聲發射（Acoustic Emission，AE）是揭示材料變形和損傷特征的有效方法，作為應力材料塑性應變引起的不可恢復能量耗散的一部分，AE與材料的失效密切相關。

傳統商用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，應用廣泛，但特定尺寸PZT陶瓷的加工會使生產成本與難度大大增加，而且在低頻AE傳感器中，該類敏芯體的應用受到一定限制；除此之外，傳統商用AE傳感器多為諧振式，其諧振性通常會對AE信號造成調制，使信號波形失真。因此，許多研究者在低成本和創新的基礎上尋求和開發可替代壓電器件。

據麥姆斯咨詢報道，基于壓電隔膜成本低、構造緊密、質量小、響應頻段廣等特點，中北大學的梁穎等人在《測試技術學報》（Journal of Test and Measurement Technology）期刊上發表論文，報告了一種低成本壓電隔膜傳感器（圖1），通過斷鉛實驗對傳感器進行表征，分析了其時頻特性，并與商用AE傳感器特性進行了對比。

圖1 低成本壓電隔膜傳感器簡易結構

研究人員通過鉛筆芯斷裂實驗，測試了壓電膜片傳感器在實際損傷檢測中的相應靈敏度與頻響特性。如圖2所示，鉛芯伸出大概2.5mm長，和被測結構輪廓面夾角大致是30°，通過在結構表面折斷鉛筆芯從而實現AE測試脈沖的產生。為確保鉛筆斷裂實驗具備良好的復現性，測試時，每次斷鉛應盡量保持相同的強度、角度、位置與長度，從而使所測得信號具備良好的一致性與可對比性。

圖2 鉛筆斷裂實驗示意圖

圖3展示了壓電隔膜傳感器捕獲到的模擬損傷源信號信息，測試結果表明，壓電隔膜傳感器對損傷聲源信號具有好的敏感性與良好的聲學響應。但信號時域信息摻雜了大量的噪聲與數據，很難利用此信息確定信號的響應時間，從而對比傳感器特性。而傳感器的響應時間可以定義為傳感器輸出從先前狀態改變到最終值所需的時間，該時間還可以通過能量曲線獲得。

圖3 壓電隔膜捕獲損傷源信號

因此，研究人員利用壓電隔膜、壓電隔膜傳感器與商用AE傳感器捕獲到信號的能量標準、相關性等具體特征的統計數據進行對比，驗證方案的可行性。圖4展示了3個敏感探頭相應的能量圖，通過對其能量信息進行分析，可以得到3個敏感探頭對應的響應時間，如表１所示。

圖4 ３個敏感探頭的能量圖

表1 ３個敏感探頭的響應時間

從表１中可以得知，壓電隔膜傳感器捕獲到信號的時間延遲最大，而壓電隔膜對被捕獲信號的時間響應與商用AE傳感器基本一致，但其最大點的能量較之商用AE傳感器出現了略微的衰減。進一步研究發現，商用AE傳感器的頻率響應范圍大致為60KHz～1MHz。而壓電隔膜感器頻響可達250KHz，在300KHz之后，傳感器信號出現衰減；在800KHz左右，壓電隔膜傳感器響應存在新頻率峰值（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呈現高相似性。而這兩個敏感探頭的響應最高可達300KHz，在考慮到信號衰減的情況下，可將壓電隔膜傳感器應用于需要300KHz以上頻率的加工過程的監測。在850KHz左右，出現了次高的相關性峰值，表明可用此區域監測高頻損傷加工過程。

圖5 頻率響應曲線

最后，通過對3個傳感器的頻率相關性進行計算可知，壓電隔膜與壓電隔膜傳感器之間的頻率相關性最高，這是由于這兩個敏感探頭具有相同尺寸與形狀的敏感芯體。3個敏感探頭之間的頻率相關性大多都在0.55以上，最高點相關性皆可達到0.8以上，這表明3個敏感探頭對信號的響應具有很高的相似性。

總體而言，低成本壓電隔膜傳感器可以在低頻段內提供更好的頻率響應，和傳統商用AE傳感器對比，處于低頻段下其響應更好，因壓電隔膜傳感器處于低頻段下可能包含更有價值的信息，可以用其對監測過程中低頻段信號信息進行補充。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構的耐用性與可重復性，對其進行封裝是有必要的。壓電隔膜傳感器與商用AE傳感器的相關性結果非常相似，這說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行損傷源監測是有望的。

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

審核編輯 ：李倩