CN87214610U - 一种声发射(ae)传感器 - Google Patents

Abstract

一种适合于金属切削过程监视(控)和设备在线自动诊断检测用的点接触式声发射(AE)传感器，采用短圆锥形压电陶瓷敏感元件和声阻抗匹配的背衬，可克服传统的谐振式AE加速度传感器难于实现宽频带探测的弱点，减少孔径效应等因素引起的探测误差，具有探测频带宽、灵敏度高、结构简单、易于制作，使用稳定可靠等特点，可作为一维或多维组合式AE传感器。

Description

一种声发射(AE)传感器

本实用新型涉及声发射（AE）检测传感器。

由于高效率低成本的柔性自动化加工和设备故障自动诊断技术的发展，声发射（AE）检测传感技术已开始在柔性自动化加工机床（如：CIMS、FMS、FMC中的和CNC、NC等加工机床）切削过程监视（控）和多种设备在线自动诊断检测的领域中获得应用。目前市售和研制的声发射（AE）检测传感器，在国内外均主要是针对材料试验和无损探伤等领域，在切削过程监视（控）和设备故障诊断中应用这类AE传感器存在的主要问题是检测频段窄或信号灵敏度与强度偏低。这类AE传感器如日本生产的AE901～AE905窄带系列如AE900宽带传感器其工作原理是按超声波换能器的工作方式改进的。由于孔径效应（“Aperture  effect”，或称尺寸效应，““Size  effect”，即当传感器的敏感元件的尺寸接近或超过被测定的AE波长时，其敏感元件的输出是敏感元件各点输出的“叠加平均值”）的影响使这类AE传感器的输出信号是压电晶片各点输出信号相“抵消”“叠加”的平均值。此外，波长变动（较高频段时）或压电晶片弯曲（较低频时）等均会引起探测误差，降低传感器的检测灵敏度和频率响应能力。另一类AE传感器是根据振动耦合原理进行设计的，被测量面的振动通过水泥、蜡、螺纹、胶带等固定连接后，把振动传给探头，再经压电晶片传给振动质量，传感器所需的合适夹紧力难于保证，故难于实现较高频率AE波的探测。这一类设计如已公开的专利US3.145.311，US3.394.526和德国的1.005.758，1.228.448等。专利US4.189.655对上述缺点进行了改进，但它的设计仍是基于振动耦合原理，故难于作为切削过程监视（控）及一些设备在线监视时AE信号检测传感用。此外，其结构比较复杂，制作较难。美国NBS的T.M.Proctor在＜Journal  of  Acoustic  Emission，Vol.l，No.3，1982＞的    “Some  Details  on  the  NBS  Conical  transducer”一文中介绍经过大量实验筛选后提出小尺寸短锥形敏感晶片与大园柱体背衬的非谐振式AE宽带传感器设计方案作为AE传感器的第二类标准传感器。经实验证明，这种AE传感器可使孔径效应、晶片弯曲等因素的影响大为减低，可实现100K～lMHZ的宽带探测，具有较高的灵敏度。但其不足之处是，其结构不适合切削过程监视或设备诊断传感用，背衬尺寸偏大，并不适于探测头有耐磨要求的场合使用。

本实用新型的目的是提供一种适合于几十K至1MH_Z频带范围，克服上述已有AE传感器不足之处，减小孔径效应、晶片弯曲等因素引起的探测误差，具有探测频带宽、灵敏度高，结构简单，易于制作与维修，使用稳定可靠的实用型一维或多维组合式点接触AE传感器。

本实用新型AE传感器由压电陶瓷敏感元件、背衬、支承体和信号输出等四部分组成（附图1），压电陶瓷敏感元件呈短园锥台形〔1〕、背衬为黄铜质园锥一园柱形复合体〔2〕，它们在内支承套〔5〕内可自由滑动，并与内外支承〔5〕〔4〕形成闭合电通道，由压紧弹簧〔3〕保证晶片〔1〕的探测可靠性。

附图说明，图1为本实用新型AE传感器的结构示意图，图中：

1：压电陶瓷敏感晶片（元件）

2：背衬

3：压紧弹簧

4：外支承套

5：内支承套

6：外端盖

7：内端盖

8.导线

9：输出接头垫

10：输出接头

11：防尘耐油橡皮垫

12：永磁（陶瓷）垫

压电陶瓷敏感元件〔1〕由压电常数d₃₃≥380的改进型PZT－5或PZT－4压电陶瓷材料制成短园锥台形，其小头直径为φ1～φ1.5mm，用导电胶粘固于59黄铜背衬〔2〕的端头中心，在压紧弹簧〔3〕的作用下，晶片〔1〕小头端面与被测面〔13〕呈点接触。晶片〔1〕的大端面与背衬〔2〕、导线〔8〕、接头〔10〕形成传感器的一路电通道，晶片〔1〕的小端面与被测面〔13〕、外支承套〔4〕、接头〔10〕组成另一电通道。背衬〔2〕为59黄铜材质，被制成园锥一园柱形复合体，以保证应力波沿各方向传导并消逝，而不反射回晶片〔1〕形成探测误差。内支承套〔5〕与内端盖〔7〕由绝缘材料一夹皮胶木、尼龙、纤维复合强化材料或有机玻璃等制成。外支承套〔14〕与外端盖〔6〕由45号钢，铝合金、铜或不锈钢等导电材料制成。外支承套〔4〕的下端底部被加工成园周上呈120°角均布的三个支承点，其支承面积≤1mm²。压紧弹簧〔3〕的钢丝直径为φ0.6～0.8mm，压电陶瓷敏感元件〔1〕在其作用下的工作压强为7～10MPa，以保证探测结果可靠而稳定。背衬〔2〕的园柱部分与内支承套〔5〕间的配合为间隙0.01～0.03mm的滑动配合，内端盖〔7〕与内支承〔5〕，外端盖〔6〕与外支承套〔4〕及内、外支承套间为过盈量0.005～0.01mm的轻压入配合。

压电陶瓷敏感元件〔1〕与被测面〔13〕的接触面上涂有专用保护胶或粘贴厚度0.5mm左右的铜片，背衬〔2〕的锥部与内支承套〔5〕间有防尘耐油橡皮垫〔11〕，以保证AE传感器的使用寿命和可靠性。在线实用时，外支承套〔4〕底部外园处粘有固定传感器位置的永磁陶瓷垫〔12〕。

选用合适的绝缘涂层或注入（或氧化）技术可在外支承套〔4〕内壁或背衬外园部喷涂或注入（氧化）一层绝缘耐磨层，在结构上可省去内支承套〔5〕。增加支承与背衬上下移动口间的密封，并对晶片〔1〕工作部和输出接头〔10〕处，内外端盖接口处等加防水防油保护，本实用新型可制成防水、防油型。

本实用新型的几种基本结构经检测校准和在线使用证明均已达到设计指标，其可探测频率范围，探测灵敏度和信号强度等参数指标均优于日产AE900宽带AE传感器和国内研制的FRT－1000型宽带AE传感器。

本实用新型的主要性能参数指标达到和超过美国NBS的原型点接触式宽带标准AE传感器，其可探测频带为50KHz～1.2MHz（±3dB）信号幅值响应最大峰峰值为1.56～1.88V（伏）（在300K～1MHz带通滤波，40dB增益条件下），信号的对数功率谱幅值为18～22.000μV²／Hz。本实用新型AE传感器已实现车床、铣床用车刀、镗刀、铣刀和钻头与丝锥的在线探测监视。

Claims (6)

1、一种点接触式声发射(AE)传感器是由压电陶瓷敏感元件、背衬、支承体和信号输出等四部分组成，其特征在于压电陶瓷敏感元件呈短园锥台形[1]，背衬为黄铜质园锥一园柱形复合体[2]，它们在内支承套[5]内可自由滑动，并与内外支承[5][4]形成闭合电通道，由压紧弹簧[3]保证晶片[1]的探测可靠性。

2、按照权利要求1所述的传感器，其特征在于压电陶瓷敏感元件〔1〕由改进型PZT－5或PZT－4压电陶瓷材料制成，其压电常数d₃₃≥380，内支承套〔5〕与内端盖〔7〕由绝缘材料－夹皮胶木、尼龙、纤维复合强化材料或有机玻璃制成。

3、按照权利要求1或2所述的传感器，其特征在于外支承套〔4〕和外端盖〔6〕由45号钢、铝合金、铜或不锈钢等导电材料制成，外支承套〔4〕的下端底部被加工成园周上呈120°角均布的三个支承点，其支承面积≤1mm²。

4、按照权利要求1或2所述的传感器，其特征在于压紧弹簧〔3〕的钢丝直径为φ0.6～0.8mm，压电陶瓷敏感元件〔1〕在其作用下的工作压强为7～10MPa。

5、按照权利要求1或2所述的传感器，其特征在于背衬〔2〕的园柱部分与内支承套〔5〕间的配合为间隙0.01～0.03mm的滑动配合，内端盖〔7〕与内支承套〔5〕，外端盖〔6〕与外支承套〔4〕及内外支承套间为过盈量0.005～0.01mm的轻压入配合。

6、按照权利要求1或2所述的传感器，其特征在于压电陶瓷敏感元件〔1〕与被测量面〔13〕的接触面上涂有专用保护胶或粘贴厚度0.5mm左右的铜片，背衬〔2〕的锥部与内支承套〔5〕间有防尘耐油橡皮垫〔11〕，外支承套〔4〕底部外园处粘有固定传感器位置的永磁（陶瓷）垫〔12〕。

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