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聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護(hù)膜、壓電元件、阻尼塊、連接導(dǎo)線及高頻插座組成。壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。根據(jù)不同的檢測(cè)目的和環(huán)境采用不同結(jié)構(gòu)和性能的傳感器。其中,諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)中使用最多的一種。單端諧振式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖所示。將壓電元件的負(fù)電極面用導(dǎo)電膠粘貼在底座上;另一面焊出一根很細(xì)的引線與高頻插座的芯線連接,外殼接地。
1、寬帶響應(yīng)聲發(fā)射傳感器
在失去了與源有關(guān)的力學(xué)機(jī)理的情況下,用諧振式聲發(fā)射傳感器來(lái)測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)有其它的局限性。為了測(cè)量到更加接近真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)來(lái)研究聲源特性,就需得使用寬帶聲發(fā)射傳感器(圖2-9)來(lái)獲取更廣頻率范圍的信號(hào)。寬帶響應(yīng)的聲發(fā)射傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是采集到的聲發(fā)射信號(hào)豐富,全面,當(dāng)然其中也包含著噪聲信號(hào)。聲發(fā)射傳感器是寬帶、高保真位移或速度聲發(fā)射傳感器以便捕捉到真實(shí)的波形。
2、諧振響應(yīng)聲發(fā)射傳感器
金屬材料和其它應(yīng)用場(chǎng)合常使用通稱頻率150KHz的諧振式窄帶聲發(fā)射傳感器(典型型號(hào)PXR15)來(lái)測(cè)量工程材料的聲發(fā)射信號(hào),采用計(jì)數(shù)、幅度、上升數(shù)據(jù)、持續(xù)數(shù)據(jù)、能量這些傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)。窄帶諧振式聲發(fā)射傳感器靈敏度較高并且有很高的信噪比,價(jià)格便宜,規(guī)格多,如在知曉聲源傳播基本特性、想獲取某一頻帶范圍的AE信號(hào)來(lái)進(jìn)行處理或想提高系統(tǒng)靈敏度,選擇合適型號(hào)的諧振式聲發(fā)射傳感器比較好,如聲源定位。應(yīng)當(dāng)指出所謂諧振式窄帶聲發(fā)射傳感器并不是只對(duì)某頻率信號(hào)敏感,而是對(duì)某頻率帶信號(hào)敏感,其它頻率帶信號(hào)靈敏度較低。
3、特殊聲發(fā)射傳感器
凡是能將物體表面振動(dòng)聲波轉(zhuǎn)變成電量的聲發(fā)射傳感器都可作為聲發(fā)射傳感器,因此那些在超聲檢測(cè)領(lǐng)域中的各種類(lèi)型聲發(fā)射傳感器都有可能作為聲發(fā)射傳感器,例如光學(xué)原理測(cè)物體表面微小位移的聲發(fā)射傳感器、電磁原理測(cè)物體表面微小位移的聲發(fā)射傳感器等。但由于聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)而言更弱小,大多數(shù)非壓電原理的聲發(fā)射傳感器靈敏度不夠只能用于特殊情況。
另一類(lèi)采用壓電原理的特殊聲發(fā)射傳感器為轉(zhuǎn)變指定聲波振動(dòng)方向的振動(dòng)量,如平行測(cè)試物體表面的振動(dòng)量和垂直測(cè)試物體表面的振動(dòng)量等。由于這類(lèi)聲發(fā)射傳感器的實(shí)際效果有待驗(yàn)證,目前僅見(jiàn)用于研究和特殊情況。
聲發(fā)射傳感器是利用某些物質(zhì)(如半導(dǎo)體、陶瓷、壓電晶體、強(qiáng)磁性體和超導(dǎo)體等)的物理特性隨著外界待測(cè)量作用而發(fā)生變化的原理制成的。它利用了諸多的效應(yīng)(包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng))和物理現(xiàn)象,如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等效應(yīng),把應(yīng)變、濕度、溫度、位移、磁場(chǎng)、煤氣等被測(cè)量變換成電量。而新原理、新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和利用,新型物性材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,使物性型聲發(fā)射傳感器得到很大的發(fā)展。因此了解聲發(fā)射傳感器所基于的各種效應(yīng),對(duì)其理解、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用都是非常必要的。在聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中,通常使用的是壓電效應(yīng)。
國(guó)內(nèi)的壓電陶瓷材料價(jià)格便宜,因而在低端聲發(fā)射傳感器中應(yīng)用較多,但在一致性和溫度穩(wěn)定性方面有些欠缺。一般高端的聲發(fā)射傳感器均選用日本生產(chǎn)的壓電陶瓷元件。如國(guó)內(nèi)的PXR系列聲發(fā)射傳感器均全部選用了日本富士陶瓷的敏感元件,其一致性、可靠性、穩(wěn)定性比普通的傳感器要好很多。
具有明顯壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,常用的有石英晶體、鈮酸鋰LiNbO3、鎵酸鋰LiGaO3、鍺酸鉍Bi12GeO20等單晶和經(jīng)極化處理后的多晶體如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷PZT。新型壓電材料有高分子壓電薄膜(如聚偏二氟乙烯PVDF)和壓電半導(dǎo)體(如ZnO、CdS)。