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声发射传感器

压电与声光 1988年第3期 27-35页

作者：郭秀芬四川压电与声光技术研究所

本文概述了声发射的发展历史,以及声发射传感器的原理和种类。介绍了声发射技术在无损检测技术中的几种应用例。

关键词：声发射传感器无损检测技术压电元件前置放大器高温传感器敏感元件电子元件飞行体声发射技术电噪声

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用于结构健康监测的声发射传感器研究

用于结构健康监测的声发射传感器研究

作者：梁颖中北大学

学位级别：硕士

金属结构件被广泛应用于交通船务、航空航天和建筑等领域,对其进行结构健康监测十分重要。声发射作为结构健康监测技术中的重要手段,可以通过处理、分析声发射传感器采集到的信号数据,有效预估结构件剩余寿命。在结构健康监测过程中,不... 详细信息

金属结构件被广泛应用于交通船务、航空航天和建筑等领域,对其进行结构健康监测十分重要。声发射作为结构健康监测技术中的重要手段,可以通过处理、分析声发射传感器采集到的信号数据,有效预估结构件剩余寿命。在结构健康监测过程中,不同的应用场合对声发射传感器谐振频率要求不同,可以选择不同谐振频率的敏感元件来设计满足场景监测需求,基于这一研究热点,本文通过对传感元件的谐振频率进行研究,研制了针对金属结构健康监测的声发射传感器。本文主要研究内容包含以下几点:（1）分析了金属材料中裂纹缺陷声发射信号的特点,设计出以PZT-5H压电陶瓷为敏感元件,氧化铝为声匹配层的声发射传感器结构,基于谐振频率、声阻抗匹配等理论,分析了各组成部分的材料以及参数尺寸。对传感器壳体做倒角设计,内部粘结消音棉,有效抑制了噪声的影响。（2）通过有限元分析中多种仿真类型,对压电声发射传感器中的关键元件进行性能仿真,评估不同参数尺寸传感器模型的响应特性,得到设计参数下的传感器模型谐振频率在设计要求范围内,验证了理论分析的正确性。（3）搭建声发射结构健康监测实验平台,通过断铅试验、集中区定位试验、疲劳载荷试验,测试压电声发射传感器在结构健康监测系统中的性能。试验结果表明:压电声发射传感器谐振频率为152k Hz,谐振点灵敏度为70d B,它对多类金属材料均具备良好的声学响应,其声源定位误差不超过5%,设计达到了预估的性能要求。

关键词：压电陶瓷声发射传感器有限元分析结构健康监测声发射信号

基于LiNbO3晶体的高温压电声发射传感器设计及其性能研究

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基于LiNbO3晶体的高温压电声发射传感器设计及其性能研究

作者：王国良山东大学

学位级别：硕士

作为重要的结构健康检测器件,声发射传感器已广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源等工业技术的快速发展,许多工矿环境对声发射传感器的工作性能提出了更高的要求,迫切期望声发射传感器件能在高温... 详细信息

作为重要的结构健康检测器件,声发射传感器已广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源等工业技术的快速发展,许多工矿环境对声发射传感器的工作性能提出了更高的要求,迫切期望声发射传感器件能在高温环境中稳定地监测设备的运转状况。目前,国内商业化压电声发射传感器主要采用压电陶瓷作为核心灵敏元件进行制备,它们大都只能工作在中低温环境,不能满足高温应用需求,其主要原因是受居里温度的影响,高温下陶瓷材料的压电性能会大幅度降低,严重时直接导致器件失效。另外,采用氮化铝和稀土硼酸盐等压电晶体研制的声发射传感器虽然能在高温环境中工作,但受晶体材料自身压电活性低的限制,研制的声发射传感器检测灵敏度相对较低。与上述压电材料相比,铌酸锂晶体（LiNbO3,LN）不仅具有优异的压电性能,而且压电性能在宽温域范围内（20～500℃）较为稳定。因此,LN晶体在高温压电声发射传感器研制方面具有明朗的应用前景。本文选用了 LN晶体,通过压电矩阵计算、COMSOL有限元仿真并结合实验测试,设计得到了高温压电性能优异的最佳晶体切型,并利用最优切型试制了宽温域范围内具有高检测灵敏度的压电声发射传感器原型器件。主要研究工作如下:（1）根据LN晶体压电性能的各向异性,通过压电矩阵计算,得到了 LN晶体最大压电常数切型,分别对应d’15（XZt/28°,deff=80pC/N）和d’22（YX1/28°,deff=40pC/N）。进一步,利用COMSOL有限元仿真,通过压电频响分析,优化了切型尺寸比例,设计得到了兼具最大有效压电常数和低压电串扰的最优压电晶体元件。最后,通过实验测试,验证了上述压电灵敏元件的高温性能稳定性,获得了 LN晶体20～500℃范围内综合压电性能优异的最佳压电晶体切型。（2）设计了采用声发射理论对研制的声发射传感器原型器件进行灵敏度检测的研究方案;分析了Lamb波在介质中的传播特点,绘制了工业用7075铝合金和316不锈钢薄板中的Lamb波传播曲线;按照Hsu-Nielsen实验方法,在上述金属薄板中激励产生Lamb波,用于测试声发射传感器的工作灵敏度。（3）通过AEwin声发射检测系统、高温管式炉等设备,自行搭建了高温声发射传感器测试系统。利用设计得到的最优压电灵敏切型,研制了切变式和压缩式声发射传感器原型器件,并在宽温域范围内对研制的声发射传感器性能进行了实验测试。对于切变式声发射传感器,室温下（20℃）,传感器接收到Lamb波信号的峰-峰值为69.8 mV,信噪比为31.1 dB;在500℃高温时,信号峰-峰值和信噪比分别为41.3 mV和22.8 dB。对于压缩式声发射传感器,室温下信号的峰-峰值为65.4mV,信噪比为36.4 dB;在800℃高温时,峰-峰值和信噪比仍可达14.4 mV和23.6 dB,高于商业化声发射传感器信噪比应用要求（＞6dB）。从性能方面看,所研制的两种器件在高温结构健康检测领域具有潜在的应用价值。

关键词： LiNbO3晶体高温压电声发射传感器结构健康检测

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压电式声发射传感器设计及性能分析

压电式声发射传感器设计及性能分析

作者：韩得福北京交通大学

学位级别：硕士

随着工业水平的不断提高,旋转机械的运行工况变得更加复杂,这极易提高故障出现概率、降低其服役寿命。旋转机械作为现代工业的基础与核心设备,其运行状态直接关系到整个机械系统的安全与稳定。因此,及时感知旋转机械的运行状态,对保障... 详细信息

随着工业水平的不断提高,旋转机械的运行工况变得更加复杂,这极易提高故障出现概率、降低其服役寿命。旋转机械作为现代工业的基础与核心设备,其运行状态直接关系到整个机械系统的安全与稳定。因此,及时感知旋转机械的运行状态,对保障机械系统的安全运行具有重要意义。声发射传感器作为声发射状态监测系统的前端及核心部件,其基本结构包括压电陶瓷、匹配层、背衬层和内置电路。本文研究了压电式声发射传感器的感知机理,从而确定了基本结构,进而针对各部分结构建立了数学模型,研究了不同参数对其性能的影响规律,最后通过多物理场数值模拟和试验验证了模型的正确性,为研发高灵敏度声发射传感器提供了理论依据。论文主要研究内容如下:(1)压电式声发射传感器感知机理研究。分析了轴承常见的损伤现象及运动行为,研究了轴承损伤冲击信号特性,其中早期损伤的声发射信号频率高、幅值小;进而研究了声发射信号的传播特性;选取压电材料,建立了机电耦合模型,揭示了压电陶瓷机电转换的本构关系。(2)声发射传感器结构及数学模型研究。分析并确定了传感器基本结构,其中压电陶瓷工作模式为d33,结合对阻抗匹配理论的分析,设计了传感器内置电路,建立了声发射传感器数学模型,包括基于孔径效应与谐振频率的压电陶瓷尺寸参数模型、压电陶瓷振动模模型以及率先提出的基于声波衰减的匹配层厚度设计模型,并分析了各部分结构在不同参数下对传感器性能的影响。(3)声发射传感器数值模拟研究。建立了声发射传感器有限元模型并进行了仿真,通过对压电陶瓷的模态分析、稳态分析、频域分析,确定了压电陶瓷的模态、振型以及阻抗等,验证了压电陶瓷尺寸参数模型的正确性;通过对声发射传感器的时域和频域研究,验证了基于声波衰减的匹配层厚度设计模型的正确性,其中匹配层可以增强声波透射能力,提高传感器的灵敏度,而背衬层可以起到有效的吸声效果,降低传感器接收信号的拖尾时间,提高传感器的分辨率。(4)声发射传感器封装及性能研究。完成了对内置电路的测试及验证,确定了声发射传感器的封装工艺并进行封装;为了验证所研发的声发射传感器正确性,设计试验方案,首先对比分析了传感器的一致性,然后验证了基于声波衰减的匹配层厚度设计模型的正确性,最后将其应用于高速列车轴承损伤声发射试验中,试验表明该声发射传感器能够实现对机械设备早期损伤的感知。

关键词：旋转机械声发射传感器机电耦合建模数学模型声波衰减

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声发射传感器原位计量校准方法研究

计量与测试技术 2022年第12期49卷 11-13,17页

作者：孙向丽杨海龙黄晓龙中国飞机强度研究所

声发射检测系统是一种实时监测结构变化的无损检测设备,广泛应用于飞机结构强度试验,且粘贴于试验件表面。本文针对其不易拆卸的声发射传感器的计量校准需求,研究设计了一套适应的试验现场原位计量校准方法,确保该类传感器量值溯源的一... 详细信息

声发射检测系统是一种实时监测结构变化的无损检测设备,广泛应用于飞机结构强度试验,且粘贴于试验件表面。本文针对其不易拆卸的声发射传感器的计量校准需求,研究设计了一套适应的试验现场原位计量校准方法,确保该类传感器量值溯源的一致性,满足质量与适航要求。

关键词：声发射传感器计量校准校准方法

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1-3型压电复合材料及其声发射传感器研究

1-3型压电复合材料及其声发射传感器研究

作者：戴晗济南大学

学位级别：硕士

桥梁是提高交通运输效率和改善国民经济的基础设施。据统计,在我国越来越多的桥梁投入使用,现役和在建桥梁多达90余万座。然而,受工作环境和服役时间影响,其安全性面临严重挑战。为了确保桥梁结构安全,避免灾害性事故发生和保障人民的... 详细信息

桥梁是提高交通运输效率和改善国民经济的基础设施。据统计,在我国越来越多的桥梁投入使用,现役和在建桥梁多达90余万座。然而,受工作环境和服役时间影响,其安全性面临严重挑战。为了确保桥梁结构安全,避免灾害性事故发生和保障人民的生命财产安全,开展桥梁结构在线健康监测迫在眉睫。声发射监测技术凭借其响应速度快、监测范围广、灵敏度高等优势,可以实现大型结构损伤的实时、动态监测,在桥梁健康监测方面具有先天优势。然而,大跨度桥梁主要由钢桁架、混凝土箱梁和支座等组成,由于钢桁架和混凝土箱梁材质不同,在损伤过程中产生的声发射信号存在明显差异,导致对大跨度桥梁整体的监测精度下降。因此,本文针对混凝土和金属材料声发射特性,通过有限元分析探讨了PZT体积分数和宽高比等结构参数对1-3型压电复合材料机电性能的影响,并利用切割-浇注法制备了不同PZT体积分数和宽高比的1-3型压电复合材料,并研究其机电、压电、介电、机械品质因数、机电耦合系数等性能。以1-3型压电复合材料为传感器压电元件、环氧树脂为背衬层制备了系列1-3型声发射传感器,明确了其声发射特征参数、波形信息变化规律,并对其进行标定。利用制备的1-3型声发射传感器构建了混凝土龄期、强度及距离与声发射特征信号之间的关系,明确了钢板腐蚀程度与声发射特征信号之间的关联性,并以此为基础研究了不同材料声发射信号源的定位特性。具体研究结果如下:（1）采用切割-浇注法制备了1-3型压电复合材料,通过有限元分析和实验验证探讨了压电陶瓷柱体积分数、宽高比等结构参数对1-3型压电复合材料压电、介电和声学性能的影响。研究结果表明:随着PZT体积分数的增加,1-3型压电复合材料电导值增大且峰形变窄,谐振频率都在210 k Hz附近,振动模态以厚度模态为主;相对介电常数ε增大,且基本呈线性增长的趋势,压电应变常数d增大,压电电压常数g减小,厚度机电耦合系数K_t在0.64-0.74之间波动;机械品质因数Q由6增大至61.7。随着PZT陶瓷柱宽高比的增大,电导值增大且峰形变宽,振动模态以厚度模态为主,谐振频率由208 k Hz增加到255 k Hz;ε、d逐渐减小,g几乎不受宽高比的影响,在35.5 m·C和37.5 m·C之间微小波动,K_t呈现减小的趋势,在0.69至0.75之间变化,Q逐渐减小。与有限元分析的结果相对应。故选择PZT体积分数为56.0%、宽高比为0.2的1-3型压电复合材料作为声发射传感器的压电元件。（2）以制备的1-3型压电复合材料作为传感器压电元件、环氧树脂作为背衬层、AlO陶瓷片作为匹配层制备了1-3型声发射传感器。在铝板上,通过断铅试验模拟声发射源,探索了传感器性能变化规律,研究结果表明:随着声发射信号源与声发射传感器距离的增加,能量和幅值均减小,且线性相关性较大;背衬层由于水泥、钨粉的添加,声发射电压最大值均得到提高,且信号衰减更快。背衬层为环氧/钨粉/水泥的声阻抗最大,为3.9 MRal,吸波能力最强,反射声波能力最小,因此标定结果中背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器带宽最宽,为41-280 k Hz,且响应平缓,这与在铝板上的断铅试验结果相一致。表明本文制备的背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器一致性良好且幅值稳定,具有良好的声发射信号接受能力,能够用于各材料损伤源的定位监测。（3）本文还设计了C30、C40、C50三种不同理论强度的混凝土试块,将背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器外贴于混凝土表面,研究了混凝土龄期变化对声发射特性的影响,研究结果表明:随着龄期的增加其抗压强度逐渐增加,声波在样品中的传播速度逐渐增大。C30混凝土在距离传感器5 cm处的断铅信号能量随着龄期的增加而增大。在每个龄期内,断铅信号的能量和幅值均随距离的增大而减小,且幅值随距离的变化更加线性;5至10 cm的能量变化大于10至25 cm的能量变化。C40和C50混凝土的能量和幅值也有以上规律。随着设计强度的增加,声发射传感器接收到的波形最高值逐渐变大;随着龄期的增加,其幅值逐渐增大、声发射特征频率逐渐变宽,当龄期达到14天后都趋于稳定。该发现为评价混凝土所处状态和提高混凝土监测精度提供了理论基础。（4）利用外加直流电压法设计了金属加速腐蚀实验,采用1-3型声发射传感对金属腐蚀过程进行了实时监测,依据监测结果构建了金属腐蚀过程与声发射特征信号之间的关联性,研究结果表明:腐蚀过程声发射幅值主要集中于45-55 d B;前期声发射能量均较小,随着加速腐蚀实验的进行腐蚀信号能量略微增大,在腐蚀时间达到100000 s-120000 s出现能量异常增大现象;腐蚀前期和腐蚀中期出现大量撞击信号;结合声发射累积撞击数,可以将钢板腐蚀过程划分为前期去钝化、持续腐蚀和锈蚀产物脱落三个阶段。（5）基于以

关键词： 1-3型压电复合材料声发射传感器结构健康监测金属腐蚀声发射信号源定位

BiScO_(3)-BiFeO_(3)-PbTiO_(3)-BaTiO_(3)高温压电陶瓷及其在高温声发射传感器中的应用

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Journal of Central South University 2021年第12期28卷 3747-3756页

作者：冯超冯云云范梦佳耿朝辉林秀娟杨长红黄世峰 Shandong Provincial Key Laboratory of Preparation and Measurement of Building Materials University of JinanJinan 250022China

针对声发射传感器在高温结构健康监测领域愈发迫切的需求,本项目旨在制备适用于高温领域的压电陶瓷及其声发射传感器。首先,通过固相反应制备了一系列的0.45(BiSc_(x)O_(3)-BiFe_(1-x)O_(3))-0.48PbTiO_(3)-0.07BaTiO_(3)(BSc_(x)Fe_(1-... 详细信息

针对声发射传感器在高温结构健康监测领域愈发迫切的需求,本项目旨在制备适用于高温领域的压电陶瓷及其声发射传感器。首先,通过固相反应制备了一系列的0.45(BiSc_(x)O_(3)-BiFe_(1-x)O_(3))-0.48PbTiO_(3)-0.07BaTiO_(3)(BSc_(x)Fe_(1-x)-PT-BT,n(Sc)/n(Fe)=0.4/0.6~0.6/0.4)压电陶瓷,系统地研究了BSc_(x)Fe_(1-x)PT-BT陶瓷的微观结构和电学性能对n(Sc)/n(Fe)比例的依赖关系。所有陶瓷均呈现出典型的钙钛矿结构,且随着n(Sc)/n(Fe)的降低,晶相逐渐由菱方相向四方相转变。陶瓷的压电性能和介电性能随着n(Sc)/n(Fe)比例的降低先升高后降低。其中,BSc_(0.5)Fe_(0.5)-PT-BT和BSc_(0.5)Fe_(0.5)-PT-BT陶瓷展现了优异的压电性(d_(33)=250~281 pC/N)、高的居里温度(T_(C)=430~450℃)以及良好的温度稳定性。这些增强的性能是源于陶瓷准同型相界处菱方相和四方相之间的平衡以及致密的陶瓷微观结构。另外,基于BSc_(0.5)Fe_(0.5)-PTBT压电陶瓷设计、制备了声发射传感器,并对其进行了原位高温断铅测试。在200℃高温下,声发射传感器的噪声低于40 dB,声发射信号高于90 dB。因此,BSc_(x)Fe_(1-x)-PT-BT压电陶瓷基声发射传感器有望被应用于高温结构健康监测中。

关键词：压电陶瓷高温准同型相界相变声发射传感器

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3D打印光纤法布里-珀罗腔声发射传感器

中国激光 2020年第9期47卷 247-255页

作者：沈诗魏鹤鸣王俊刘奂奂马章微陈娜商娅娜庞拂飞上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室上海200444 鞍山师范学院高等职业技术学院辽宁鞍山114008

提出一种基于非本征法布里-珀罗腔的新型光纤声发射传感器。采用数字光处理3D打印技术制备声振动敏感膜片,该结构基于灵活的数字模型设计,可一次成型,易于与标准光纤陶瓷插芯表面集成。实验结果表明:所制备的法布里-珀罗传感器具有较高... 详细信息

提出一种基于非本征法布里-珀罗腔的新型光纤声发射传感器。采用数字光处理3D打印技术制备声振动敏感膜片,该结构基于灵活的数字模型设计,可一次成型,易于与标准光纤陶瓷插芯表面集成。实验结果表明:所制备的法布里-珀罗传感器具有较高的消光比;该声发射传感器在频率为600 Hz^2.4 kHz时具有较高的灵敏度,在频率为1.6 kHz时,声压灵敏度为2.81 mV/Pa。基于3D打印技术的光纤声发射传感器具有稳定性好、制备工艺简单等优点,在声发射检测领域具有潜在的应用前景。

关键词：传感器光纤传感器法布里-珀罗腔声发射传感器 3D打印

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声发射传感器及其应用

测控技术 1992年第1期11卷 14-17页

作者：梁家惠北京航空航天大学

本文介绍一组用于声发射研究的压电传感器,它们是高灵敏度传感器、差动传感器、宽频带传感器、含内建式前放的传感器、高频调谐传感器、超小型传感器、带固定磁座传感器以及在高温、辐照环境使用的传感器,并介绍了这些传感器的结构、特... 详细信息

本文介绍一组用于声发射研究的压电传感器,它们是高灵敏度传感器、差动传感器、宽频带传感器、含内建式前放的传感器、高频调谐传感器、超小型传感器、带固定磁座传感器以及在高温、辐照环境使用的传感器,并介绍了这些传感器的结构、特点以及典型应用。

关键词：声发射传感器传感器