基于PMN-PT的寬帶高靈敏雙諧振式聲發射傳感器研究

宋 洋,唐正凱,史汝川,林 迪,韓 韜,羅騁韜

(1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240;2.中國科學院 上海硅酸鹽研究所,上海 201800)

0 引言

局部放電現象會對電力設備絕緣造成極大危害[1-2]。聲發射檢測法是常用的檢測方法之一,被用于檢測局部放電產生的超聲信號[3-4]。由于局部放電強度低(尖端放電的放電量不足10 pC),激發的超聲波頻帶寬(為20～200 kHz且主要集中在100 kHz內),聲發射傳感器的靈敏度越高,帶寬越大,則越利于準確檢測并識別局部放電類型,所以需要聲發射傳感器具備高靈敏度(峰值靈敏度不小于60 V/(m·s-1))和大帶寬(20～100 kHz)[5-6]。現有的基于壓電陶瓷PZT的聲發射傳感器難以同時實現該靈敏度和帶寬要求,因此需要開發新的設計方案。新型弛豫鐵電單晶PMN-PT的機電耦合系數高(k33約為90%),可以提升傳感器的靈敏度,被應用于多種類型的超聲換能器中[7-9]。但是PMN-PT具有較高的機械品質因數(Qm約為150),不利于提升傳感器帶寬,且一般的添加背襯或多振動模態耦合的方法在提升帶寬的同時會降低靈敏度,故而關于使用PMN-PT制備聲發射傳感器的報道較少,對于PMN-PT在應用時的振動模態、振子尺寸、傳感器結構及工作穩定性等尚不清楚。針對上述問題,本文使用有限元(COMSOL)進行仿真模擬并結合實驗驗證,研制了基于PMN-PT的雙諧振式聲發射傳感器,并與使用相同原理制備的基于PZT-5H傳感器進行對比[5-6,10-11]。通過靈敏度標定、穩定性、溫度特性及局部放電檢測實驗,證明基于PMN-PT的傳感器性能優秀,能滿足局部放電檢測的需要。同時,通過基于PMN-PT和PZT-5H的聲發射傳感器性能對比,驗證了PMN-PT替代PZT-5H用于局部放電檢測的聲發射傳感器制備的可行性。

1 雙諧振式聲發射傳感器靈敏度、結構及諧振峰耦合原理

1.1 聲發射傳感器的靈敏度和帶寬

聲發射傳感器的靈敏度定義為輸出電壓與機械輸入的比值(位移、速度、加速度),當采用速度作為輸入量時,靈敏度被稱為速度靈敏度,即:

(1)

式中:Sv(ω)為速度靈敏度;V(ω)為輸出電壓;v(ω)為傳感器接收表面振速。聲發射傳感器的帶寬通常定義為峰值靈敏度減去10 dB的頻帶寬度。

根據超聲信號的頻帶特征以及現有商用聲發射傳感器峰值靈敏度小于75 dB,故要求設計的聲發射傳感器帶寬覆蓋20～100 kHz,靈敏度峰值超過75 dB。

1.2 壓電材料選擇與對比

為使傳感器具備高靈敏度,壓電振子應選擇具備較高機電耦合系數和壓電常數的振動模態。在所有的振動模態中,通常長度伸縮振動模態下具備最高的機電耦合系數k33和壓電應變常數d33,故選擇壓電振子工作在長度伸縮振動模態。

本文使用的PMN-PT(中國科學院上海硅酸鹽研究所制備)和PZT-5H(浙江神鐳超聲材料制備)性能對比如表1所示。由表可見,對比PZT-5H,PMN-PT的k33和d33分別提升了約20%和155%,有利于提高靈敏度。但PMN-PT的機械品質因數Qm遠高于PZT-5H,這降低了傳感器的帶寬,因此,采用諧振峰耦合方式制成的雙諧振式聲發射傳感器提升了帶寬。

表1 PMN-PT和PZT-5H的材料特性

1.3 諧振峰耦合原理

使用兩個不同的壓電振子,利用諧振峰耦合提升傳感器帶寬的雙諧振式聲發射傳感器結構如圖1(a)所示。傳感器由兩個極化方向相反的壓電振子、外殼和匹配層組成。定義兩個壓電振子最近的兩個平面距離為壓電振子間距。

圖1 雙諧振式聲發射傳感器結構示意圖及諧振峰耦合原理圖

當傳感器使用多個諧振頻率不同的壓電振子,且這些壓電振子的諧振峰耦合時,傳感器的帶寬將得到極大提升。但并非所有的壓電振子都能發生耦合,諧振峰耦合的條件見圖1(b)。假設頻段f1-f2需要在傳感器的-10 dB帶寬內,單獨使用一個壓電振子的帶寬無法滿足該條件。利用兩個不同的壓電振子,當兩個壓電振子的諧振峰足夠接近時,若在f1、f2之間任意頻點f處滿足下式,則兩個壓電振子諧振峰耦合,能成功設計出帶寬覆蓋f1-f2的傳感器。

V1+V2≥10-0.5Vmax

(2)

式中:V1和V2為壓電振子1、2在頻率f處的輸出電壓;Vmax為壓電振子輸出的最大電壓,并假設各個頻點處傳感器的輸入速度相等。上述分析是一種理想條件,實際上由于壓電振子在所有頻率上都有響應,壓電振子的振動會相互產生串擾以及兩個壓電振子輸出電壓存在相位差,所以V1、V2和Vmax值會發生變化。因此,兩個不同尺寸的壓電振子能否耦合以及耦合后的效果需要利用有限元進行分析。

2 雙諧振式聲發射的設計與制備

2.1 雙諧振式聲發射傳感器設計

傳感器的應用頻帶為20～100 kHz,中心頻率為60 kHz。首先通過有限元仿真確定諧振頻率在60 kHz附近的壓電振子長度。開環情況下,長度伸縮振動模態壓電振子的諧振頻率為

(3)

式中:fr為諧振頻率;c為壓電材料聲速;l為壓電材料長度;n為正整數。由于電纜的額外輸入阻抗會明顯改變傳感器響應,故在實際仿真中必須加以考慮。線纜對傳感器的影響是對壓電振子添加了一個串聯電容和并聯電阻,通過測量,使用傳輸線纜的電容為90 pF,電阻為10 Ω。經仿真可得,8 mm的PMN-PT聲發射傳感器在考慮外電路時,其諧振頻率為65 kHz,帶寬為46.1～80.1 kHz,在開環時的諧振頻率為110 kHz。外電路使諧振頻率向低頻偏移超過40%。外部電路相當于對壓電振子添加了負載,改變了壓電振子的靜態電容,使壓電振子的最小導納頻率變小,進而使諧振頻率變小。

為了實現帶寬提升,選擇使用諧振頻率小于65 kHz和諧振頻率大于65 kHz的兩個壓電振子。為了考察壓電振子諧振峰耦合效果,利用有限元模型進行仿真,最終選擇9 mm+7 mm的壓電振子,諧振頻率分別為55 kHz和70 kHz。利用式(3)計算得到與9 mm和7 mm PMN-PT的開環諧振頻率相同的PZT-5H長度分別為10 mm和8 mm,大于PMN-PT的長度。低頻段的應用會增加壓電振子的長度,長度過大則不利于傳感器的制備和實際使用。PMN-PT較低的聲速將有效減小所需的長度,有利于傳感器的小型化。

在仿真過程中發現隨著壓電振子間距的增大,傳感器的帶寬逐漸減小。為使傳感器具備更大的帶寬,將壓電振子的間距設定為0.5 mm。使用9 mm和7 mm PMN-PT壓電單晶的雙諧振式聲發射傳感器命名為S97,使用10 mm和8 mm PZT-5H壓電陶瓷的雙諧振式聲發射傳感器命名為C108。開環情況下,S97和C108的靈敏度曲線分別如圖2(a)、(b)所示。考慮外電路情況下,S97和C108的靈敏度曲線分別如圖2(c)、(d)所示。

圖2 S97和C108開環和考慮外電路的靈敏度曲線

S97在開環和考慮外電路時的靈敏度分別為94.6 dB和78.2 dB,C108在開環和考慮外電路時的靈敏度分別為90.7 dB和76.0 dB。PMN-PT具有更高的k33和d33,這有效地提升了傳感器的靈敏度。S97在開環和考慮外電路時的帶寬分別為36.4～98.3 kHz和72.2～152.3 kHz,低于C108在開環和考慮外電路時的帶寬47.1～130.4 kHz和70.0～155.8 kHz。但對比使用單壓電振子(8 mm PMN-PT)的傳感器,帶寬提升了約80%,證明諧振峰耦合方式可以有效地彌補因PMN-PT的高Qm而導致傳感器帶寬減小的影響。因此,結合PMN-PT高k33和d33的優勢以及使用諧振峰耦合的設計,可使聲發射傳感器同時具備高靈敏度和大帶寬的特點。

外電路使壓電振子的諧振頻率向低頻發生偏移,由于PMN-PT具有更大的靜態電容,9 mm的PMN-PT諧振頻率偏移了約43.2%,遠高于10 mm PZT-5H的27.0%。更低的聲速和諧振頻率更易受到外電路影響而向低頻偏移,PMN-PT只需更小的尺寸便可以實現更高的檢測靈敏度,因此,對于應用于低頻段的聲發射傳感器,PMN-PT是一種理想材料。

2.2 雙諧振式聲發射傳感器制備

聲發射傳感器的匹配層除了起到保護壓電振子的作用,還能在壓電材料和傳聲介質之間起到匹配作用,增強聲波的透射,提升傳感器的靈敏度和帶寬。摻雜氧化鋁是制備匹配層的常用方法,氧化鋁的聲速約為9 570 m/s,聲阻抗約為37.4 MRayl,通過摻雜制備的匹配層聲阻抗會改變±5 MRayl[13]。S97和C108的匹配層使用摻雜氧化鋁的方法制備(確吉(上海)電子科技有限公司),聲速為9 500 m/s,聲阻抗為36.8 MRayl。采用鋁合金作為傳感器的外殼,制備的S97和C108雙諧振式聲發射傳感器如圖3所示。

圖3 S97和C108實物圖及S97內部結構圖

3 結果與討論

3.1 校準結果

C108由中國計量科學研究院經縱波絕對校準方法校準。S97聲發射傳感器的校準采用面對面校準[14]。校準結果如圖4所示。表2總結了S97、C108及一款商用聲發射傳感器PXR04-0047的校準結果。

圖4 S97和C108雙諧振式聲發射傳感器校準結果

表2 聲發射傳感器S97,C108和PXR04性能表

雙諧振式聲發射傳感器S97的最高靈敏度為76.2 dB,C108和PXR04的靈敏度均低于72 dB,證明了采用PMN-PT作為壓電振子,其高機電耦合系數和壓電常數可以有效提升靈敏度,且S97的帶寬覆蓋20～100 kHz的檢測范圍,這說明諧振峰耦合設計有效地提升了傳感器的帶寬。對比商用聲發射傳感器PXR04,S97不僅實現了更高的靈敏度和更大的帶寬,而且使用的壓電振子表面積更小(約為PXR04的17%),體積更小(約為PXR04的10%),說明當優化雙諧振式聲發射傳感器的尺寸,尤其是徑向尺寸后,傳感器具備在復雜曲面上進行檢測的應用潛力。

對比仿真結果,校準得到的靈敏度峰值與仿真峰值偏差約為10%,這是由于仿真中激勵源為鉛筆芯斷裂的等效函數,而實驗中采用發射換能器作為激勵源,研究表明不同的激勵源會使諧振峰偏差超過30%[15-16]。仿真得到的帶寬小于校準得到的結果,其原因是仿真中缺少對壓電振子阻尼的準確擬合。

3.2 穩定性和溫度特性

對聲發射傳感器的穩定要求是局部放電超聲波檢測儀連續工作1 h后,注入恒定幅值的脈沖信號,其響應值的變化不應超過±20%,傳感器的靈敏度變化范圍應在-1.94～1.58 dB。將S97、C108與發射換能器固定在一個尺寸為400 mm×400 mm×5 mm的鋁板上,發射換能器連續發射1 h的聲波,S97和C108接收發射聲波。1 h后重新進行校準實驗,重復進行10次,S97和C108其中3次的檢測結果分別如圖5(a)、(b)所示。在10次校準結果中,靈敏度的變化均在穩定性要求范圍內,并且S97靈敏度方差為0.63,C108靈敏度的方差為0.59。S97和C108的靈敏度方差接近,證明基于PMN-PT的聲發射傳感器可以達到與目前流行的基于PZT陶瓷的傳感器相近的穩定性。

圖5 S97和C108的穩定性和溫度特性測試結果

壓電振子的特性會受到溫度影響,因此需要測量傳感器的溫度特性。使用對流加熱將傳感器加熱到一定溫度,測量傳感器在兩個壓電振子諧振頻率下的輸出電壓,如圖5(c)、(d)所示。由圖可見,S97與C108在25～70 ℃的輸出電壓隨著溫度升高而逐漸增大,最高電壓對比室溫輸出電壓分別提升了約5.3%和5.4%,證明基于PMN-PT的聲發射傳感器具備與現有基于PZT的傳感器一樣優異的溫度特性。溫度高于70 ℃,接近PMN-PT的退極化溫度,PMN-PT性能退化[17],S97的輸出電壓下降,證明基于PMN-PT的傳感器不適宜高溫檢測。但利用PMN-PT制備的聲發射傳感器能夠勝任多數的室內檢測任務。

3.3 局部放電檢測

對S97和C108進行局部放電檢測實驗。將聲發射傳感器(S97、C108及商用聲發射傳感器PXR04-0047)貼合在252 kV高壓開關柜(ZF1(GIS/H-GIS),上海西電高壓開關設備有限公司)上,同時使用特高頻(UHF)傳感器檢測局部放電,所得測量結果如圖6所示。

圖6 S97,C108和PXR04及UHF傳感器在一個工頻周期的輸出電壓及3種聲發射傳感器的信噪比

使用UHF傳感器作為參考,防止聲發射傳感器出現漏檢和誤檢。由于UHF傳感器檢測電磁波,因此,當局部放電發生時,UHF傳感器會首先響應,當超聲波傳播到設備外壁后,聲發射傳感器開始響應。在全部的60組檢測結果中,UHF傳感器和聲發射傳感器均檢測到局部放電信號,且輸出結果具備良好的一致性,證明了S97不會出現漏檢和誤檢,具有良好的檢測能力。

當沒有局部放電發生時,聲發射傳感器對環境噪聲也會有響應。S97、C108和PXR04對環境噪聲的輸出電壓峰-峰值分別為0.022 8 V、0.075 1 V和0.075 0 V。S97的輸出電壓更小,具備更好的噪聲屏蔽能力,而使用PZT陶瓷作為壓電振子的傳感器,C108和PXR04對噪聲響應的大小相近,且幾乎是S97的3.3倍。經計算,S97、C108和PXR04的信噪比分別為17.33 dB、3.20 dB和0.72 dB。諧振峰耦合時,兩個壓電振子的輸出采取差分模式,可以消除共模誤差,因此,S97和C108的靈敏度高于PXR04。同樣采用差分輸出的S97靈敏度遠高于C108,證明了PMN-PT單晶具有更強的噪聲抑制能力。對于工作在高環境噪聲的聲發射傳感器,PMN-PT是一種合適的材料。

對S97、C108和PXR04的輸出電壓計算功率譜密度如圖7所示,在開關柜中使用尖端放電源,尖端放電的頻率在100 kHz內[6]。在功率譜密度中,S97、C108和PXR04功率譜密度吻合,在25 kHz和105 kHz上存在峰值,且在100 kHz內強度更高,驗證了S97和C108都具備良好的檢測能力。S97顯示出高信噪比和良好的檢測能力,這對使用PMN-PT提升傳感器性能的設計方案進行了驗證,說明PMN-PT是制備用于局部放電檢測的聲發射傳感器的理想材料。

圖7 S97、C108和PXR04輸出電壓的功率譜密度

4 結束語

本文設計制備了基于PMN-PT的雙諧振式聲發射傳感器。其中,PMN-PT壓電振子采用長度伸縮振動模態,兩個壓電振子的長度分別為9 mm和7 mm,振子間距為0.5 mm,匹配層的聲阻抗為36.8 MRayl,聲速為9 500 m/s。經校準,制備的雙諧振式聲發射傳感器靈敏度為76.2 dB,帶寬為20～105 kHz,實現了通過采用PMN-PT獲得高靈敏度以及通過諧振峰耦合設計提升帶寬的目標。

與基于PZT-5H采用相同方法設計的傳感器進行對比,得益于PMN-PT的高機電耦合系數,基于PMN-PT的聲發射傳感器的靈敏度是基于PZT-5H的近5 dB。PMN-PT的高機械品質因數使傳感器帶寬低于基于PZT-5H的傳感器,但諧振峰耦合的設計使帶寬滿足檢測需求。PMN-PT具有比PZT-5H更大的靜態電容,使其諧振頻率受外電路影響向低頻的偏移幅度更大,這種低頻偏移并結合PMN-PT更低的聲速,使其更適用于制備低頻聲發射傳感器。

通過傳感器的靈敏度標定驗證了仿真結果與預測的趨勢相吻合。通過局部放電檢測實驗,計算得到基于PMN-PT的聲發射傳感器具備更高的信噪比(達17.33 dB),可以準確地檢測到局部放電現象。通過穩定性和溫度特性實驗,證明了基于PMN-PT的聲發射傳感器都具有良好的穩定性和重復性。同時,雙諧振式聲發射傳感器使用的壓電材料體積和表面積更小,具備在復雜曲面上進行檢測的應用潛力。