0 前言

材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射[1]。声发射信号来自缺陷本身，同样大小和性质的缺陷，由于所处的位置和所受应力状态的不同，对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射也有差别，故可用声发射法诊断缺陷的程度[2]。声发射检测过程为：从声发射源发出的信号，经介质到传感器，传感器输出电信号，再根据电信号对声发射源做出正确的解释[3]。了解来自缺陷的声发射信号，就可以长期对缺陷的安全性进行监测，这是声发射技术优于其它方法的一个重要特点。本文设计了一种接触式声发射传感器并利用它对4M20氮氢气压缩机气阀早期故障进行了检测。

1 声发射传感器结构、原理
声发射传感器不同于加速度传感器，它受应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把被检试件表面振动物理量转化为电量输出。
声发射传感器按结构一般分为接触型和非接触型两类。由于声发射信号往往很微弱而且经常伴随着环境噪声[4]，所以工业生产中用于设备状态监测的声发射传感器一般采用接触式传感器。如图1所示，声发射波经过界面反射、折射和模式转换，各自以不同速度、不同波程、不同时序到达传感器，因而，波源所生一尖脉冲到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形[5]，这种不同波形的叠加使信号检测趋于复杂化，要求传感器具有良好的静、动态特性。

传感器主要的静、动态特性如：频响宽度、谐振频率、灵敏度等取决于许多因素，包括：晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；晶片的阻尼块（背衬）及壳体中安装方式；传感器的耦合、安装及试件的声学特性等[5]。PVDF声发射传感器设计时充分考虑了上述因素。

图2为研制的接触式声发射传感器结构原理图。使用前，传感器声匹配层和物体壳体表面用耦合剂耦合靠永磁体磁力吸附在物体表面上，声发射信号从物体内穿过耦合界面透射入压电晶片内，使压电晶片产生谐振变形把物理量转化为电量输出。
压电晶片选用PVDF压电薄膜，PVDF作为声发射传感器敏感转换元件可以工作在g33模式或者g31模式；PVDF压电薄膜的压电常数g33比PZT压电材料的g33常数大10多倍，接受声发射信号时前者比后者的输出信号电压大10倍以上。
压电晶片为PVDF的声发射传感器背衬材料选用重量比为2：1的纯钨粉和环氧树脂的混合物[6]，以消除或减少透过压电晶体元件的声波因界面反射而再度返回压电晶体形成的次生压电效应，从而有助于提高传感器的信噪比和分辨率。

压电式声发射传感器的压电晶片产生的电荷量很小并且本身的内阻抗十分高，为了输出压电晶片产生的微弱电信号，必须和输入阻抗很高的前置放大器[7]（如图3）配合使用，前置放大器可采用电压放大模式或电荷放大模式 。
应力波从声阻抗为Z1的设备金属壳体向声阻抗为Zc的压电晶片传播时，为了使声波有效地通过声匹配层传播于压电晶片和设备的金属壳体（材料为：铸铁或钢）之间，声匹配层的声阻抗 的取值必须在压电晶片的声阻抗 和铸铁的声阻抗 之间[8]： ，经计算选用铝作为声匹配层不仅透声性好而且对传感器内部的元件起屏蔽作用[9]。
如图3所示，CT为声发射传感器压电晶片的等效电容； CT**为电容值0.01μF或者数值更大的聚酯旁路电容器，用来平衡源电容获得最佳噪声性能；C1*为交流耦合电容器，能够保证前置放大电路工作在-55~+125℃。上述前置放大电路输入阻抗为1010Ω，特别适合用作PVDF声发射传感器的前置放大器。
2 传感器的频率响应
不同于压电陶瓷材料，PVDF压电薄膜传感器的动态响应范围宽、频带宽，其频率响应范围和其厚度t、前置放大器的参数选择有关[10]。
当压电晶片的谐振频率（f）大于500KHz时，谐振频率（f）与其厚度（t）的乘积为常数（ ft=0.5v）,晶片的谐振频率与其厚度成反比。
前置放大器低频截至频率同样影响传感器的频率响应。前置放大器的低频截至频率由时间常数τ决定（R1=108Ω，C1*如图3所示）： ⑴

声发射传感器的压电晶片和前置放大电路组成的系统电路时间常数同样影响传感器的低频截至频率。如图4所示，输入电容计为 ，压电薄膜的等效电容为 ， 等效电路相当于一个RC高通滤波器，则声发射传感器的截止频率为： ⑵
为了验证所研制的PVDF声发射传感器的频响特性，用此传感器进行了标准断铅信号采集试验。试验方法如下：把PVDF声发射传感器用耦合剂吸合在厚度为2mm的薄板上，相距传感器大约30mm的地方折断直径为0.5mm的2H铅笔芯，断铅信号被声发射传感器采集并转化为电信号输出送到四通道的AE系统（PCI-DSP4）数据采集器进行波形数据采集，采集到的数据最后存储到计算机内进一步分析和显示。
3 传感器用于4M20氮氢气压缩机气阀故障检测
4M20氮氢气压缩机气阀故障检测实验仪器设备有：研制的PVDF声发射传感器，数字示波器（TDS3034）和计算机组成。声发射传感器采集到的压缩机气阀信号在示波器上显示，并通过串口把数据从示波器传输存储到计算机内，然后再利用Matlab软件编程在计算机上实现声发射信号波形的重现和分析。

图7为采集到的4M20氮氢气压缩机六段排气阀声发射信号的时域和频域波形图。
对比发现， 4M20氮氢气压缩机六段排气阀声发射信号正常和故障状态下其频谱图有一定差别：故障状态下4M20氮氢气压缩机排气阀声发射信号的能量向低频段转移，幅值能量同频率下明显降低。PVDF声发射传感器能够用于4M20氮氢气压缩机气阀完好状态监测。
4 结论
利用研制的声发射传感器进行了断铅信号实验，并利用它实现了4M20氮氢气压缩机气阀完好状态监测。结果表明：基于声发射技术研制的PVDF声发射传感器具有信号输出电压幅值高，频率响应范围宽、灵敏度高、使用方便等特点，能够用于工业生产设备的状态监测。