發布日期：2022-10-09 點擊率：249
聲發射傳感器工作原理
先說一下壓電陶瓷，壓電陶瓷在受力產生變形時，其表面出現電荷，這種現象稱為壓電效應。
常用聲發射傳感器的工作原理，就是基于晶體元件的壓電效應。應力波的傳播實質是質點運動（橫波、縱波、表面波等）。質點的運動傳遞到傳感器的接觸面的時候，帶動壓電陶瓷上的質子運動，從而對壓電陶瓷產生壓縮和拉伸的效果。進而轉換為電壓信號，送入信號處理器，完成應力波到電信號波的轉變過程。
整體的圖如下
聲發射傳感器主要有4種，分別是諧振式傳感器、寬帶傳感器、差動（差分）型傳感器和內置前放傳感器。
差分型聲發射傳感器，可以有效抑制共模信號的干擾，在電力行業檢測局放的應用中比較合適。
內置前放聲發射傳感器，傳感器輸出信號較大，可以有效抑制干擾，提高信號傳輸距離，不需要另配前置放大器，簡化聲發射系統。缺點是傳感器比較大、放大器和壓電陶瓷壞了整個就壞了。
傳感器輸出是模擬電壓信號，且（非內置前放傳感器）一般情況下比較微弱。通常為mV級電別，使用時可以先用示波器測試一下信號的強弱，再決定要不要加放大器以及放大器的倍數。
聲發射傳感器選型
聲發射傳感器因應用不同有很多種類型。選擇一個適合聲發射應用的傳感器對于測量成功和可靠是至關重要的。在大多數情況下，傳感器選型的主要標準傳感器的頻率響應適合檢測應用。在一些特殊應用環境（高溫、油浸、水浸、電磁等環境）可能會造成對AE傳感器的選擇更苛刻的限定。
在此，將為各類聲發射應用提供選擇傳感器的方法，并且還提供一個實用解決方案針對陌生的全新領域聲發射應用。
1.環境條件
大部分AE傳感器應用在常規的環境中，然而，在高溫設備表面有些應用需要特殊的AE傳感器，使用通用型傳感器可能導致傳感器損壞或者聲發射信號變形。在高溫環境下，選擇工作溫度在要求范圍內的傳感器。一些應用要求傳感器安裝在水、油浸沒的環境，應選擇防護等級與之相適用的傳感器。在高電磁干擾的環境，選用常規AE傳感器信號變形，需要選擇抗電磁干擾性能強的傳感器與之配套。環境條件因素，是選擇傳感器頻率響應之前就要考慮到的。
2.頻率范圍以及選擇
通常將聲發射傳感器頻率范圍分為超低頻（5kHz~20kHz）、低頻（20kHz~100kHz）、中頻（100kHz~400kHz）、高頻（》400kHz）四個類別。理由是隨著單位距離衰減頻率增加也隨之，在很多應用當中400kHz以上頻率對于測量是沒有意義的。還有就是依據絕大多數的聲發射應用，將傳感器
用此方法進行快速度分類是非常有用的。
在非常寬廣的頻率范圍有響應的AE傳感器被稱為寬帶傳感器。寬帶AE傳感器具有平坦響應曲線。它通常用于研究，對關注的未知頻率分析、采集的信號進行頻譜分析。
2.1內置放大器與外置放大器
AE傳感器分為內置放大器和無內置放大器，帶內置放大器的AE傳感器也稱為有源傳感器，沒有內置放大器被稱為無源傳感器。AE傳感器如果內部集成前置放大器較之同類型普通傳感器更高、更重。
有源AE傳感器更適合于要求快速組裝測量的領域。要求測量裝置能快速被連接器連接起來使用，必須要減少連接頭的數量。
3.聲發射傳感器具體分類
首先，根據以實用應用為前提，將傳感器分為通用型、差分型、寬帶型、低頻型、高溫型、防水型、內置放大器型、空氣耦合型等。
3.1 通用型即普通型聲發射傳感器，常用的頻率30kHz、60kHz、150kHz、300kHz、500kHz、800kHz的產品參數如下表格。
普通型傳感器一般應用于常溫、常壓的環境，但要求具備一定的抗電磁干擾能力。同時，每個出廠產品都要求配備頻率-響應曲線圖，即靈敏度響應曲線。通過 靈敏度響應曲線可以了解到傳感器的工作頻率范圍，以及在使用多個傳感器時，傳感器之間的一致性能是否合格。
3.2小型聲發射傳感器，相對通用型傳感器尺寸更小，適合相對狹窄的安裝空間。常用的頻率如60kHZ、150kHZ、300kHZ、500kHZ。
3.3微型傳感器，相對小型傳感器更加小的外觀尺寸，安裝空間更加狹窄。一般諧振頻率為300kHz。一般來說小型傳感器因體積小，較之通用型靈敏度要小很多，請參考靈敏度曲線圖，并且與通用型150kHz的傳感器進行對比。
3.4超低頻AE傳感器一般諧振頻率低于30kHz，它被應用于巖體監測，例如諧振頻率20kHz、10kHz的產品居多。
3.5高溫型聲發射傳感器，一般應用于高溫機械設備進行聲發射表面波的檢測，要求在高溫環境下性能穩定。
3.6差分型聲發傳感器，它最特殊的性能是能夠有效的抵抗電磁干擾，與一般傳感器所不同的是輸出接口為差分型。
3.7防水絕緣型聲發射傳感器，應用在水、油浸沒的環境中，傳感器可以完全放置在水或油中，達到檢測的目的。
3.8 中型聲發射傳感器，相對通用型傳感器要小，更適合于狹小區域內安裝使用。
聲發射傳感器主要有諧振式、寬帶型、內置前放型和差動型幾種結構體。
下文詳細介紹了幾種傳感器的結構和各結構的作用。
1.諧振式聲發射傳感器一般由殼體、耦合面、壓電元件、連接導線及接線端子組成；將壓電元件的負電極面用導電膠粘貼在底座上，另一面焊出一根很細的引線與高頻插座的芯線連接，外殼接地；壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛陶瓷晶片，起到聲電轉換作用；耦合面起到絕緣和保護壓電陶瓷的作用；金屬外殼對電磁干擾起屏蔽作用。
2.寬帶型聲發射傳感器除了諧振式傳感器的部分之外，還加入阻尼材料抑制部分諧振。
3.內置前放型聲發射傳感器在諧振式傳感器的基礎上，加了一個預放大器，
通過前置放大器和預放大器組合可以實現高靈敏度和低噪音。
4.差分型聲發射傳感器有兩壓對稱的壓電元件組成，后接差分放大器，用于消除共模信號。
5.以上的聲發射傳感器都是接觸型的傳感器。
之外，還有一類是空氣耦合的聲發射傳感器。結構有些差異。
友情提示：內部壓電陶瓷諧振頻率不等于傳感器諧振頻率！
聲發射傳感器的原理、分類、結構和校準
記得前段時間有人問聲發射傳感器相關的問題的
,
現貼這篇文章，涵蓋
了聲發射傳感器的原理、分類、結構和校準方法，希望能解答其疑惑
.
聲發射傳感器的作用是接收材料或結構內部的聲發射信號。壓力容器、
儲罐、熱交換器、管道、反應器、航空推進器、核電站的設備等許多類
型的結構都可以用聲發射進行監測。在所有的應用中，聲發射傳感器是
連接結構與聲發射儀之間的橋梁，所以，聲發射傳感器的性能對測試是
非常重要的。下面就聲發射傳感器的原理、分類、結構以及校準等方面
進行綜述，希望對大家認識了解和選擇聲發射傳感器有一定的幫助。
1
、聲發射傳感器的原理
傳感器將聲發源在被探測物體表面產生的機械振動轉換為電信號
,
它
的輸出電壓
V(t,x)
是表面位移波
U(x,t)
和它的響應函數
T(t)
的卷積
:
T(t) V(t,x)=U(t,x)
理想的傳感器應該能同時測量樣品表面位移
(
或速度
)
的縱向和橫向分量
,
在整個頻譜范圍內
(0
～
100MHz
或更大
)
能將機械振動線性地轉變為電信
號
,
并具有足夠的靈敏度以探測很小的位移
(
通常要求
≤10-14m)
。
目前人們還無法制造上述這種理想的傳感器，現在應用的傳感器大部分
由壓電元件組成，壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶
體和鈮酸鋰、碘酸鋰等單晶體，其中，鋯鈦酸鉛（
PZT
－
5
）接收靈敏
度高，是聲發射傳感器常用壓電材料。鈮酸鋰晶體居里點高達
1200
℃，
常用作高溫傳感器。
傳感器的特性包括：頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度，這些特性受許
多因素的影響，包括：①晶片的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數；②晶
片的阻尼塊及殼體中安裝方式；③傳感器的耦合、安裝及試件的聲學特
性。
壓電晶片的諧振頻率（
f
）與其厚度（
t
）的乘積為常數，約等于
0.5
倍波
速（
V
），即
f?t
＝
0.5V
，可見，晶片的諧振頻率與其厚度成反比。
2
、聲發射傳感器的分類
人們根據不同的檢測目的和環境制造了不同性能和不同結構的傳感器。
(1)
高靈敏度諧振式傳感器
:
諧振式高靈敏度傳感器是聲發射檢測中
使用最普遍的一種
,
這種傳感器具有很高的靈敏度
,
可探測的最小位移可
達到
10-14m,
但它們的響應頻率范圍很窄
,
且共振頻率一般都位于
50
至
1000KHz
之間。
聲發射傳感器出來的是模擬信號，先做A/D轉換。聲發射采集12-18位AD精度都有用到。
先看一下聲發射傳感器的結構，有個直觀的概念。聲發射傳感器主要有4種，分別是諧振式傳感器、寬帶傳感器、差動（差分）型傳感器和內置前放傳感器。
可以看出聲發射傳感器的主要元件就是壓電陶瓷。壓電陶瓷在受力產生變形時，其表面出現電荷，這種現象稱為壓電效應。
常用聲發射傳感器的工作原理，就是基于晶體元件的壓電效應，將被傳輸到傳感器表面的應力波信號轉換為電壓信號，送入信號處理器，完成信號處理過程。
兩線制的聲發射傳感器，其中紅線是信號線，黑線是接地線，接地線和傳感器外殼和壓電陶瓷的一端相連。
傳感器輸出時是模擬電壓信號，且一般情況下比較微弱。我記得有的單片機是帶內置ADC模塊的，可以直接把傳感器接到模擬接口。如果單片機沒有ADC模塊，就需要外置一個數模轉換模塊。
注意一點的信號強弱匹配，可以先用示波器測試一下信號的強弱，再決定要不要加放大器以及放大器的倍數。
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