互易法校準壓電型聲發(fā)射傳感器的研究與實現(xiàn)

何龍標， 張瑞紋， 祝海江， 楊 平

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013； 2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

互易法校準壓電型聲發(fā)射傳感器的研究與實現(xiàn)

何龍標1， 張瑞紋2， 祝海江2， 楊 平1

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013； 2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

聲發(fā)射傳感器的校準是實現(xiàn)聲發(fā)射定量技術(shù)的前提，依據(jù)電聲換能器互易原理，在計算互易常數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了適用于壓電型聲發(fā)射傳感器表面波和縱波互易的校準系統(tǒng)。通過設(shè)置特定的激勵信號波形，依據(jù)接收電壓信號與激勵電流信號之間的時間延遲，準確獲取電流信號與電壓信號對應(yīng)的特征值，實現(xiàn)了聲發(fā)射傳感器的表面波和縱波互易校準。由于傳感器的尺寸效應(yīng)，傳感器在高頻時的表面波速度靈敏度低于縱波靈敏度，不確定度評定結(jié)果表明，聲發(fā)射傳感器速度靈敏度的互易法校準不確定度為1.2 dB。

計量學(xué)；聲發(fā)射傳感器；互易法；校準；不確定度

1 引 言

材料中局部區(qū)域快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射檢測在壓力容器、飛行器等大型結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)監(jiān)測中具有廣泛應(yīng)用。壓電型聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射檢測中的重要部件，其靈敏度的準確校準是實現(xiàn)聲發(fā)射定量技術(shù)的前提［1］。目前，聲發(fā)射傳感器有兩類原級校準方法，一是從傳感器靈敏度的定義出發(fā)，通過鉛芯、毛細玻璃管斷裂、鋼球下落或激勵換能器等方法產(chǎn)生機械力源，利用光學(xué)或電容傳感器直接測量介質(zhì)表面的法向位移或速度，通過電壓與位移或速度的比值得到靈敏度［2，3］；二是利用換能器的電聲互易原理，基于電信號的測量實現(xiàn)傳感器的校準，稱為互易校準法［4，5］。前者需要直接測量傳播介質(zhì)表面的位移或速度，通常條件下聲發(fā)射的介質(zhì)表面位移為pm量級，而ISO標準［6］推薦使用的參考電容換能器，制作困難，且長期使用容易在電容與試塊表面產(chǎn)生放電影響使用［7，8］，利用激光測振儀測量也存在成本較高的問題。互易法校準則可以繞開表面位移、速度等不易測量的機械運動量，通過傳感器的電聲互易特性，測量發(fā)送電流響應(yīng)、接收電壓響應(yīng)，計算其聲轉(zhuǎn)移阻抗，即互易常數(shù)，通過求解互易方程獲得其靈敏度。

作者利用互易法實現(xiàn)了聲發(fā)射傳感器的表面波和縱波速度靈敏度的校準，研究了互易法校準中激勵電流和接收電壓波形對應(yīng)特征值的提取，并對其校準不確定度進行評定，為建立我國聲發(fā)射傳感器標準裝置奠定基礎(chǔ)。

2 互易原理及校準裝置的建立

2.1 互易校準原理

互易原理在傳聲器和水聽器校準中具有廣泛應(yīng)用。電聲互易原理是指一個線性、無源、可逆的電聲換能器用作接收器時的聲場靈敏度M和用作發(fā)射器時的發(fā)送響應(yīng)S之比與換能器本身結(jié)構(gòu)無關(guān)的原理。M／S或S／M稱為互易常數(shù)，該常數(shù)僅與聲場性質(zhì)有關(guān)，而與換能器結(jié)構(gòu)無關(guān)。

對于以壓電材料為換能元件的聲發(fā)射傳感器，因為壓電材料的正向和逆向壓電效應(yīng)，使聲發(fā)射傳感器既可作接收器將機械能輸入轉(zhuǎn)換為電能輸出，也可作發(fā)射器實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)化。根據(jù)互易原理，當聲發(fā)射傳感器用作接收器時的聲場電壓靈敏度M0和用作發(fā)射器時的發(fā)送電流響應(yīng)SI之比僅由聲場性質(zhì)決定，與傳感器結(jié)構(gòu)無關(guān)；同樣，用作接收器時的聲場電流靈敏度MI與用作發(fā)射時的發(fā)送電壓響應(yīng)S0之比也僅由聲場性質(zhì)決定，與傳感器結(jié)構(gòu)無關(guān)。在聲發(fā)射技術(shù)中，聲傳感器校準是在表面波（瑞利波）和縱波聲場中進行。

聲發(fā)射傳感器通常采用靈敏度級的形式表達，速度靈敏度級的參考值為1 V／（m·s－1）。按照聲發(fā)射彈性波的傳播模式，通常分為表面波和縱波?；ヒ仔手行枰褂?個聲發(fā)射傳感器，如編號為1、2、3。每次使用兩個傳感器，一個受電信號激勵成為發(fā)射換能器，另一個作為接收傳感器。發(fā)射傳感器和接收傳感器的順序為1發(fā)2收、1發(fā)3收、2發(fā)3收。記錄發(fā)射的電流響應(yīng)和接收器的電壓響應(yīng)。

當傳感器作為接收換能器時，其接收電流靈敏度MSR定義為：

式中，I0R是接收傳感器的短路輸出電流，w0R是在不存在接收傳感器條件下表面波在接收傳感器所處平面位置的法向位移，wR是存在接收傳感器條件下表面波在接收傳感器所處平面位置的法向位移，ZtR是接收傳感器的機械阻抗，ZrR是表面波的輻射阻抗。當傳感器作為發(fā)送換能器時，作用到傳播介質(zhì)的驅(qū)動力FR為：

式中，F(xiàn)0R是當發(fā)送傳感器壓緊耦合在試塊表面上時發(fā)送傳感器所受到的驅(qū)動力，ESR是正弦輸入電壓的幅值，f是正弦輸入電壓的頻率。

在試塊表面上，距離聲源DR處的表面波法向位移速度wDR為：

進一步可得到各個傳感器的計算公式，以傳感器1為例：

傳感器2和傳感器3的幅度靈敏度和相位靈敏度公式以此類推。

在縱波聲場中，縱波聲場互易常數(shù)為：

2.2 互易校準裝置的建立

表面波互易校準的實驗裝置示意圖見圖1，校準裝置系統(tǒng)包括：ARB信號源Agilent 33220A，功率放大器，電流傳感器采用TCP0030，帶寬為120 MHz、量程為5 A，測量準確度為1 mA，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是DPO7054示波器，前置放大器為20dB／40dB／60dB增益可選?？v波互易校準示意圖見圖2。

圖1 表面波互易校準示意圖

圖2 縱波互易校準示意圖

圖3 互易校準系統(tǒng)實物圖

互易校準系統(tǒng)實物圖如圖3所示。其中，表面波傳播試塊直徑為800 mm，高度為400 mm，材料為鍛鋼，上表面RMS粗糙度≤1μm。在鋼介質(zhì)中，聲波的縱波傳播速度為5 940 m／s，橫波傳播速度為3 250 m／s，表面波波速為3 010 m／s。為模擬半無限介質(zhì)聲場，鋼塊的尺寸應(yīng)足夠大，以確保反射波不會對直達波造成干擾。

傳感器相對距離為100 mm時，其直達波和反射波示意圖如圖4所示。傳感器2接收到R0的時間約為33μs，接收到R1的時間約為233μs，接收到L1的時間約為135μs。而信號的最大長度發(fā)生在聲源頻率100 kHz時，信號時長約10μs。因此，接收R0信號共需要43μs，小于第一個反射波L1到達的時間135μs，能夠?qū)⒅边_波和反射波區(qū)分?？v波互易校準試塊尺寸為250 mm×250 mm×300 mm，兩端面進行拋光處理，分別有彈簧加載裝置加載互易校準傳感器。發(fā)射傳感器與接收傳感器分別處于介質(zhì)兩側(cè)平面的中心位置，兩者同軸放置以確保直達波到達時間最短?？梢暂o助時間選擇窗處理進行接收電壓波形特征值的獲取。

圖4 直達波、反射波傳播示意圖

待測傳感器選用PAC的3支R15傳感器，其壓力場條件下的諧振頻率約150 kHz。去除傳感器表面的附著物，將傳感器1作為發(fā)射換能器，傳感器2作為接收傳感器，放置在試塊中間區(qū)域，兩者中心距離約100 mm。使用油脂類耦合劑進行耦合，對傳感器施加不小于9.8 N的壓緊力；激勵波形為指數(shù)上升和指數(shù)下降形狀的包含若干正弦波形的猝發(fā)音（Burst）信號，Burst信號內(nèi)正弦波頻率為激勵信號的頻率，包括至少5個周期的波形，聲發(fā)射傳感器通常從100 kHz開始校準。由于壓電型聲發(fā)射換能器通常為幾十pF級的電容負載，其等效阻抗較大，信號源直接激勵時激勵電流過小難以測量，可采用功率放大器增大激勵電壓。

利用高頻電流探頭測量發(fā)射傳感器的激勵電流，接收傳感器的輸出電壓采用數(shù)字示波器進行采集，分別記錄該頻率下對應(yīng)的電流和電壓特征值。發(fā)射傳感器受到電信號激勵，通常取激勵波形的最大幅值作為電流特征值；接收傳感器接收到的直達波，其形狀與激勵信號類似，提取直達波信號的最大值作為電壓特征值。調(diào)節(jié)頻率，頻率間隔為10 kHz，直至完成整個頻率范圍的激勵和接收信號測量。將傳感器組合更換為1發(fā)射－3接收，2發(fā)射－3接收，依次重復(fù)上述步驟，即可得到覆蓋整個頻率范圍的E12、E13、E23和I12、I13、I23，利用式（6）確定傳感器1的靈敏度和頻率響應(yīng)。

縱波互易校準的示意圖如圖2所示，發(fā)射傳感器置于試塊一側(cè)的中心位置，接收傳感器置于試塊另一側(cè)與發(fā)射換能器同軸的位置。對發(fā)射換能器施加激勵電壓，記錄激勵電流和接收電壓，校準過程與表面波互易校準過程相同。

3 互易校準結(jié)果

互易校準中需要測量的關(guān)鍵物理量是激勵電流和接收電壓特征值的大小。如圖5所示，因為設(shè)置的激勵波形為指數(shù)上升、指數(shù)下降的Burst信號，電流信號的最大值作為其特征值。在激勵頻率較低或者在傳感器諧振頻率附近時，接收電壓如圖5（a）所示，接收電壓波形的包絡(luò)特征與激勵波形一致，對應(yīng)的最大值所處時刻與100 mm的表面波時間延遲相對應(yīng)，最大值即為其特征值；頻率較高時，如諧振頻率的2倍、300 kHz時，接收電壓波形存在一定的波形疊加，如圖5（b）所示。波形的疊加源自兩部分，一是可能由于激勵換能器的激勵在自身背襯或者其他邊界產(chǎn)生振蕩后傳遞給接收傳感器，二是接收換能器背襯或者邊界的反射，上述波形疊加后，電壓波形的指數(shù)上升和下降的包絡(luò)特性難以區(qū)分。但可以采取34μs時間延遲條件下對應(yīng)的電壓峰值獲得相應(yīng)的接收電壓波形特征值，如圖5（b）中的電壓波形，若直接取整個時域波形的最大值，則可能造成50%的偏差。

圖5 激勵電流與接收電壓特征值的提取

R15傳感器的縱波速度靈敏度和表面波速度靈敏度結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳感器的速度靈敏度校準結(jié)果

兩支傳感器的頻率頻響曲線特征一致，顯示了同一型號傳感器的一致性。對照同一傳感器的縱波頻率響應(yīng)和表面波頻率響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)，在頻率較低時，傳感器對縱波和表面波的速度靈敏度趨于一致，而頻率越高，其靈敏度差異越大，縱波靈敏度明顯高于表面波。這是由于聲發(fā)射傳感器自身存在一定尺寸，不能等效為質(zhì)點考慮，如R15傳感器，直徑約10 mm，尺寸效應(yīng)對聲場存在一定干擾。如表聲波波速按照3 000 m／s計算，100 kHz時，波長為30 mm；300 kHz時，波長為10 mm。即300 kHz時，聲波波長已經(jīng)與傳感器尺寸相當，所以表面波校準時傳感器大小引入的尺寸效應(yīng)不容忽略。而縱波校準中，縱波的傳遞過程不涉及傳感器對聲波的衍射作用。因此，針對同一傳感器，頻率較高時，其縱波速度靈敏度要高于表面波靈敏度。

4 不確定度評定

4.1 數(shù)學(xué)模型

傳感器1的靈敏度級可以表示為：

式中，靈敏系數(shù)：c1＝0.5，c2＝0.5，c3＝－0.5。

4.2 A類不確定度分量

不確定度的A類評定由統(tǒng)計方法獲得。在100～500 kHz頻段對某只R15傳感器進行了6次獨立校準，其中不確定度的A類評定取實驗標準偏差的最大值0.56 dB，因此測量重復(fù)性引入的不確定度分量取為：uA＝0.56 dB。

4.3 B類不確定度的評定

（1）接收電壓測量引入的分量：E12，E13，E23為同一臺數(shù)字示波器測量所得，可視為正相關(guān)，且對于同型號的傳感器，3者數(shù)值幾乎相等，因此，u（L（E12）＋L（E13）－L（E23））＝u（L（E12））。8位數(shù)字示波器，電壓測量不確定度優(yōu)于1.4%，因此，接收電壓測量引入的不確定度分量為0.12 dB。

（2）激勵電流引入的分量：I23，I13，I12為同一只電流探頭測量的電流值，可視為正相關(guān)，且對于同型號的傳感器，3者數(shù)值相當，因此，u（L（I23）－L（I13）－L（I12））＝u（L（I12）），TCP0030的測量不確定度優(yōu)于1.5%，因此激勵電流引入的分量為0.13 dB。

表1 相關(guān)物理常量的參考值與不確定度

4.4 合成標準不確定度

對聲發(fā)射傳感器的靈敏度級，其不確定度來源及合成標準不確定度如表2所示。

因此，合成不確定度為

表2 測量不確定度來源匯總表

4.5 擴展測量不確定度

取包含因子k＝2，其擴展測量不確定度：U＝kuc＝2×0.58＝1.16 dB，取U＝1.2 dB（k＝2）。

5 結(jié) 論

互易法適用于壓電型聲發(fā)射換能器的校準。互易法校準繞開介質(zhì)表面位移、速度等不易測量的機械量，通過傳感器的電聲互易特性，測量發(fā)送電流響應(yīng)、接收電壓響應(yīng)，計算其互易常數(shù)，進而獲得傳感器的速度靈敏度。文中建立的表面波和縱波互易校準裝置，能夠獲得1.2 dB（k＝2）的不確定度。激勵電流和接收電壓波形的對應(yīng)特征值獲取是互易校準的關(guān)鍵，在接收電壓波形包絡(luò)特征不明顯的情形下，可以通過時間延遲屬性確定電壓波形的特征值。由于傳感器的尺寸效應(yīng)的存在，縱波速度靈敏度要高于表面波速度靈敏度，頻率越高，差值越大。

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Realization of Piezoelectric Acoustic Em ission Sensor Calibration by Reciprocity Method

HE Long-bao1， ZHANG Rui-wen2， ZHU Hai-jiang2， YANG Ping1
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China；
2.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

The calibration of acoustic em ission（AE）sensors is the premise of achieving acoustic emission quantitative testing technology.In view of electro－acoustic transducer reciprocity principle，the reciprocal constant is calculated to establish a calibration system thatapplies to the reciprocity ofpiezoelectric AE sensor Rayleigh wave and longitudinalwave. With specific excitation signal waveform，in accordance with the time delay between the

voltage signal and the excitation current signal，the characteristic values of both signals could be captured accurately.Because of the aperture effect of the sensor，the velocity sensitivity of surface waves is lower than that of longitudinal waves while the sensor operates in high frequency.The uncertainty of reciprocity calibration on the velocity sensitivity of acoustic emission sensors is about 1.2 dB.

Metrology；Acoustic emission；Reciprocity method；Calibration；Uncertainty

TB95

A

1000-1158（2014）05-0479-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．15

2013-02-01；

2013-07-23

國家自然科學(xué)基金（51205378）

何龍標（1981－），男，江蘇鹽城人，中國計量科學(xué)研究院副研究員，博士，主要從事聲學(xué)計量研究。helb＠nim.ac.cn