专利名称：声发射信号变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属和合金材料及金属和合金制品的无损检测范畴，其中包括采用记录声发射信号的方法，还涉及用来接收机械信号，并将该机械信号转变成电信号的装置。
本发明可用作相应的测试设备的一个组成部分，用来在试验或运转时查明非连续型的缺陷(如材料内部的扩展中裂纹)，并对结构和构筑物的构件动力学问题作出评价。例如，本发明可用来诊断压力容器(火力发电厂的蒸汽锅炉、贮气罐、原子反应堆)、桥樑、船舶的外壳、固定式海上平台及其它结构物的强度。
众所周知，对声发射信号变换器的基本要求是在选定的频带范围内有较高的灵敏度、幅频特性及幅频特性曲线的稳定性，以及在选定的频率范围内方向图的形状呈圆形。现在已知有许多方法能把固体表面的振动变换成电信号，但是其中大部分方法不能保证必要的灵敏度。在声发射参量测量中主要是采用压电方法，这种方法与其它方法相比具有较高的灵敏度。这是靠利用压电元件的共振特性来达到的，在多数情况下，压电元件由陶瓷材料制成，而且通常不会减振，因此共振频率在较宽的通带具有较高的灵敏度。但是利用压电元件的共振特性，会引起幅频特性的明显的非线性性质。这将导致信号的极大失真，从而降低检测的准确度。
其中已知的声发射信号变换器包括外壳和安装在外壳中的压电元件，压电元件与外部的记录装置连接(SU，A，890234)。这种变换器没有对压电元件的可靠保护措施，致使其在同检测对象接触时产生磨损。
下述的声发射信号变换器得到了广泛的应用，它包括一个在底部有孔的外壳，用导声材料制成的保护层，该保护层设置在外壳的底部，并用作变换器的接触底座，还有一个圆柱形的压电元件，有时也作成圆盘形，沿其轴向已被极化，并将其底部放置在上述的保护层上(B.A.TpevuHuKob，Ю.БДpoδom，“声发射及其在材料和制品试验中的应用”，1976，标准出版社，(莫斯科)，第73～75页，图23)。
通过导声的保护层来实现变换器同检测对象的接触，保证了压电元件不受磨损，且不会降低到达压电元件的信号强度。但是由于保护层中声波的混响(该保护层是变换器的接触底座)，以及由于在外壳的厚层中有效信号同反射波之间的干涉，而使信号的最初形状在变换时发生变形。在已知的变换器中，接收垂直波和表面波时，在选定的频率范围也不可能获得圆形的方向图，这是因为方向图形与波长和接触底座及压电元件的大小之间的关系很复杂-只知道上述的关系越简单，该图形圆形的差别就越大。此外，由于在压电元件和外壳中，在给定频率范围内存在机械共振，因此在选定的频率范围内，已知的变换器的幅频特性曲线具有很大的差值。
本发明的任务是提供这样一种声发射信号变换器，它是通过选择压电元件的尺寸关系和建立沿保护层和变换器的外壳传播的声波的吸收条件，来消除变换器的结构元件中的声波共振和混响条件，从而降低幅频特性曲线的差值，且提高了变换器的灵敏度，因此也就提高了声发射信号参量的测量准确度。
解决所提出来的任务的方法是根据本发明声发射信号变换器安装上呈旋转体形状的减振元件，它与压电元件共轴设置，并与外壳和保护层之间有着声耦合，声发射信号变换器包括底部带孔的外壳，用导声材料制成的保护层，该保护层位于外壳的底部，并用作变换器的接触底座，还包括圆柱形的压电元件，它已被沿其轴向极化，并将其底面设置在上述的保护层上。
与外壳和保护层有着声耦合的减振元件的存在，可以强烈地吸收沿保护层和外壳传播的声波，因此在后两者中消除了信号的混响，从而也就使有效信号同反射波之间的干涉达到最小。这样就可以防止信号的初始形状的失真。
而且所说的呈旋转体形状的减振元件的实现，以及将其同压电元件共轴设置，当接收垂直的和表面的声波时，在选定的工作频率范围内，可以获得变换器的圆形的方向图，还能提高幅频特性曲线的一致性，以及提高变换器的灵敏度。
最适宜的作法是将所推荐的变换器中的减振元件作成套筒形式，插入上述的外壳的孔中，将上述的保护层装入该套筒中。以上述的形式设置的呈套筒形的减振元件的实现，保证了与检测对象相接触的保护层和外壳和声隔离，因此不会使被检测对象的表面振动减振，进一步提高了接收垂直波和表面波时变换器的灵敏度。此外，把保护层安装在上述的套筒中，能保证用该套筒沿保护层的周边将保护层夹住，这样可以极大地减弱保护层的径向共振，因此也就提高了声发射参量的测量准确度。
除了在所推荐的变换器中安装减振元件以外，最好使压电元件的直径为其高度的0.3到1.0倍，其高度由下面的条件选择h＝(0.25……0.40) (c)/(f)式中h压电元件的高度，毫米;
c超声波在压电材料中的传播速度，毫米/毫秒;
f变换器工作范围内的上限频率，千赫。
在压电元件的这种尺寸的条件下，再加上变换器的方向图保证呈圆形，使得变换器的灵敏度达到最大，而相对于垂直的偏移具有最小的差值，也就是说这种偏移与压电元件的极化方向一致。
上述决定压电元件高度的关系可作如下解释。实验表明，为了对所获得的测量结果进行评价的单值性和提高检测的准确度，沿其轴向(在给定的情况下为沿其高度的方向)被极化了的压电元件的最大尺寸应小于声波波长的一半。在这种情况下，压电元件可看成点元件或潜在元件，在选定的频率范围内，也就是在第一个较低的共振频率下，由几何尺寸对压电元件的灵敏度产生的影响仅仅是压电元件的高度。在选定的范围界限内，灵敏度随着频率的增大而提高，且在共振频率下达到最大。共振的必要条件是波长λ的一半等于某一尺寸的整倍数，在特殊情况下，系指等于圆柱体高度倍数。发明人确定了压电元件的高度可以由下面的关系决定h＝ (k·c)/(2·f)式中h、c和f各符号的意义与前面给出的数学式中的相同，而符号k是一个无量纲的系数，它的大小取决于变换器的品质因数，并且通过实验来确定。如果k＝0.5，……，0.8，则获得最好结果。将这些k值代入给定的公式之后，该公式获得了上面所推荐的形式。
如果压电元件的高度小于0.25 (c)/(f) ，或者大于0.40 (c)/(f) ，则声发射参量的测量准确度在某些实际情况下可能显著地降低。
还有一点是很重要的，即当选定了压电元件的高度之后，如前面所建议过的，它的直径应该是其高度的0.3至1.0倍。这可作如下解释。首先，在这种情况下，第一个共振频率决定于对称的振荡模的第一个厚度，同时质点的偏移将发生在极化场的方向，在低于共振的频率的情况下也是如此。如果压电元件的直径大于它的高度，那么第一个共振频率将决定于径向的振荡模，在这种情况下，质点的偏移不同于垂直偏移。其次，为了保证压电元件的点状性，声接触面积就必须最小(小于半波长)，这样才能保证有圆形方向图。当压电元件的直径与其厚度之比大于1.0时，在一系列情况下，方向图可能在接近共振频率时不呈圆形，这完全是因为压电元件和变换器的制造工艺不够完善所致。
如果压电元件的直径小于它的高度的0.3倍，则实质性地减小了压电元件的固有电容量。在这种情况下就必须考虑到压电元件被加载于外部电路的输入端，该电路具有电阻和电容的终值。电路中电容的存在(例如连接电缆的电容或放大器的输入电容)导致压电元件的分流，也就是导致灵敏度的损失，从这一点来看，最好不要把压电元件的直径减小到小于它的高度的0.3倍。
下面参考所提供的附图，详细地说明本发明。各图中相同的零件用相同的图号表示。
图1所示为所申报声发射信号变换器的纵向剖面图;
图2所示为带有呈套筒形的减振器的实施方案的声发射信号变换的纵向剖面图;
图3～7为所申报的声发射信号变换器采用不同结构的压电元件的幅频特性曲线。
所推荐的声发射信号变换器(见图1)包括完整的外壳1，其上面加有盖2，保护层3呈杯状，被固定在位于外壳1的底部上的孔中，圆柱形的压电元件4被沿着其轴向加以极化，并以自己的底面固定在保护层3上，还有予放大器5，它被安装在外壳1的腔室中，并且以自己的输入端与压电元件4进行电耦合。在外壳1上安置了一个电接头6，它与予放大器5的输出端连接，并用来将变换器连接到外部的记录装置上(图中未示出)。变换器还包括呈旋转体形状的减振元件7，它与压电元件4共轴地安装着，并且同外壳1和保护层3有着声接触，如图1所示。图中还画出了被检测的制品(检测对象)8。外壳1用来对压电元件4和予放大器5屏蔽外举的电磁场，同时也使变换器具有所要求的机械强度。有时外壳1及其盖2是用不锈钢制成的。外壳1的下部(接触部分)作成凸部1a，呈截锥体形式，其小面积的底座朝向被检测的制品8。这样有助于外壳1和被检测制品8之间的声隔离。圆锥侧表面母线和圆锥的大底端面之间的角度以5°到10°为适宜。当上述的角度小于5°时，外壳1的凸部1a和被检测的制品8之间的间隙中可能充满接触液，致使引起外壳1和检测对象之间的声耦合。当角度大于10°时，会增大变换器的尺寸和提高其重心位置，这就减小了它固定于检测对象上的稳定性和可靠性。
保护层3用来防止压电元件4同被检测的制品8接触时产生的磨损。保护层3是由电气绝缘而又导声的材料制成的，如石英、蓝宝石、玻璃陶瓷及其它材料。有时它是用环氧树脂制成的，厚度为2毫米。
在图1所示的方案中，减振元件7是一个充满外壳1的壁和保护层3之间的空间的圆锥层，其材料能有效地吸收声波，例如填加了密度很大的填料的人造树脂之类的材料。有时可以采用填加了钨粉的环氧树脂，钨粉占重量的80%。
圆柱形压电元件4用来将被检测制品的表面弹性振动转变成电信号，它是用陶瓷制成的，且沿圆柱的轴向被极化。压电元件4的尺寸是这样选定的，即在工作频率范围内，当方向图为圆形时，保证有最大的灵敏度，相对于垂直偏移的差值最小，关于这一点前面已经阐述过。
那么，压电元件4的高度h就由下面的条件选定h＝(0.25……0.40) (c)/(f)而它的直径d是其高度h的0.3至1.0倍(符号的意义如前所述)。
对于工作频率范围为10……300千赫的变换器来说，压电元件4也可以用以铅的锆酸盐和钛酸盐为主体的陶瓷(c＝4000毫米/毫秒)来制造，其高度为5毫米，直径为3.5毫米。而且幅频特性曲线的差值为6分贝。也可以按其它尺寸制造压电元件4，但应在前面推荐的尺寸范围内。
予放大器5用来放大来自压电元件4的电信号，并将该信号通过电接头6沿电缆输送给外部记录装置。予放大器5是用已知的方法制成的，例如采用苏联科学院“实验设备与技术”汇编，No1.1976，(莫斯科)中的T.Π.ΠeTuH“外置式予放大器”，第137～139页所述的方法。
在个别情况下，在上述的工作频率范围(10……300千赫)内工作的变换器所要求的予放大器5的输出电阻应为1兆欧，输入电容为4微微法，以保证放大器的输入端同压电元件4相匹配。
应当指出，予放大器5并不是所申请的变换器中所必需的部件，因此上述的放大器既可设置在变换器的外壳1中，也可设置在它的外面。同时，如图1所示的那样，将予放大器5置于变换器的外壳1中，也就是直接靠近压电元件4，可以避免压电元件的固有电容与将该压电元件同外部的记录装置连接起来的相当长的电缆的较大电容的分接，因而也就避免了电信号的减弱。
变换器还包括电极(未示出)，它与压电元件4和保护层3相连接，用来消除来自压电元件4的表面的电信号。这些电极可以用烧渗银的方法使之在压电元件4的表面上形成，而在保护层3的内表面上，则用真空蒸镀金属的方法来获得。还可以用导电胶制备这些电极，例如含细而分散的金属粉末填料的合成树脂。
如图1所示的带有减振元件7的变换器的制作方法最简单，成本最低。如图2所示的变换器的方案，则能保证具有极高的声发射参量测量准确度，根据该方案，减振元件7被作成套筒形状，插在外壳1的孔中，而保护层3则被嵌入该套筒中。这两种方案的结构不同，在图1所示的结构中，保护层3和外壳1之间有直接的声接触(它是这样引起的，即为了注入构成减振元件7的材料而必须形成的环形支承平台)。在图2所示的方案中，由于减振元件7被作成套筒形，用上述的方法安装，消除了这种接触，即保证了外壳1和保护层3之间的声隔离。这样就能避免来自制品8的声波被外壳1减振，进一步减少了在外壳1中产生混响的可能性。硬性模造的减振元件7呈套筒形，可靠地夹住了保护层3，极大地减弱了后者的径向共振。
上述的声发射信号变换器的工作情况如下。将变换器设置在被检测的制品8的表面上，事先在它上面涂上一层接触液(未示出)，因此在被检测的制品8和变换器的保护层3之间形成了可靠的声接触。
在变换器的工作过程中，证明在被检测制品8的材料的内部结构中有缺陷在扩展的声发射脉冲以表面应力波和垂直应力波的形式沿被检测的制品8传播，经过保护层3到达压电元件4，在此被转变成电信号。这些信号从压电元件4到达予放大器5，并由此经过电接头6到达外部记录装置，在该装置中对包含在声发射脉冲中的有关缺陷的信息进行处理。呈圆锥层形的(图1)或呈套筒形(图2)的减振元件7强烈地吸收声波，因此防止了在外壳1内部产生信号的混响。而且如果利用呈套筒形的减振元件7，如上所述，还能附带实现减弱保护层3的共振，以及避免被检测制品8的表面振动被外壳1所减振，使变换器的灵敏度接近所能达到的最大程度。同时在全部工作频率范围内，使得变换器的幅频特性曲线均匀一致，并获得圆形的方向图。
还应指出的是所推荐的变换器具有很高的抗干扰能力，这是通过用电气绝缘材料制造保护层3而获得的，因此避免了压电元件4同被检测制品8的材料之间的流电式接触。这是非常重要的，如果注意到下述事实就清楚了，即发射信号变换器通常是放置在距离信号处理装置相当远(达300米)的检测对象上。而且原来检测对象的接地部分的电位不同于信号处理装置的接地母线的电位，这是因为上述的地线网的电阻并非为零，以及工作电机的泄漏电流沿这些网路流过。在同检测对象为流电式接触的情况下，有干扰电流从变换器的外壳1经过电缆的包皮流过，在电缆包皮的等效电阻上产生电位差，该电位差将同信号源的电压叠加。为了克服这种干扰，必须设置等电位接地，这在生产条件下未予完成，或者像所推荐的变换器采用的作法，使变换器的外壳1同被检测的制品绝缘，因此也就切断了干扰电流的通路。
下面列举一些实施本发明的具体实例，通过这些实例来说明当压电元件的材料和尺寸改变时，所申请的声发射信号变换器的使用特性曲线的相关性(见图3至图7)。图3所示为例1中的变换器的幅频特性曲线，以下的各曲线图所示的分别为其它各例中的同样的特性曲线，采用下列符号f频率f1工作频率范围的低频f2工作频率范围的高频f＝f2-f1工作频带f0压电元件的第一个共振频率s灵敏度例1其结构为所申请的结构的变换器，其工作范围的高频为300千赫，所采用的压电元件是以铅的锆酸盐和钛酸盐为主体的陶瓷制成的，该压电元件具有以下参量
c＝4000毫米/毫秒h＝2毫米(h＝0.15
)d＝0.4毫米(d＝0.2h)变换器中的压电元件具有以上所示的参量，由于其尺寸最小，灵敏度将不太高。此外，这种压电元件的固有电容将不足一个微微法，小于外部记录装置的输入电路的电容。给定的情况还会导致灵敏度低于潜在的可能达到的灵敏度S。(图3中用虚线表示的曲线)，S0是当压电元件在理想的输入电路(输入电容等于零，输入电阻无限大)的情况下工作时所能达到的。这会使得压电元件的内部容抗显著地大于输入电路的电阻，从而导致信号被输入电路分流。还是由于这个原因，当保持给定的幅频特性曲线的差值(图3中的“bc”区间)时，压电元件的工作范围中的低频f1向高频区移动，从而使工作频带△f缩小。
尽管由于上述因素使得效率降低，但给定的变换器的特点是对被检测制品表面沿压电元件的极化轴方向的偏移具有很高的选择性，这有助于提高声发射参量的测量准确度。
例2变换器的工作范围的高频与例1相同，压电元件也是用相同的材料制成的，但具有以下参量h＝3.3毫米(h＝0.25
)d＝1毫米(d＝0.3h)
该压电元件与前面所述的压电元件相比，具有很高的灵敏度和很宽的工作频带(图4中的“bc”区间)，这是由于增大了压电元件的尺寸和增大了它的固有电容量的结果。在这种情况下减小压电元件的内部容抗，因而也就减小了外部记录装置的输入电路的分流作用。而且，因为压电元件的尺寸显著地小于工作范围的高频的半波长(λ2＝6.6毫米)，所以保证能获得合乎要求的方向图。在选定的比率d/h的条件下，压电元件具有对被检测制品表面沿极化轴的方向偏移的灵敏度。
例3变换器的工作范围的高频与例1相同，压电元件也是用相同的材料制成的，但具有以下参量h＝4.3毫米(h＝0.32
)d＝3.0毫米(d＝0.7h)这种变换器与例2中所述的变换器相比，具有更高的灵敏度，由于增大了压电元件的尺寸和它的固有电容量，在给定的情况下该固有电容量达数+微微法，因此压电元件很容易与外部记录装置的输入电路相匹配。变换器的灵敏度和工作频带宽度实际上已相当于潜在的最大可能值(图5中的“bc”区间)。与上例一样，所选定的比率d/h＝0.7保证了变换器对被检测制品表面上的点与压电元件极化方向一致的偏移的选择灵敏度。第一共振频率f0比工作范围的高频f2大很多，因此在工作范围内幅频特性曲线的差值最小。而且与上例一样，保证变换器具有符合要求的方向图。
例4变换器的工作范围的高频与例1相同，压电元件也是用相同的材料制成的，但具有以下参量h＝5.3毫米(h＝0.4
)d＝5.3毫米(d＝1.0h)压电元件尺寸的增大导致其灵敏度在一定程度上增大。所选定的比率d/h＝1.0保证具有符合要求的方向图和在工作频率范围内与极化轴方向一致的偏移的灵敏度。由于第一共振频率f0向工作范围的高频f2的方向偏移(图6)，所以在高频区出现幅频特性曲线升高现象，因此给定的变换器的幅频特性曲线的差值与上例相比变大了。
例5变换器的工作范围的高频与例1相同，压电元件也是用相同的材料制成的，但具有以下参量h＝8.5毫米(h＝0.64
)d＝12.8毫米(d＝1.5h)如此增大压电元件的尺寸，不会导致变换器的灵敏度增大到所希望的程度。同时，在给定的压电元件的尺寸和它们之间的关系的条件下，第一共振频率f0出现在工作频率范围内，从而导致幅频特性曲线的差值相当大(图7中的“bd”和“dc”区间)。此外，因为d＞h，所以压电元件的第一共振将是径向的。在第一共振频率和该频率附近，压电元件具有这样的对被检测制品表面上的点的偏移灵敏度，即该偏移的方向与垂直于压电元件极化轴的固有的径向振动方向一致，这样就降低了变换器的效率。
在这种情况下，变换器在共振频率时的方向图与变换器在被检测的制品上的固定条件有着复杂的关系，而且方向图的形状极其不同于图形。
例6变换器的工作范围的高频与例1相同，压电元件是用以铅的锆酸盐和钛酸盐为主体的陶瓷制成的，具有以下参量c＝3000毫米/毫秒h＝3.2毫米(h＝0.32
)d＝2.2毫米(d＝0.7h)这种变换器实际上具有与例3相同的符合要求的特性曲线(见图5)。
如上所述，例2、例3、例4和例6中列举的变换器方案是最有效的，同时还要注意下述情况，即采用所申请的变换器的各种方案，获得很高的声发射信号参量测量准确度，只有在必须使用前面所述的减振元件的条件下才能得以保证，该减振元件可以消除外壳和保护层内部的信号混响，还可抑制它们自身的共振。
以上阐述了所推荐的声发射信号变换器的具体实施方案，但本发明还可以在其它相应的方案中实施。
权利要求
1.声发射信号变换器包括底部带孔的外壳、用导声的材料制成的保护层，该保护层位于外壳的底部，并用作变换器的接触底座，还包括沿其轴向极化了的圆柱形的压电元件，并将自己的基座安装在上述的保护层上，其特征为该变换器补充安装了呈旋转体状的减振元件(7)，它与压电元件(4)共轴安装，并与上述的外壳(1)和保护层(3)有着声耦合。
2.根据权利要求第1项所述的变换器，其特征为上述的减振元件(7)呈套筒形，插在上述的外壳(1)的孔中，在该套筒中嵌入了上述的保护层(3)。
3.根据权利要求第1项或第2项所述的变换器，其特征为上述的压电元件(4)的直径的大小为其高度的0.3到1.0倍。
4.根据权利要求第3项所述的变换器，其特征为压电元件的高度由以下条件选定h＝(0.25……0.40) (c)/(f)式中h 压电元件(4)的高度，毫米c 超声波在压电元件(4)的材料中的传播速度，毫米/毫秒f 变换器工作范围的高频，千赫
全文摘要
信号变换器包括外壳(1)、位于外壳(1)的底部的保护层(3)、沿其轴向向极化了的并以自己的基底安装在保护层(3)上的圆柱形的压电元件(4)，以及与压电元件(4)共轴安装的且与外壳(1)和保护层(3)有着声耦合的呈旋转体形状的减振元件(7)。减振元件(7)呈套筒状，插在外壳(1)的孔中，保护层(3)被嵌入该套筒中。
文档编号G01N29/04GK1038883SQ8810394
公开日1990年1月17日 申请日期1988年6月25日 优先权日1988年6月25日
发明者阿尼托列·雅可夫列维奇·涅多谢卡, 尼可拉伊·弗拉基本诺维奇·高利兹思, 尼古拉·第英番维奇·科罗米耶克, 利奥尼德·弗兰特谢维奇·卡琴科, 弗拉基米子·依奥诺维奇·凯勒曼诺夫, 弗拉基米子·尼古拉维奇·特凯琴科 申请人:乌克兰科学院叶奥帕托纳电焊研究所