張麗梅，馮玉志，石 帥，郭 濤

(1.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

聲發(fā)射(AE)技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和無損檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應用[1].疲勞裂紋的聲發(fā)射一直是研究人員感興趣的問題.作為AE探測的關(guān)鍵部件，AE傳感器可以幫助研究人員對AE源物理特性的認識更加全面.

目前，有多種AE傳感器用于AE信號的檢測，如光纖布拉格光柵(FBG)AE傳感器，其具有高靈敏度和小尺寸的優(yōu)點，但是，光電檢測器的光學噪聲會導致光纖傳感器無法得到低振幅的AE信號[2]；耦合壓電薄膜應變傳感器可以檢測表面波占主導地位的厚試件上的缺口聲發(fā)射[3]；單片壓電陶瓷片也可用于測量聲發(fā)射，但是壓電陶瓷AE傳感器對彎曲波運動(垂直表面運動)最敏感，適合用于大沖擊、大擾動、玻璃破裂等引起的具有高振幅的發(fā)射現(xiàn)象[4].

壓電晶片有源傳感器(PWAS)是最近發(fā)展起來的一種主動進行無損監(jiān)測的方法，它具有體積小、重量輕、價格便宜和便于加工成型等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、損傷診斷和無損監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)化方面具有良好的發(fā)展前景.它可以安裝在結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部，甚至可以嵌入結(jié)構(gòu)層與非結(jié)構(gòu)之間.Yeasin等[5]將PWAS埋入結(jié)構(gòu)中，利用機電阻抗方法將基體結(jié)構(gòu)的機械阻抗與PWAS兩端所測得的電阻抗進行耦合，PWAS兩端所測得的E/M阻抗實數(shù)部分的波峰谷譜線反映了結(jié)構(gòu)的機械共振譜，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的損傷檢測；Joseph等[6]使用PWAS作為共振器，在電激勵下產(chǎn)生機械共振，利用PWAS和函數(shù)發(fā)生器的簡單組合構(gòu)建了非常精確的頻率標準，通過精細加工PWAS尺寸可得到準確的頻率值.國內(nèi)對PWAS的研究報道較少，使用PWAS進行監(jiān)測的方法還在研究和發(fā)展中，尤其在疲勞裂紋產(chǎn)生的AE信號中的適用性尚待分析.因此，本文使用PWAS對鋼試件產(chǎn)生的疲勞裂紋聲發(fā)射進行了初步的捕獲試驗，結(jié)果證明，PWAS成功捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射，與商用AE傳感器(S9225)相比，PWAS在高頻區(qū)域顯示出更好的信噪比.

1 傳感器選用和工作原理

1.1 PWAS傳感器

本文選用的PWAS為購買的國產(chǎn)壓電晶片，實物圖如圖1 所示，其直徑8 mm，厚度5 mm.研究表明，PWAS的厚度影響聲波的傳感，且5 mm厚的PWAS可以產(chǎn)生足夠的電壓信號來檢測聲應變波.

圖1 PWAS實物圖

PWAS的傳感機理如圖2 所示，它可以測量對稱(波運動主要在平面內(nèi))和反對稱(波運動主要在平面外)蘭姆波模式.PWAS的壓電本構(gòu)方程為

圖2 PWAS傳感機理

(1)

(2)

1.2 S9225商用AE傳感器

S9225傳感器的截面示意圖如圖3 所示.

圖3 S9225 AE傳感器截面示意圖

該傳感器在鋼制外殼內(nèi)有多個組件，包括墊板、PZT元件、電極和阻尼材料.PZT元件的頂部電極連接到輸出插座，底部電極接地到外殼.粘合劑用于將AE傳感器粘合到主體結(jié)構(gòu)[9-10].本文選用帶寬為20 kHz～700 kHz的S9225商用AE傳感器與PWAS傳感器進行對比.

2 AE疲勞試驗

對PWAS傳感器和商用AE傳感器S9225進行AE疲勞試驗，測量軸向循環(huán)疲勞載荷作用下疲勞裂紋擴展的AE信號.測試樣品選擇常被用來制作飛機易疲勞部件的Al-2024T3材料，樣品的尺寸為100 mm×100 mm×1 mm.

實驗裝置工作原理如圖4 所示.

圖4 試驗設備工作原理

在試件中心鉆一個直徑為1 mm的小孔，在循環(huán)疲勞載荷作用下產(chǎn)生一個約20 mm的預裂紋.第一組試驗將PWAS和S9225對稱地粘合在裂縫兩邊距疲勞裂紋10 mm處(疲勞裂紋位于樣品中心)；第二組試驗將PWAS和S9225位置調(diào)換，其余條件不變.樣品周圍使用吸波黏土邊界，以防止AE信號被來自板邊緣的反射波信號污染[11].兩個傳感器連接著相同的前置放大器，前置放大器內(nèi)置一個帶通濾波器(30 kHz～700 kHz)用于濾除機械干擾(如試驗機抓地力，吸波粘土邊界與試樣之間的摩擦等)中的噪聲.經(jīng)放大濾波后的信號供后端采集使用，AE檢測系統(tǒng)框圖如圖5 所示.

圖5 AE 檢測系統(tǒng)框圖

采用液壓MTS試驗機對試件進行疲勞加載，軸向拉伸循環(huán)疲勞載荷在最大載荷水平和最小載荷水平之間呈正弦變化，并且保持比率σmin/σmax為0.1.最大負載水平Fmax為12.3 kN，最小負載水平Fmin為1.23 kN.使用慢速加載速率(0.05 Hz)可避免加載頻率與AE信號頻率發(fā)生干擾.

3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

疲勞裂紋擴展過程中，PWAS和S9225采集到的AE命中信號如圖6 所示，從圖6(a)可以看出，PWAS有較低幅度的AE命中，其命中幅度基本恒定在70 dB，且在70 dB上下都有少量分布；同樣，S9225也捕獲到AE命中，如圖6(b)所示，其命中基本恒定在45 dB，且在 45 dB 上下也有少量分布.PWAS和S9225均捕獲到了550 s后發(fā)生的新AE命中事件，新的AE命中具有比以前的AE命中更高的幅度，并且幅度幾乎是恒定的，只有很小的變化.

圖6 PWAS和S9225傳感器捕獲信號圖

基于以上AE命中分析，PWAS和S9225都以非常相似的細節(jié)捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的AE信號.為了對波形做進一步分析，重點考慮了AE信號的最大幅度、時域模式和頻譜等參數(shù)，從而比較PWAS和S9225兩種傳感器的特性.每個AE命中都對應一個AE波形，而對時域波形做快速傅立葉變換(FFT)即可獲得該波形的頻譜.因此，對于AE波形的分析可能有助于更多地了解不同AE命中的演化.

下面對所圈部分信號(分別用A，B和C組來表示)分別進行基于AE波形的分析.

首先選擇A組信號密集的部分波形進行代表性分析比較，PWAS和S9225 捕獲的時域和頻域波形分別如圖7(a)和圖7(b)所示.可以看出，兩種傳感器均捕獲到40 kHz和100 kHz的信號，但是，PWAS傳感器還捕獲到約370 kHz的信號，峰值約0.3 dB，而該峰值在S9225捕獲信號中幾乎沒有.

圖7 第一組實驗A組信號時域和頻域圖

對B組信號密集部分波形進行分析比較，PWAS和S9225傳感器捕獲的時域和頻域波形分別如圖8(a)和圖8(b)所示，可以看出，PWAS和S9225 AE傳感器均可捕獲 150 kHz 以下的信號.但是，PWAS傳感器還捕獲了220 kHz和450 kHz 的信號，幅值達0.4 dB，而這兩個頻率點在S9225捕獲的頻譜中幅值小于 0.1 dB.

圖8 第一組實驗B組信號時域和頻域圖

圖9(a)和圖9(b)中分別顯示了對于C組信號，PWAS和S9225的時域和頻譜波形.兩種傳感器都具有30 kHz，60 kHz，100 kHz，220 kHz，450 kHz 的峰值，但同B組信號類似，S9225在220 kHz 和450 kHz峰值頻率下的響應幅值小于0.1 dB，而PWAS捕獲的220 kHz頻率幅值達0.45 dB，450 kHz頻率峰值為0.2 dB.

圖9 第一組實驗C組信號時域和頻域圖

將PWAS和S9225傳感器互換位置后，再進行同條件加載試驗，對裂紋擴展過程采集到的波形進行時頻域分析，得到的A，B，C組時頻域信號如圖10～圖12 所示.可見，A組信號中PWAS在210 kHz和400 kHz頻率附近峰值較S9225大，B組信號中220 kHz頻譜峰值較大，而C組信號中480 kHz頻譜峰值高于S9225，但在100 kHz～200 kHz 的頻譜中，S9225的信號峰值要高于PWAS.本次試驗中，S9225在低頻部分捕獲信號峰值更高，與第一組試驗結(jié)果不太一致，可能與安裝位置、粘接強度、環(huán)境噪聲等因素有關(guān).

圖10 第二組試驗A組信號時域和頻域圖

圖11 第二組試驗B組信號時域和頻域圖

圖12 第二組試驗C組信號時域和頻域圖

綜合以上分析，PWAS成功捕獲了疲勞裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射，通過對比兩種傳感器的信號，可見AE傳感器類型對捕獲的AE波形及其頻譜有重大影響.與S9225傳感器相比，PWAS在高頻區(qū)域顯示出更好的信噪比，但S9225波形頻譜噪聲要比PWAS波形的噪聲小，可根據(jù)具體應用選擇合適的傳感器.

4 結(jié) 語

PWAS傳感器具有諸多優(yōu)勢，如體積小、重量輕、價格便宜，并且可以根據(jù)不同的幾何形狀進行生產(chǎn)，可以大量地永久粘結(jié)在主體結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測，因此有著廣泛的應用.本文通過試驗證明了PWAS可用于疲勞裂紋的AE檢測，并且在高頻區(qū)域比商用S9225傳感器有更好的信噪比.

AE檢測技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康檢測和無損檢測的重要技術(shù)，對工程應用具有重要價值，未來可通過進一步分析PWAS的AE波形，找出與疲勞裂紋長度可能存在的相關(guān)性，這將是AE檢測技術(shù)的關(guān)鍵.