CN101502947A - 一种声发射传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声发射传感器，壳体的一端设有前盖板，壳体的另一端设有后盖板；壳体的腔体内壁套装有填充套筒，填充套筒的内壁内套装有压电元件套筒；压电元件的前端通过包覆其上的导电胶带压在前盖板上，压电元件的后端通过弹簧压在前置放大器的线路板上，压电元件后端与弹簧之间包覆有导电胶带，导线的一端焊接在压电元件后端的导电胶带上，导线的另一端焊接在前置放大器的输入端；前置放大器的线路板固定在后盖板上。本发明用来接收空气传播的磨削声信号，并直接消除了机器噪声对有效信号的干扰，结构合理，使用方便，灵敏度高，响应频带宽，价格低。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于数控磨床磨削声发射监控系统的声发射宽带空气传感器。
背景技术
声发射传感器又称为AE传感器，它是一种结构损伤声发射检测的传感器，可用于数控磨床磨削声发射监控系统，利用声发射传感器接收空气传播的磨床磨削加工时产生的AE(Acoustic Emission)信号，判别磨削状态的优劣，量化磨削状态，给出为优化磨削状态应如何修改磨削参数的决策，为控制系统提供依据。
传统的AE传感器包括接触式、半接触式和非接触式三种。
接触式AE传感器采用压电元件将声信号转换为电信号，其以夹具或磁铁固定于工作台或冷却水喷头上，接收工作台或冷却水传递过来的磨削声信号。其缺点是传感器与安装点的平面有空气夹层，声波在其界面上有很大损耗，所以传感器需通过耦合剂与工作台或喷头接触等，一方面，这种安装方式限制了其使用：靠近工件不方便安装，远离工件信号衰减大；且耦合剂的使用会增加检测的未知因素，且不能完全解决损耗问题；另一方面，由于安装位置所限，传感器接收到的信号除了刀具磨削工件产生的声波外，还有磨床本身电机运转、机件磨擦以及通过地面传导的其它噪声，降低了传感器的信噪比，甚至包含有有效声波频段的噪声，直接导致后续的信号分析产生错误的结果。
半接触式AE传感器是上述接触式传感器固定于冷却水喷头上的改进，但需要改装喷头。这种传感器无需使用耦合剂，但其结构复杂度大大增加，并继承了接触式传感器易受磨床自身噪声干扰的缺点，而且，冷却水一旦中断或含气泡，采集的信号可靠性无法保证。
非接触式AE传感器有电容式与光纤式，分别测量磨床上某一平面因为声发射现象导致的振动引起的电容变化或光路干涉效应，由于测量的还是磨床上的振动，因此无法避免地会受到磨床本身噪声干扰。而且，电容式传感器测量的是电容量，易受环境干扰；而光纤式传感器系统庞大，需要激光器作为光源，且信号处理较慢，所以应用局限性很大。
综上所述，现有AE传感器或直接或间接，测量的都是磨床磨削时通过磨床本身传播的声信号，需以磨床或冷却水作为声音传递的介质，故无法避免磨床自身振动的噪音或是冷却水的噪音干扰，因而无法获得精确的测量；且现有技术的声发射传感器结构复杂、安装使用不便。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种声发射传感器，其以空气为声音传递介质，不易受磨床本身信号干扰的声发射传感器，大大提高了测量的精确度。
技术方案：一种声发射传感器，包括壳体、前盖板、后盖板、填充套筒、压电元件套筒、压电元件、导线、前置放大器和弹簧；壳体的一端设有前盖板，壳体的另一端设后盖板；壳体的腔体内壁套装有填充套筒，填充套筒的内壁内套装有压电元件套筒；压电元件的前端通过包覆其上的导电胶带压在前盖板上，压电元件的后端通过弹簧压在前置放大器的线路板上，压电元件后端与弹簧之间包覆有导电胶带，导线的一端焊接在压电元件后端的导电胶带上，导线的另一端焊接在前置放大器的输入端；前置放大器的线路板固定在后盖板上。
所述的前盖板为硬度大于等于120HB的圆形板，圆形板的厚度为0.8～1.5mm，直径大于等于40mm；所述的前盖板为硬铝合金或超硬铝合金，其用四颗螺丝固定在壳体的端部，四颗螺丝在圆周方向均布；或者前盖板用四处点焊焊接在壳体端部，其中，四个焊点均布在圆周方向。前盖板用于耦合空气中的声波，并改善对低频率声波的响应；四点固定使前盖板在空气中声波的作用下产生点固定的振动模式。
所述的弹簧为压缩弹簧，弹簧对于压电元件的后端面的压强范围在25000Pa-80000Pa之间，压缩弹簧极大地提高传感器的灵敏度。
所述的压电元件为长圆柱体，其压电电压系数g33大于0.03V·m/N，压电元件只有伸缩振动一种模式，保证其接收的为传感器前方传来的声波信号。
所述的前置放大器采用的运算放大器的输入阻抗大于等于1012Ω，增益带宽积大于等于10MHz，等效输入噪声小于等于55nV/，前置放大器放大倍数大于等于600倍，以实现在较宽频带内信号的均匀放大。
所述壳体外壁通过连接套筒螺纹连接有固定套筒，固定套筒用于将传感器固定于支架上。
所述的压电元件套筒采用尼龙制成，以保证压电元件与弹簧整体位于传感器的中轴线上。
所述的填充套筒采用石英棉制成，用于吸收从传感器壁方向传播的声波，防止其对所需信号造成干扰。
有益效果：(1)采用圆柱形PZT(锆钛酸铅)，压电电压系数g33大于0.03V·m/N的压电元件，它具有纵向单一振动模式，该压电元件压于前盖板上，使整个声系统具体一维振动模式，只能接收纵波；并且，腔体内在PZT周围填充有吸音棉，有效地消除了其它方向传入的声波，从而确保输出的只有前方传输过来的声波信号。(2)本发明采用大面积的薄圆板作为前盖板，用四颗螺丝固定在壳体上，且四颗螺丝均匀分布在圆周上，形成一个四点固定的圆板，极大地提高了传感器对低频率信号的响应灵敏度，使得传感器响应频率低至500Hz。(3)采用高输入阻抗，高增益带宽积、低噪声的运算放大器组成前置放大器，实现对宽频带内尤其是高频率信号的等比例放大，上限频率可以达到500KHz。(4)采用压缩弹簧将PZT元件压在前盖板上，其对压电元件的压强在25000Pa与80000Pa之间，极大地提高了PZT元件接收声波的灵敏度。(5)本发明以空气作为传播声音信号的介质，其相对于磨削动作产生的声信号而言，机床本身电机、机件等噪声在空气中的声发射信号可以忽略不计，而从空气传播的现场环境噪声能量集中于低频区，不在磨削声信号的有效频段，从而直接消除了其对有效信号的干扰，大大提高了其测试的灵敏度。(6)实验表明，本发明的结构合理，灵敏度高，同时，价格与接触式传感器相当，除安装形式外，使用方法也与接触式传感器一致，能够很好地满足磨床磨削声发射监控系统的要求。
附图说明
图示为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图所示，本发明的声发射传感器包括壳体1、前盖板2、后盖板3、填充套筒4、压电元件套筒5、压电元件6、导线7、前置放大器8、弹簧9、连接套筒10、固定套筒11、电源接头12和信号输出端13。
壳体1的一端固定有前盖板2，壳体1是由硬铝合金制成的圆筒体。壳体1的一端面上沿着中心开有一环形凹槽，前盖板2为一圆形薄板，其直径、厚度与壳体1端面的凹槽直径、厚度相适配，即前盖板2压在凹槽内，前盖板2的平面与壳体1的端面在同一水平面内。前盖板2用超硬铝合金制成，其硬度为150HB，厚1mm，直径58mm。前盖板2由四颗螺丝固定在壳体1上，四颗螺丝沿前盖板2的圆周方向均匀分布，即螺丝之间呈90°布置，这样位置固定的前盖板2能有最好的声音传递效果，极大地提高了传感器对低频率信号的响应灵敏度，可以使前盖板2更好的接收空气传来的声音信号。在壳体1的另一端固定后盖板3。壳体1的腔体内壁套装有填充套筒4，填充套筒4的内壁套装有压电元件套筒5；填充套筒4是采用吸声材料制成的空心圆柱体，吸声材料如石英棉。压电元件套筒5是由非金属材料制成的空心圆柱体，非金属材料如尼龙；填充套筒4和压电元件套筒5可以吸收外来噪音，防止干扰压电元件6的信号；同时保证压电元件6及弹簧9处于壳体1的中心位置，防止其偏移。
压电元件6的两端覆上柔性导电胶带，即压电元件6的前端通过包覆的导电胶带压在前盖板2上，压电元件6的后端通过弹簧9压在前置放大器8的线路板上；弹簧9的一端压在压电元件6后端的导电胶带上，弹簧9的另一端压在前置放大器8的线路板上。导线7穿过弹簧9，导线7的一端焊接在压电元件6后端的柔性导电胶带上，导线7的另一端焊接在前置放大器8的输入端上。压电元件6的电信号由导线7传输至前置放大器8。前置放大器8的线路板固定在后盖板3上。其中，压电元件6与弹簧9的总长度应略长于壳体1的长度，壳体1的长度即前盖板2至前置放大器8之间的距离，以便弹簧9稍作压缩，为压电元件6提供一定的预应力，可以使压电元件6对外来的声音信号更加灵敏，即使很小的声音信号也可以使压电元件6产生反应。其中，压电元件6为长15mm、直径7mm、压电电压系数g33为0.035V·m/N的长圆柱体；前置放大器8的放大倍数为900倍，采用的运算放大器输入阻抗为1012Ω，增益带宽积为10MHz，在实际操作时，等效输入噪声为10Hz时不高于55nV/；等效输入噪声为10KHz时不高于17nV/。前盖板2在声发射信号的作用下产生弯曲振动，并通过压电元件6将振动信号转换为电信号输入至前置放大器8，经前置放大器8放大后输出。
在壳体1上设有电源接头12，电源接头12与±9V电源连通。在壳体1上还设有信号输出端13，信号输出端13为BNC端子。
壳体1的前段外壁与连接套筒10的一端螺纹连接；连接套筒10的另一端与固定套筒11的一端外壁螺纹连接。使用时，固定套筒11固定在三角架上，将固定套筒11对准待检测部位，这样的安装方式可以使传感器正对准待监测点，更集中的收集声音信号，检测效果更好。
使用时，将本发明的固定套筒11固定于固定支架上，使其对准磨削点，距离不大于1m，以保证输出信号最强时不出现饱和削波为宜，信号输出端13与示波器连接，或接至数据采集器，声发射传感器将采集到的信号传输出至计算机，供信号分析用，或由计算软件根据预设值分析工件的质量情况，并产生动作信号。本发明采集空气传播的声发射信号，只需要将传感器安装于固定支架上并靠近工件，将固定套筒11对准砂轮即可；由于传感器接收的是空气中传播的声信号，只要保证传感器对准磨削位置，对传感器在磨床上的安装点没有任何要求，传感器可以放于磨床附近任意位置，安装使用方便；由于本发明采用的是非接触式安装，也就不需要接触式传感器所需要的耦合剂，克服了耦合剂对声信号的不利影响；相对于半接触式传感器而言，也不需要对磨床作任何改造，适应性极强。
Claims (10)
1、一种声发射传感器，其特征在于，包括壳体(1)、前盖板(2)、后盖板(3)、填充套筒(4)、压电元件套筒(5)、压电元件(6)、导线(7)、前置放大器(8)和弹簧(9)；壳体(1)的一端设有前盖板(2)，壳体(1)的另一端设有后盖板(3)；壳体(1)的腔体内壁套装有填充套筒(4)，填充套筒(4)的内壁内套装有压电元件套筒(5)；压电元件(6)的前端通过包覆其上的导电胶带压在前盖板(2)上，压电元件(6)的后端通过弹簧(9)压在前置放大器(8)的线路板上，压电元件(6)的后端与弹簧(9)之间包覆有导电胶带，导线(7)的一端焊接在压电元件(6)后端的导电胶带上，导线(7)的另一端焊接在前置放大器(8)的输入端；前置放大器(8)的线路板固定在后盖板(3)上。
2、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的前盖板(2)为硬度大于等于120HB的圆形板；其中圆形板的厚度为0.8～1.5mm，直径大于等于40mm。
3、根据权利要求2所述的声发射传感器，其特征在于：所述的前盖板(2)为硬铝合金或超硬铝合金。
4、根据权利要求1、2或3所述的声发射传感器，其特征在于：所述的前盖板(2)用四颗螺丝固定在壳体(1)的端部，四颗螺丝在圆周方向均布；或者前盖板(2)用四处点焊焊接在壳体(1)的端部，其中，四个焊点均布在圆周方向。
5、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的弹簧(9)为压缩弹簧，弹簧(9)对于压电元件(6)的后端面的压强为25000Pa-80000Pa。
6、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的压电元件(6)为压电电压系数g33大于0.03V·m/N的长圆柱体。
7、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的前置放大器(8)采用的运算放大器的输入阻抗大于等于1012Ω，增益带宽积大于等于10MHz，等效输入噪声小于等于55nV/，前置放大器(8)的放大倍数大于等于600倍。
8、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：壳体(1)外壁通过连接套筒(10)螺纹连接有固定套筒(11)。
9、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的压电元件套筒(5)采用尼龙制成。
10、根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于：所述的填充套筒(4)采用石英棉制成。
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