1 超声传感器分类
声发射传感器就是将其接收到的微弱的机械振动转化为电信号，把机械能转换为电能因此也称为超声换能器。理想的声发射传感器能够将接收的机械振动大小在宽频率范围内线性的转化为电压或者电流信号幅值，它输出的电信号幅值是其表面位移和它相应函数的卷积。按照实现超声换能器转换的物理效应的不同可以将换能器分为以下几类：
①磁致伸缩换能器，某些铁氧材料或者铁氧陶瓷置于磁场当中会产生应力或者受到应力作用而产生磁场的特性，实现声电能量转换，常用作大功率换能器件；
②压电式换能器，利用压电晶体的压电效应实现电声能量转换，其频率范围非常广；
④静电式电声换能器，即为通常的电容式电声换能器，利用薄膜受到的外在应力变化使得静电场发生改变，一般用于低强度的超声发射器；
⑤其它种类的换能器，包括包括利用其它物理效应如热，光等制成的换能器。
其中压电式换能器是理论研究和实际应用最为广泛的。目前受制于材料技术的限制，无法制造出理想的声发射传感器，市场上应用较多的声发射传感器主要有采用石英压电单晶体、压电高聚物、压电复合材料以及压电陶瓷作为换能器材料，其中又以压电陶瓷应用的最为广泛，包括以下优点：
(1)容易成形，可以方便的制作成各种形状的传感器满足不同的应用场合和需求；
(2)机电转换效率高，大部分能达到80％的转换效率；
(3)容易制成发射型，接收型等不同性能的超声换能器；
(4)成本低，易于广泛应用。
压电超声换能器主要由压电晶片(也称振子)、阻尼块及保护膜组成如图4．1所示。压电晶片多为圆片，它的厚度和超声频率成反比，压电晶片两面镀有银层作为电极，底面接地，上面接电路。阻尼块的作用时吸收晶片向后发射的声波同时降低晶片机械品质，可以减少盲区提高分辨率。保护膜粘贴在晶片的表面可以避免晶片直接接触工件产生磨损。
2 传感器选型
评价传感器的主要性能有以下几个指标：工作频率、灵敏度、频率宽度等，因此针对GIS中局放超声信号的特性进行准确选型是检测系统高效准确工作的前提基础。
对于局放超声换能器的选型需要考虑两个方面的因素，检测信号的特性以及应用场合。由于GIS运行现场环境复杂，其背景噪声水平较大，但大部分噪声处于10kHz频段以下，需要尽可能的避开干扰频段。其次，考虑局放信号的特性，由于SF6气体对于超声信号有着较强的吸收效果，并且频率越高的部分衰减越严重，因此频率也不能过高影响检测灵敏度，从已有的研究结果也可以发现，GIS局放超声频谱的方范围主要在20kHz～200kHzt441；最后兼顾抗干扰能力和局放类型识别的要求，换能器的频带要合适，当选用窄频带换能器时，抗干扰能力增强，但是由于频带过窄不利于局放类型的识别，选用宽频带换能器能够获得较较大范围的频率信息但也容易引入噪声干扰。综合考虑以上因素，选取谐振频率为30kHz压电式超声传感作为检测系统的选型目标。
目前超声换能器的生产厂家很多，最为著名的有美国物理声学公司，德国Vallen公司，日本富士集团，国内有鹏翔科技有限公司，声华科技有限公司等，表4．1为各个厂家换能器特新参数。国内近年来，压电晶体材料的研究不断深入，换能器的性能也有了很大的提升，灵敏度，频率响应特性等关键指标都接近于国外一流厂商，成本大幅降低。由于局放超声信号强度很小，故在选型时应该尽量考虑高灵敏度，可以扩大检测范围减少传感器的安装数量，对比了国内外各个厂家的压电式超声换能器，最终选择鹏翔公司的PXR03谐振型压电超声传感，该传感器谐振频率为30kHz，频率范围20kHz～110kHz，灵敏度>75db，符合前文分析的灵敏度至少大于60db的要求，并具有较强的抗干扰能力和高灵敏度。
作者：黄墀志 湖南大学电气与信息工程学院
导师姓名及职称：汪沨教授、黄智伟高工
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