能包含更有價(jià)值的信息，可以用其對監測過(guò)程中低頻段信號信息進(jìn)行補充。壓電隔膜傳感器與壓電隔膜具有相似的靈敏度與頻響范圍，表明為了提高壓電隔膜結構的耐用性與可重復性，對其進(jìn)行封裝是有必要的。壓電隔膜傳感器與商用AE傳感器的相關(guān)性結果非常相似，這說(shuō)明壓電隔膜傳感器作為AE商用傳感器的低成本替代方案進(jìn)行損傷源監測是有望的。
