3.1  声发射传感器

3.1.1  传感器工作原理

某些晶体受力产生变形时，其表面出现电荷，而又在电场的作用下，晶片发生弹性变形，这种现象称为压电效应。常用声发射传感器的工作原理，基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号，供于信号处理器。

压电材料多为非金属介电晶体，包括：锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体。其中，锆钛酸铅（PZT－5）接收灵敏度高，是声发射传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器。

传感器的特性包括：频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度，取决于许多因素，包括：①晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；②晶片的阻尼块及壳体中安装方式；③传感器的耦合、安装及试件的声学特性。

压电晶片的谐振频率（f）与其厚度（t）的乘积为常数，约等于0.5倍波速（V），即f·t＝0.5V，可见，晶片的谐振频率与其厚度成反比。

3.1.2  类型与选择

传感器属检测系统的关键部件，其响应多敏感于表面振动的垂直位移，包括：位移、位移速度、位移加速度，这主要取决于传感器的频率响应和灵敏度特性。

传感器可分为压电型、电容型和光学型。其中，常用的压电型又可分为：谐振式（单端和差动式）、宽频带式、锥型式、高温式、微型、前放内置式、潜水式、定向式、空气耦合式和可转动式，其主要类型、特点和适用范围如表3-1所示。

（1）高灵敏度谐振式传感器：谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最普遍的一种，这种传感器具有很高的灵敏度，可探测的最小位移可达到10^-14m，但它们的响应频率范围很窄，且共振频率一般都位于50至1000KHz之间。

 (2)宽频带传感器：传感器的幅频特性与其压电元件的厚度有关，宽频带传感器一般是由多个不同厚度的压电元件组成，这种传感器的操作频率一般为几十KHz到1MHz，适合探测声发射源频率很丰富的材料，但其缺点是灵敏度不太高。

 (3)切变波传感器：目前声发射检测所普遍使用的基本上都是纵波传感器，它们只能接收厚度方向的振动分量。切变波传感器是专门用来探测材料表面水平方向的切变振动分量的传感器，而且具有一定的方向性。

    (4)二分量传感器：在材料表面一点上能同时获得一个纵向振动分量和一个切变振动分量，或是两个相互垂直的切变振动分量的传感器。

(5)三分量传感器：在材料表面一点上能同时获得一个纵向振动和两个相互垂直的切变振动的传感器。

(6)差动传感器：由两个正负极差接的压电元件组成号。其抗共模干扰能力强，适合噪声来源复杂的现场使户输出相应变化的差动信

(7)电容传感器：这是——种直流偏置的静电式传感器，用它可以测量试件表曲的垂直位移，所以也是一种位移传感器。由于它在很宽的频率范围内具有平坦的响应特性，因此可用于声发射信号的频谱分析和传感器标定。缺点是灵敏度不够高。

(8)锥形传感器：这种传感器采用NBS型的锥形探头，灵敏度很高，频谱相应也很宽。

(9)低频拟制传感器：它具有低频拟制能力，但对于表面波声发射信号；肓接近一般传感器的灵敏度。

   （10)光学传感器：它应用Michelson干涉仪的原理，以相：厂长度—厂分大的激光的干涉来测量弹性波引起样品表面的垂直位移，它不与样品直接接触，因此具有很宽的通频带，并：且可以{jd1}标定，但由于受波长所限，且本底噪音刁；易xx，其探测灵敏度不高。

(11)微型传感器：微型传感器具有小巧的外形结构，适合探测小型试件的声发射。但由于压电元件小，灵敏度较低。

(12)高温传感器：这种传感器适合在高温环境下长时间工作，要求压电元件具有高温稳定性能，它的Curie温度远高于使用温度。目前商品高温传感器的使用温度范围为-200～+540℃。

(13)磁吸附传感器：它可以直接吸附在铁磁材料的检测对象上，达到充分接触耦合的目的。由于切变波传感器不能采用油耦合，所以它常采用磁吸附传感器的结构。

(14)前放内置式传感器：这种传感器将声发射信号的前置放大器与压电元件—起置入探头的不锈钢外壳中，因此具有{zh0}的抗电磁干扰能力，而且传感器的灵敏度不受影响。这种传感器在现场检测中使用十分方便。

(15)潜水传感器：这种传感器仍采用前放内置式结构，但经过密封防水处理，可以在水中对构件进行声发射检测。

(16)可转动传感器：这种传感器采用干耦合旋转式结构，在生产过程中，在传感器位置固定的情况下对移动的工件进行连续监测。

(17)单向传感器：这种传感器只对一个方向传播的声发射波敏感，而对与之垂直的另一个方向传播的声发射信号拟制。因此适合桥梁的声发射检验并排除道路噪音的干扰。

(18)空气耦合传感器：这种传感器以空气为耦合剂，中心频率一般为20KH2，最适合在非接触情况下进行在用压力容器的泄漏监测。

表3-l  传感器的类型、特点和适用范围