一种低成本压电隔膜传感器

声发射（Acoustic Emission，AE）是揭示材料变形和损伤特征的有效方法，作为应力材料塑性应变引起的不可恢复能量耗散的一部分，AE与材料的失效密切相关。

传统商用AE传感器多采用特定尺寸的锆钛酸铅（PZT）陶瓷作为敏感元件，其灵敏度高，应用广泛，但特定尺寸PZT陶瓷的加工会使生产成本与难度大大增加，而且在低频AE传感器中，该类敏芯体的应用受到一定限制；除此之外，传统商用AE传感器多为谐振式，其谐振性通常会对AE信号造成调制，使信号波形失真。因此，许多研究者在低成本和创新的基础上寻求和开发可替代压电器件。

据麦姆斯咨询报道，基于压电隔膜成本低、构造紧密、质量小、响应频段广等特点，中北大学的梁颖等人在《测试技术学报》（Journal of Test and Measurement Technology）期刊上发表论文，报告了一种低成本压电隔膜传感器（图1），通过断铅实验对传感器进行表征，分析了其时频特性，并与商用AE传感器特性进行了对比。

图1 低成本压电隔膜传感器简易结构

研究人员通过铅笔芯断裂实验，测试了压电膜片传感器在实际损伤检测中的相应灵敏度与频响特性。如图2所示，铅芯伸出大概2.5mm长，和被测结构轮廓面夹角大致是30°，通过在结构表面折断铅笔芯从而实现AE测试脉冲的产生。为确保铅笔断裂实验具备良好的复现性，测试时，每次断铅应尽量保持相同的强度、角度、位置与长度，从而使所测得信号具备良好的一致性与可对比性。

图2 铅笔断裂实验示意图

图3展示了压电隔膜传感器捕获到的模拟损伤源信号信息，测试结果表明，压电隔膜传感器对损伤声源信号具有好的敏感性与良好的声学响应。但信号时域信息掺杂了大量的噪声与数据，很难利用此信息确定信号的响应时间，从而对比传感器特性。而传感器的响应时间可以定义为传感器输出从先前状态改变到最终值所需的时间，该时间还可以通过能量曲线获得。

图3 压电隔膜捕获损伤源信号

因此，研究人员利用压电隔膜、压电隔膜传感器与商用AE传感器捕获到信号的能量标准、相关性等具体特征的统计数据进行对比，验证方案的可行性。图4展示了3个敏感探头相应的能量图，通过对其能量信息进行分析，可以得到3个敏感探头对应的响应时间，如表１所示。

图4 ３个敏感探头的能量图

表1 ３个敏感探头的响应时间

从表１中可以得知，压电隔膜传感器捕获到信号的时间延迟最大，而压电隔膜对被捕获信号的时间响应与商用AE传感器基本一致，但其最大点的能量较之商用AE传感器出现了略微的衰减。进一步研究发现，商用AE传感器的频率响应范围大致为60KHz～1MHz。而压电隔膜感器频响可达250KHz，在300KHz之后，传感器信号出现衰减；在800KHz左右，压电隔膜传感器响应存在新频率峰值（图5）。在60KHz～170KHz频段里，压电隔膜与压电隔膜传感器的频率响应呈现高相似性。而这两个敏感探头的响应最高可达300KHz，在考虑到信号衰减的情况下，可将压电隔膜传感器应用于需要300KHz以上频率的加工过程的监测。在850KHz左右，出现了次高的相关性峰值，表明可用此区域监测高频损伤加工过程。

图5 频率响应曲线

最后，通过对3个传感器的频率相关性进行计算可知，压电隔膜与压电隔膜传感器之间的频率相关性最高，这是由于这两个敏感探头具有相同尺寸与形状的敏感芯体。3个敏感探头之间的频率相关性大多都在0.55以上，最高点相关性皆可达到0.8以上，这表明3个敏感探头对信号的响应具有很高的相似性。

总体而言，低成本压电隔膜传感器可以在低频段内提供更好的频率响应，和传统商用AE传感器对比，处于低频段下其响应更好，因压电隔膜传感器处于低频段下可能包含更有价值的信息，可以用其对监测过程中低频段信号信息进行补充。压电隔膜传感器与压电隔膜具有相似的灵敏度与频响范围，表明为了提高压电隔膜结构的耐用性与可重复性，对其进行封装是有必要的。压电隔膜传感器与商用AE传感器的相关性结果非常相似，这说明压电隔膜传感器作为AE商用传感器的低成本替代方案进行损伤源监测是有望的。

论文链接：
http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-7449.2022.02.014

审核编辑 ：李倩