一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统及其测试方法技术方案

本发明专利技术属于对传感器进行测试计量校准领域，尤其涉及对声发射传感器的灵敏度进行测试的系统和方法。一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，所述系统用于检测声发射传感器的灵敏度；根据系统测量的声发射传感器的电压谱和速度谱得到所述声发射传感器的灵敏度曲线；本发明专利技术直接测量声发射弹性波的位移或位移速度，能够达到几十皮米量级的精度，测量的物理量可以溯源至时间频率，为声发射传感器的灵敏度测试提供了一种高精度方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于对传感器进行测试计量校准领域，尤其涉及对声发射传感器的灵敏度 进行测试的系统和方法，特别基于激光多普勒技术进行测试。
技术介绍
材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射 (AcousticEmission，简称AE)。在声发射技术的应用中，传感器的工作频带和灵敏度对AE 检测的结果具有决定性的作用。实际应用中大部分AE传感器为谐振型的压电换能器。声 发射传感器的灵敏度以位移灵敏度或者速度灵敏度的方式表达，如何对其频率响应进行测 试是AE定量技术广泛应用的瓶颈。在现有技术中，美国材料测试协会和国际标准化组织推荐的方法是表面波脉冲方 法，在一个半无限大的钢制试块表面，以毛细管断裂的方式产生脉冲声信号，使用电容传感 器作为参考传感器，利用比较法得出AE传感器的灵敏度曲线。该方法存在一些弊端，一是 电容传感器的制作条件较为苛刻且溯源困难，二是电容传感器高达数百伏的极化电压容易 产生局部放电现象影响钢制试块的表面质量，三是毛细玻璃管断裂信号的稳定性和重复性 不是很理想。另外一种AE传感器测试的方法是激光干涉仪方法，利用激光干涉仪测量抛光后 的钢制试块表面声发射弹性波的法向位移或位移速度，由于钢制试块表面质量等问题，测 量结果的信噪比不是很理想。2003年《无损检测》发表的《声发射研究中的非接触传感器》 一文中提及的非接触式声发射传感器，主要包括基于激光干涉方法的声发射信号测量，不 涉及传感器本身的测试校准。已有的技术主中，申请号为200420086062. 0的宽带声发射信号接收传感器，利用 两个或两个以上的窄带换能器的串联实现宽带声发射信号的接收，利用该传感器作为发射 传感器存在发射灵敏度较低的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的表面波脉冲法操作不便和溯源性难以实现的 问题，研发了。本专利技术为了实现上述专利技术目的所采用的技术方案如下，一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，所述系统用于检测声发射传 感器的灵敏度；根据系统测量的声发射传感器的电压谱和速度谱得到所述声发射传感器的 灵敏度曲线；所述系统包括激励信号源，数据采集系统，激光多普勒单点测振单元，发射声源， 传输媒介和所述待测声发射传感器；所述发射声源通过传输媒介与所述待测声发射传感器 耦合；所述激光多普勒单点测振单元设置在所述声发射传感器的测量区域；所述发射声源通过所述传输媒介将产生的弹性波传输到所述声发射传感器的测 量区域；所述激光多普勒单点测振单元测量因纵向震动产生的多普勒频移分量，得到纵波 的位移速度谱；测试时，所述声发射传感器接收所述发射声源通过所述传输媒介的弹性波， 所述声发射传感器产生电信号，对电信号进行采集，系统根据前后两次采集的数据得到所 述声发射传感器的灵敏度曲线。所述发射声源为压电换能器；所述发射声源频率范围至少覆盖IOOkHz-SOOkHz ； 所述压电换能器一端和所述激励信号源连接，所述传输媒介与所述压电换能器的工作面通 过耦合剂紧贴连接。所述传输媒介为光学玻璃。具体的测试中，所述压电换能器为宽带发射换能器；包括锥台形压电晶片，填充 树脂，树脂与钨粉的混合背衬，绝缘支撑结构，树脂背衬，第一电极，第二电，壳体和匹配层； 所述锥台形压电晶片极化处理金属镀膜后便产生两个电级，即所述的第一电极和第二电 极，由于压电晶片存在逆压电效应，在所述锥台形压电晶片接收到激励电压时，由于逆压电 效应便产生一定频率范围和一定幅度的压力信号；所述混合背衬粘贴在所述压电晶片上方，与压电晶片同轴，用于和压电元件之间 提供一个最佳的声阻抗匹配，它上方的树脂背衬将压电晶体形成的内部反射尽可能抑制， 和锥台形压电换能器结合能够提供一个宽带声发射信号；圆环形的绝缘支撑结构处于壳体 与压电晶片以及所述背衬材料之间，借助所述壳体固定所述锥台形压电晶体的位置。测试系统中，所述激光多普勒单点测振单元包括=He-Ne激光器，混频器，第一反 射镜，双反射镜，分光镜，1/2波片，声光调制晶体，双折射率三棱镜，第二反射镜，1/4波片 和聚焦透镜；所述激光多普勒单点测振单元的频率覆盖范围为IOOkHz-IMHz ；所述激光器2发射出激光，经所述分光镜6，光束被分为能量相等两束光，一束经 双反射镜5反射，经聚焦后送入所述混频器3作为参考光；另一束光则通过双折射率三棱镜 9成为偏振光，经过可微调角度的第二反射镜10反射后通过1/4波片11与聚焦透镜12，垂 直射到目标面上；因目标面受弹性波产生微弱振动，由目标面反射回来的光线会发生频移， 发生频移的光线反射回来经过所述双折射率三棱镜9时偏移一定小角度射出，后经所述声 光调制晶体8的调制，再通过所述1/2波片补偿光程差，最后通过所述双反镜5和第一反射 镜4、再经聚焦成为测量光束，送入所述混频器3 ；参考光束和测量光束经过所述混频器3， 输出一个频率为两者频差的信号，所述信号通过所述数据采集系统处理得到目标面的位移 速度谱。本专利技术中，所述传输媒介为两端面抛光的光学玻璃，且该光学玻璃中一面的中间 区域镀铝或镀铬；所述光学玻璃两端面间距至少120mm。应用上述的测试系统而进行的测试方法利用逆压电效应，采用压电换能器作为发 射声源；将所述宽带发射换能器耦合在光学玻璃试块的一端，由宽带发射换能器产生的纵 波将在光学玻璃试块的另一端被测量，此端镀有高反射膜；第一次测量由所述激光多普勒单点测振单元完成，然后由所述待测的声发射传感 器检测镀膜处的声发射信号，对照两次接受到的波形，得到所述声发射传感器的灵敏度曲 线。具体的所述测试方法包括两个测试阶段(1)第一测试阶段①.所述激励信号源18通过所述宽带发射换能器17在所述传输媒介-光学玻璃 内产生弹性波；②.所述弹性波经过传输媒介-光学玻璃试块到达与所述宽带发射换能器17同 轴的镀膜面测量区域；③.所述激光多普勒单点测振单元测量出由于目标面的纵向震动产生的多普勒 频移分量，通过所述混频器，将信号输入所述数据采集系统，采集到纵波的位移速度谱；(2)第二测试阶段①.关闭所述激光多普勒单点测振单元，将所述激光器关掉；②.在所述镀膜面14 一侧耦合上待测声发射传感器13 ；③.所述声发射传感器13接收所述宽带发射换能器17发出的纵波，产生微弱的 电信号，其信号为mV量级；④.将所述声发射传感器13产生的电信号经前置放大器15后，将所述信号送入 数据采集系统，得到所述声发射传感器13的电压谱；所述数据采集系统得到两个阶段检测的多普勒测振系统得到的信号和换能器置 于相同位置得到的电信号输出；由于激光多普勒单点测振单元得到的目标面和所述声发射 传感器13的耦合位置一致，则两者在接收到相同的弹性波时产生的位移速度谱一致；测试 系统根据已知的待测声发射传感器13的电压谱与位移速度谱，绘制其灵敏度曲线。本专利技术提出一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试方法和装置，该方法和 装置能准确测试待测传感器IOOkHz-SOOkHz的纵波频率响应曲线。本专利技术采用逆压电效应 宽带发射换能器作为发射声源，采用光学玻璃作为弹性波传输介质，利用光学玻璃表面的 镀膜作为测量区域，通过激光多普勒原理测量放置AE传传感器前的测量区域位移和位移 速度，利用高频数据采集系统测量AE传感器耦合至测量区域后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，其特征在于，所述系统用于检测声发射传感器的灵敏度；根据系统测量的声发射传感器的电压谱和速度谱得到所述声发射传感器的灵敏度曲线；所述系统包括激光多普勒单点测振单元，发射声源，传输媒介和所述待测声发射传感器；所述发射声源通过传输媒介与所述待测声发射传感器耦合；所述激光多普勒单点测振单元设置在所述声发射传感器的测量区域；所述发射声源通过所述传输媒介将产生的弹性波传输到所述声发射传感器的测量区域；所述激光多普勒单点测振单元测量因纵向震动产生的多普勒频移分量，得到纵波的位移速度谱；测试时，所述声发射传感器接收所述发射声源通过所述传输媒介的弹性波，所述声发射传感器产生电信号，对电信号进行采集，系统根据前后两次采集的数据得到所述声发射传感器的灵敏度曲线。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，其特征在于，所述系统用于检 测声发射传感器的灵敏度；根据系统测量的声发射传感器的电压谱和速度谱得到所述声发 射传感器的灵敏度曲线；所述系统包括激光多普勒单点测振单元，发射声源，传输媒介和所述待测声发射传感 器；所述发射声源通过传输媒介与所述待测声发射传感器耦合；所述激光多普勒单点测振 单元设置在所述声发射传感器的测量区域；所述发射声源通过所述传输媒介将产生的弹性波传输到所述声发射传感器的测量区 域；所述激光多普勒单点测振单元测量因纵向震动产生的多普勒频移分量，得到纵波的位 移速度谱；测试时，所述声发射传感器接收所述发射声源通过所述传输媒介的弹性波，所述 声发射传感器产生电信号，对电信号进行采集，系统根据前后两次采集的数据得到所述声 发射传感器的灵敏度曲线。2.据权利要求1所述的一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，其特征在 于，所述系统还包括激励信号源和数据采集系统；所述发射声源为压电换能器；所述发射声源频率范围至少覆盖IOOkHz-SOOkHz ；所述 压电换能器一端和所述激励信号源连接，所述传输媒介与所述压电换能器的工作面通过耦 合剂紧贴连接。3.根据权利要求2所述的一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，其特征 在于，所述压电换能器为宽带发射换能器；包括锥台形压电晶片，填充树脂，树脂与钨粉的 混合背衬，绝缘支撑结构，树脂背衬，第一电极，第二电极，壳体和匹配层；所述宽带发射换 能器整体为圆柱结构；所述锥台形压电晶片极化处理金属镀膜后便产生两个电级，即所述的第一电极和第二 电极，由于压电晶片存在逆压电效应，在所述锥台形压电晶片接收到激励电压时，由于逆压 电效应便产生一定频率范围和一定幅度的压力信号；所述混合背衬粘贴在所述压电晶片上方，与压电晶片同轴，用于和压电元件之间提供 一个最佳的声阻抗匹配，它上方的树脂背衬将压电晶体形成的内部反射尽可能抑制，和锥 台形压电换能器结合能够提供一个宽带声发射信号；圆环形的绝缘支撑结构处于壳体与压 电晶片以及所述背衬材料之间，借助所述壳体固定所述锥台形压电晶体的位置。4.根据权利要求1或2所述的一种基于激光多普勒原理的声发射传感器测试系统，其 特征在于，所述激光多普勒单点测振单元包括激光器，混频器，第一反射镜，双反射镜，分光镜， 1/2波片，声光调制晶体，双折射率三棱镜，第二反射镜，1/4波片和聚焦透镜；所述激光多 普勒单点测振单元的频率覆盖范围为IOOkHz-IMHz ；所述激光器(2)发射出激光，经所述分光镜(6)，光束被分为能量相等两束光，一束经 双反射镜(5)反射，经聚焦后送入所述混频器(3)作为参考光；另一束光则通过双折射率三 棱镜(9)成为偏振光，经过可微调角度的第二反射镜(10)反射后通过1/4波片(11)与聚 焦透镜(12)，垂直射到目标面上；因目标面受弹性波产生微弱振动，由目标面反射回来的 光线会发生频移，发生频移的光线反射回来经过所述双折射率三棱镜(9)时偏移一定小角 度射出，后...

【专利技术属性】
技术研发人员：何龙标，杨平，钟波，牛锋，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]