聲發(fā)射傳感器 原理：聲發(fā)射傳感器工作原理_聲發(fā)射傳感器選型
聲發(fā)射傳感器工作原理
先說一下壓電陶瓷，壓電陶瓷在受力產(chǎn)生變形時(shí)，其表面出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。
常用聲發(fā)射傳感器的工作原理，就是基于晶體元件的壓電效應(yīng)。應(yīng)力波的傳播實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（橫波、縱波、表面波等）。質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)傳遞到傳感器的接觸面的時(shí)候，帶動(dòng)壓電陶瓷上的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)壓電陶瓷產(chǎn)生壓縮和拉伸的效果。進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送入信號(hào)處理器，完成應(yīng)力波到電信號(hào)波的轉(zhuǎn)變過程。
整體的圖如下
聲發(fā)射傳感器主要有4種，分別是諧振式傳感器、寬帶傳感器、差動(dòng)（差分）型傳感器和內(nèi)置前放傳感器。
差分型聲發(fā)射傳感器，可以有效抑制共模信號(hào)的干擾，在電力行業(yè)檢測(cè)局放的應(yīng)用中比較合適。
內(nèi)置前放聲發(fā)射傳感器，傳感器輸出信號(hào)較大，可以有效抑制干擾，提高信號(hào)傳輸距離，不需要另配前置放大器，簡(jiǎn)化聲發(fā)射系統(tǒng)。缺點(diǎn)是傳感器比較大、放大器和壓電陶瓷壞了整個(gè)就壞了。
傳感器輸出是模擬電壓信號(hào)，且（非內(nèi)置前放傳感器）一般情況下比較微弱。通常為mV級(jí)電別，使用時(shí)可以先用示波器測(cè)試一下信號(hào)的強(qiáng)弱，再?zèng)Q定要不要加放大器以及放大器的倍數(shù)。
聲發(fā)射傳感器選型
聲發(fā)射傳感器因應(yīng)用不同有很多種類型。選擇一個(gè)適合聲發(fā)射應(yīng)用的傳感器對(duì)于測(cè)量成功和可靠是至關(guān)重要的。在大多數(shù)情況下，傳感器選型的主要標(biāo)準(zhǔn)傳感器的頻率響應(yīng)適合檢測(cè)應(yīng)用。在一些特殊應(yīng)用環(huán)境（高溫、油浸、水浸、電磁等環(huán)境）可能會(huì)造成對(duì)AE傳感器的選擇更苛刻的限定。
在此，將為各類聲發(fā)射應(yīng)用提供選擇傳感器的方法，并且還提供一個(gè)實(shí)用解決方案針對(duì)陌生的全新領(lǐng)域聲發(fā)射應(yīng)用。
1.環(huán)境條件
大部分AE傳感器應(yīng)用在常規(guī)的環(huán)境中，然而，在高溫設(shè)備表面有些應(yīng)用需要特殊的AE傳感器，使用通用型傳感器可能導(dǎo)致傳感器損壞或者聲發(fā)射信號(hào)變形。在高溫環(huán)境下，選擇工作溫度在要求范圍內(nèi)的傳感器。一些應(yīng)用要求傳感器安裝在水、油浸沒的環(huán)境，應(yīng)選擇防護(hù)等級(jí)與之相適用的傳感器。在高電磁干擾的環(huán)境，選用常規(guī)AE傳感器信號(hào)變形，需要選擇抗電磁干擾性能強(qiáng)的傳感器與之配套。環(huán)境條件因素，是選擇傳感器頻率響應(yīng)之前就要考慮到的。
2.頻率范圍以及選擇
通常將聲發(fā)射傳感器頻率范圍分為超低頻（5kHz~20kHz）、低頻（20kHz~100kHz）、中頻（100kHz~400kHz）、高頻（》400kHz）四個(gè)類別。理由是隨著單位距離衰減頻率增加也隨之，在很多應(yīng)用當(dāng)中400kHz以上頻率對(duì)于測(cè)量是沒有意義的。還有就是依據(jù)絕大多數(shù)的聲發(fā)射應(yīng)用，將傳感器
用此方法進(jìn)行快速度分類是非常有用的。
在非常寬廣的頻率范圍有響應(yīng)的AE傳感器被稱為寬帶傳感器。寬帶AE傳感器具有平坦響應(yīng)曲線。它通常用于研究，對(duì)關(guān)注的未知頻率分析、采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。
2.1內(nèi)置放大器與外置放大器
AE傳感器分為內(nèi)置放大器和無內(nèi)置放大器，帶內(nèi)置放大器的AE傳感器也稱為有源傳感器，沒有內(nèi)置放大器被稱為無源傳感器。AE傳感器如果內(nèi)部集成前置放大器較之同類型普通傳感器更高、更重。
有源AE傳感器更適合于要求快速組裝測(cè)量的領(lǐng)域。要求測(cè)量裝置能快速被連接器連接起來使用，必須要減少連接頭的數(shù)量。
3.聲發(fā)射傳感器具體分類
首先，根據(jù)以實(shí)用應(yīng)用為前提，將傳感器分為通用型、差分型、寬帶型、低頻型、高溫型、防水型、內(nèi)置放大器型、空氣耦合型等。
3.1 通用型即普通型聲發(fā)射傳感器，常用的頻率30kHz、60kHz、150kHz、300kHz、500kHz、800kHz的產(chǎn)品參數(shù)如下表格。
普通型傳感器一般應(yīng)用于常溫、常壓的環(huán)境，但要求具備一定的抗電磁干擾能力。同時(shí)，每個(gè)出廠產(chǎn)品都要求配備頻率-響應(yīng)曲線圖，即靈敏度響應(yīng)曲線。通過 靈敏度響應(yīng)曲線可以了解到傳感器的工作頻率范圍，以及在使用多個(gè)傳感器時(shí)，傳感器之間的一致性能是否合格。
3.2小型聲發(fā)射傳感器，相對(duì)通用型傳感器尺寸更小，適合相對(duì)狹窄的安裝空間。常用的頻率如60kHZ、150kHZ、300kHZ、500kHZ。
3.3微型傳感器，相對(duì)小型傳感器更加小的外觀尺寸，安裝空間更加狹窄。一般諧振頻率為300kHz。一般來說小型傳感器因體積小，較之通用型靈敏度要小很多，請(qǐng)參考靈敏度曲線圖，并且與通用型150kHz的傳感器進(jìn)行對(duì)比。
3.4超低頻AE傳感器一般諧振頻率低于30kHz，它被應(yīng)用于巖體監(jiān)測(cè)，例如諧振頻率20kHz、10kHz的產(chǎn)品居多。
3.5高溫型聲發(fā)射傳感器，一般應(yīng)用于高溫機(jī)械設(shè)備進(jìn)行聲發(fā)射表面波的檢測(cè)，要求在高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定。
3.6差分型聲發(fā)傳感器，它最特殊的性能是能夠有效的抵抗電磁干擾，與一般傳感器所不同的是輸出接口為差分型。
3.7防水絕緣型聲發(fā)射傳感器，應(yīng)用在水、油浸沒的環(huán)境中，傳感器可以完全放置在水或油中，達(dá)到檢測(cè)的目的。
3.8 中型聲發(fā)射傳感器，相對(duì)通用型傳感器要小，更適合于狹小區(qū)域內(nèi)安裝使用。
聲發(fā)射傳感器 原理：聲發(fā)射傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
聲發(fā)射傳感器主要有諧振式、寬帶型、內(nèi)置前放型和差動(dòng)型幾種結(jié)構(gòu)體。
下文詳細(xì)介紹了幾種傳感器的結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)的作用。
1.諧振式聲發(fā)射傳感器一般由殼體、耦合面、壓電元件、連接導(dǎo)線及接線端子組成；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；壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛陶瓷晶片，起到聲電轉(zhuǎn)換作用；耦合面起到絕緣和保護(hù)壓電陶瓷的作用；金屬外殼對(duì)電磁干擾起屏蔽作用。
2.寬帶型聲發(fā)射傳感器除了諧振式傳感器的部分之外，還加入阻尼材料抑制部分諧振。
3.內(nèi)置前放型聲發(fā)射傳感器在諧振式傳感器的基礎(chǔ)上，加了一個(gè)預(yù)放大器，
通過前置放大器和預(yù)放大器組合可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和低噪音。
4.差分型聲發(fā)射傳感器有兩壓對(duì)稱的壓電元件組成，后接差分放大器，用于消除共模信號(hào)。
5.以上的聲發(fā)射傳感器都是接觸型的傳感器。
之外，還有一類是空氣耦合的聲發(fā)射傳感器。結(jié)構(gòu)有些差異。
友情提示：內(nèi)部壓電陶瓷諧振頻率不等于傳感器諧振頻率！
聲發(fā)射傳感器 原理：聲發(fā)射傳感器的原理
聲發(fā)射傳感器的原理、分類、結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)
記得前段時(shí)間有人問聲發(fā)射傳感器相關(guān)的問題的
,
現(xiàn)貼這篇文章，涵蓋
了聲發(fā)射傳感器的原理、分類、結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)方法，希望能解答其疑惑
.
聲發(fā)射傳感器的作用是接收材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲發(fā)射信號(hào)。壓力容器、
儲(chǔ)罐、熱交換器、管道、反應(yīng)器、航空推進(jìn)器、核電站的設(shè)備等許多類
型的結(jié)構(gòu)都可以用聲發(fā)射進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在所有的應(yīng)用中，聲發(fā)射傳感器是
連接結(jié)構(gòu)與聲發(fā)射儀之間的橋梁，所以，聲發(fā)射傳感器的性能對(duì)測(cè)試是
非常重要的。下面就聲發(fā)射傳感器的原理、分類、結(jié)構(gòu)以及校準(zhǔn)等方面
進(jìn)行綜述，希望對(duì)大家認(rèn)識(shí)了解和選擇聲發(fā)射傳感器有一定的幫助。
1
、聲發(fā)射傳感器的原理
傳感器將聲發(fā)源在被探測(cè)物體表面產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)
,
它
的輸出電壓
V(t,x)
是表面位移波
U(x,t)
和它的響應(yīng)函數(shù)
T(t)
的卷積
:
T(t) V(t,x)=U(t,x)
理想的傳感器應(yīng)該能同時(shí)測(cè)量樣品表面位移
(
或速度
)
的縱向和橫向分量
,
在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)
(0
～
100MHz
或更大
)
能將機(jī)械振動(dòng)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?br/>號(hào)
,
并具有足夠的靈敏度以探測(cè)很小的位移
(
通常要求
≤10-14m)
。
目前人們還無法制造上述這種理想的傳感器，現(xiàn)在應(yīng)用的傳感器大部分
由壓電元件組成，壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶
體和鈮酸鋰、碘酸鋰等單晶體，其中，鋯鈦酸鉛（
PZT
－
5
）接收靈敏
度高，是聲發(fā)射傳感器常用壓電材料。鈮酸鋰晶體居里點(diǎn)高達(dá)
1200
℃，
常用作高溫傳感器。
傳感器的特性包括：頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度，這些特性受許
多因素的影響，包括：①晶片的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數(shù)；②晶
片的阻尼塊及殼體中安裝方式；③傳感器的耦合、安裝及試件的聲學(xué)特
性。
壓電晶片的諧振頻率（
f
）與其厚度（
t
）的乘積為常數(shù)，約等于
0.5
倍波
速（
V
），即
f?t
＝
0.5V
，可見，晶片的諧振頻率與其厚度成反比。
2
、聲發(fā)射傳感器的分類
人們根據(jù)不同的檢測(cè)目的和環(huán)境制造了不同性能和不同結(jié)構(gòu)的傳感器。
(1)
高靈敏度諧振式傳感器
:
諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)中
使用最普遍的一種
,
這種傳感器具有很高的靈敏度
,
可探測(cè)的最小位移可
達(dá)到
10-14m,
但它們的響應(yīng)頻率范圍很窄
,
且共振頻率一般都位于
50
至
1000KHz
之間。
聲發(fā)射傳感器 原理：聲發(fā)射傳感器的工作原理是什么，兩線制的聲發(fā)射傳感器怎樣連接進(jìn)入單片機(jī)？
聲發(fā)射傳感器出來的是模擬信號(hào)，先做A/D轉(zhuǎn)換。聲發(fā)射采集12-18位AD精度都有用到。
先看一下聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)，有個(gè)直觀的概念。聲發(fā)射傳感器主要有4種，分別是諧振式傳感器、寬帶傳感器、差動(dòng)（差分）型傳感器和內(nèi)置前放傳感器。
可以看出聲發(fā)射傳感器的主要元件就是壓電陶瓷。壓電陶瓷在受力產(chǎn)生變形時(shí)，其表面出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。
常用聲發(fā)射傳感器的工作原理，就是基于晶體元件的壓電效應(yīng)，將被傳輸?shù)絺鞲衅鞅砻娴膽?yīng)力波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送入信號(hào)處理器，完成信號(hào)處理過程。
兩線制的聲發(fā)射傳感器，其中紅線是信號(hào)線，黑線是接地線，接地線和傳感器外殼和壓電陶瓷的一端相連。
傳感器輸出時(shí)是模擬電壓信號(hào)，且一般情況下比較微弱。我記得有的單片機(jī)是帶內(nèi)置ADC模塊的，可以直接把傳感器接到模擬接口。如果單片機(jī)沒有ADC模塊，就需要外置一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。
注意一點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)弱匹配，可以先用示波器測(cè)試一下信號(hào)的強(qiáng)弱，再?zèng)Q定要不要加放大器以及放大器的倍數(shù)。
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