聲發(fā)射波的探測

聲發(fā)射源（缺陷）在外力誘導(dǎo)下發(fā)出一種應(yīng)力脈沖波即聲發(fā)射信號。這種應(yīng)力脈沖波即聲發(fā)射信號是機(jī)械振動(dòng)波在聲發(fā)射源所在材料中傳播。所謂聲發(fā)射檢測就是檢測接收上述聲發(fā)射信號并進(jìn)行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的信息。由于聲發(fā)射信號的每個(gè)脈沖都包含著一個(gè)頻率譜，這個(gè)頻率譜所包括的頻率范圍可以從幾赫茲到幾十個(gè)兆赫茲，因此，在進(jìn)行某項(xiàng)具體的檢測工作時(shí)，首先應(yīng)該知道所要檢測的缺陷在外力作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射的大致頻率范圍，然后再從這個(gè)總范圍內(nèi)選擇一個(gè)最適合的頻率窗口，以便濾去噪聲的干擾。一般的機(jī)械噪聲和電氣噪聲的頻率都比較低，因此在聲發(fā)射檢測中首先要確定頻率窗口的下限。在頻率窗口確定后，就能依此為根據(jù)來選定傳感器和帶通濾波器。
3.1 探測處理轉(zhuǎn)換過程——壓電效應(yīng)等
固體介質(zhì)中傳播的聲發(fā)射信號含有聲發(fā)射源的特征信息，要利用這些信息反映材料特性或缺陷發(fā)展?fàn)顟B(tài)，就要在固體表面接收這種聲發(fā)射信號。聲發(fā)射信號是瞬變隨機(jī)波信號，垂直位移極小約為10-7~10-14米，頻率分布在次聲到超聲頻率范圍（幾赫茲到幾十兆赫茲）。這就要求聲發(fā)射檢測儀器具有高響應(yīng)速度、高靈敏度、高增益、寬動(dòng)態(tài)范圍、強(qiáng)阻塞恢復(fù)能力和頻率檢測窗口可以選擇等性能。在實(shí)際的聲發(fā)射檢測過程中，檢測到的信號往往是經(jīng)過多次反射和波形變換的復(fù)雜信號。聲發(fā)射信號由傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，傳感器根據(jù)特定的校準(zhǔn)方法，給出頻率—靈敏度曲線，據(jù)此可根據(jù)檢測目的和環(huán)境選擇不同類型、不同頻率和靈敏度的傳感器。
傳感器是利用某些物質(zhì)（如半導(dǎo)體、陶瓷、壓電晶體、強(qiáng)磁性體和超導(dǎo)體等）的物理特性隨著外界待測量作用而發(fā)生變化的原理制成的。它利用了諸多的效應(yīng)（包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)）和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等效應(yīng)，把應(yīng)變、濕度、溫度、位移、磁場、煤氣等被測量變換成電量。而新原理、新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和利用，新型物性材料的開發(fā)和應(yīng)用，使物性型傳感器得到很大的發(fā)展。因此了解傳感器所基于的各種效應(yīng)，對其理解、開發(fā)和應(yīng)用都是非常必要的。在聲發(fā)射檢測過程中，通常使用的是壓電效應(yīng)。
壓電效應(yīng)是可逆的，它是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的總稱。習(xí)慣上把正壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。
當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)異號電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就被稱為正壓電效應(yīng)。電介質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷與外力的大小成正比，比例系數(shù)為壓電常數(shù)，它與機(jī)械形變方向有關(guān)，對一定材料一定方向則為常量。電介質(zhì)受力產(chǎn)生電荷的極性取決于變形的形式（壓縮或伸長）。
具有明顯壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常用的有石英晶體、鈮酸鋰LiNbO3、鎵酸鋰LiGaO3、鍺酸鉍Bi12GeO20等單晶和經(jīng)極化處理后的多晶體如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷PZT。新型壓電材料有高分子壓電薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和壓電半導(dǎo)體（如ZnO、CdS）。單晶材料的壓電效應(yīng)是由于這些單晶受外應(yīng)力時(shí)其內(nèi)部經(jīng)格結(jié)構(gòu)變形，使原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)被破壞而產(chǎn)生電極化。經(jīng)極化（一定溫度下加以強(qiáng)電場）處理后的壓電陶瓷、高分子壓電薄膜的壓電性是電疇、電極偶子取向極化的結(jié)果。
利用正壓電效應(yīng)制成的壓電式傳感器，將壓力、振動(dòng)、加速度等非電量轉(zhuǎn)換成電量，從而進(jìn)行精密測量。
當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，某些電介質(zhì)在一定的方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)可制成超聲波發(fā)生器、壓電揚(yáng)聲器、頻率高度穩(wěn)定的晶體振蕩器（如每晝夜誤差<2×10-5s的石英鐘、表）等。逆壓電效應(yīng)可用于聲發(fā)射信號產(chǎn)生。
由于壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，加上它體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，因此，壓電式傳感器的應(yīng)用獲得迅速的發(fā)展。利用正壓電效應(yīng)研制的壓電電源、煤氣爐和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火裝置等多種電壓發(fā)生器；在測試技術(shù)中，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換成力的那些物理量，例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等，因此在聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和宇航等廣闊領(lǐng)域中都可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。更有重要意義的是：根據(jù)生物壓電學(xué)的結(jié)果認(rèn)識(shí)到生物都具有壓電性，人的各種感覺器官實(shí)際上是生物壓電傳感器。如根據(jù)正壓電效應(yīng)治療骨折，可以加速痊愈；用逆壓電效應(yīng)，對骨頭通電具有矯正畸形骨等功能。
壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有250℃左右。
3.2 傳感器
當(dāng)前，由于電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使電學(xué)量最具有便于處理、便于測量等特點(diǎn)，因此傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成，輸出電學(xué)量。這些元件的功能是：
敏感元件：直接感受被測量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量（包括電學(xué)量）。
轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應(yīng)變、應(yīng)力、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（包括電路參數(shù)量、電壓、電流等）。
轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)（如電阻、電感、電容等）量轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，例如電壓、電流、頻率等。
有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受被測溫差時(shí)直接輸出電動(dòng)勢。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需轉(zhuǎn)換電路，例如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件還不只一個(gè)，要經(jīng)若干次轉(zhuǎn)換才輸出電量。
目前，由于空間的限制或者技術(shù)等原因，轉(zhuǎn)換電路一般不和敏感元件、轉(zhuǎn)換元件裝在一個(gè)殼體內(nèi)，而是裝在電箱內(nèi)。但不少傳感器需通過轉(zhuǎn)換電路才輸出便于測量的電量，而轉(zhuǎn)換電路的類型又與不同工作原理的傳感器有關(guān)。因此，把轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。
傳感器的種類繁多，應(yīng)用極廣。但為了滿足各種參數(shù)的檢測，除了需要研制新型敏感元件，增加元件品種以及改善其性能外，還需用正確的構(gòu)成傳感器的方法，即用敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的不同組合方法，去達(dá)到檢測各種參數(shù)的目的。本節(jié)主要介紹壓電原理的聲發(fā)射傳感器。
3.2.1 結(jié)構(gòu)
聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護(hù)膜、壓電元件、阻尼塊、連接導(dǎo)線及高頻插座組成。壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。根據(jù)不同的檢測目的和環(huán)境采用不同結(jié)構(gòu)和性能的傳感器。其中，諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種。單端諧振式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，如圖3.1所示。將壓電元件的負(fù)電極面用導(dǎo)電膠粘貼在底座上；另一面焊出一根很細(xì)的引線與高頻插座的芯線連接，外殼接地。