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(yīng)力材料塑性應(yīng)變引起的不可恢復(fù)能量耗散的一部分，AE與材料的失效密切相關(guān)。

傳統(tǒng)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(yīng)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，該類敏芯體的應(yīng)用受到一定限制；除此之外，傳統(tǒng)商用AE傳感器多為諧振式，其諧振性通常會(huì)對(duì)AE信號(hào)造成調(diào)制，使信號(hào)波形失真。因此，許多研究者在低成本和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上尋求和開發(fā)可替代壓電器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于壓電隔膜成本低、構(gòu)造緊密、質(zhì)量小、響應(yīng)頻段廣等特點(diǎn)，中北大學(xué)的梁穎等人在《測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)》（Journal of Test and Measurement Technology）期刊上發(fā)表論文，報(bào)告了一種低成本壓電隔膜傳感器（圖1），通過(guò)斷鉛實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)比。

圖1 低成本壓電隔膜傳感器簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

研究人員通過(guò)鉛筆芯斷裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了壓電膜片傳感器在實(shí)際損傷檢測(cè)中的相應(yīng)靈敏度與頻響特性。如圖2所示，鉛芯伸出大概2.5mm長(zhǎng)，和被測(cè)結(jié)構(gòu)輪廓面夾角大致是30°，通過(guò)在結(jié)構(gòu)表面折斷鉛筆芯從而實(shí)現(xiàn)AE測(cè)試脈沖的產(chǎn)生。為確保鉛筆斷裂實(shí)驗(yàn)具備良好的復(fù)現(xiàn)性，測(cè)試時(shí)，每次斷鉛應(yīng)盡量保持相同的強(qiáng)度、角度、位置與長(zhǎng)度，從而使所測(cè)得信號(hào)具備良好的一致性與可對(duì)比性。

圖2 鉛筆斷裂實(shí)驗(yàn)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(hào)信息，測(cè)試結(jié)果表明，壓電隔膜傳感器對(duì)損傷聲源信號(hào)具有好的敏感性與良好的聲學(xué)響應(yīng)。但信號(hào)時(shí)域信息摻雜了大量的噪聲與數(shù)據(jù)，很難利用此信息確定信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，從而對(duì)比傳感器特性。而傳感器的響應(yīng)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)能量曲線獲得。

圖3 壓電隔膜捕獲損傷源信號(hào)

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(hào)的能量標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)性等具體特征的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證方案的可行性。圖4展示了3個(gè)敏感探頭相應(yīng)的能量圖，通過(guò)對(duì)其能量信息進(jìn)行分析，可以得到3個(gè)敏感探頭對(duì)應(yīng)的響應(yīng)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(yīng)時(shí)間

從表１中可以得知，壓電隔膜傳感器捕獲到信號(hào)的時(shí)間延遲最大，而壓電隔膜對(duì)被捕獲信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)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(xiàn)了略微的衰減。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，商用AE傳感器的頻率響應(yīng)范圍大致為60KHz～1MHz。而壓電隔膜感器頻響可達(dá)250KHz，在300KHz之后，傳感器信號(hào)出現(xiàn)衰減；在800KHz左右，壓電隔膜傳感器響應(yīng)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(yīng)呈現(xiàn)高相似性。而這兩個(gè)敏感探頭的響應(yīng)最高可達(dá)300KHz，在考慮到信號(hào)衰減的情況下，可將壓電隔膜傳感器應(yīng)用于需要300KHz以上頻率的加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)。在850KHz左右，出現(xiàn)了次高的相關(guān)性峰值，表明可用此區(qū)域監(jiān)測(cè)高頻損傷加工過(guò)程。

圖5 頻率響應(yīng)曲線

最后，通過(guò)對(duì)3個(gè)傳感器的頻率相關(guān)性進(jìn)行計(jì)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(dá)到0.8以上，這表明3個(gè)敏感探頭對(duì)信號(hào)的響應(yīng)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(nèi)提供更好的頻率響應(yīng)，和傳統(tǒng)商用AE傳感器對(duì)比，處于低頻段下其響應(yīng)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(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中低頻段信號(hào)信息進(jìn)行補(bǔ)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(jié)構(gòu)的耐用性與可重復(fù)性，對(duì)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(jié)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(jiān)測(cè)是有望的。

論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-7449.2022.02.014

審核編輯 ：李倩