(19)國家知識產權局(12)發(fā)明專利(72)發(fā)明人齊紅元韓得福侯東明王翠蘋限公司11961審查員姜樂一種壓電式聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射傳感器解決了早期微弱故障信號的感知2和內置電路；所述的匹配層，用于實現壓電元件與工作介質的聲阻抗匹配，根據信號能量在傳遞過程中的損失設計匹配層的厚度；所述的壓電元件，用于通過匹配層從工作介質中捕獲聲發(fā)射信號，將聲發(fā)射信號轉換所述的背襯層，用于支撐壓電式聲發(fā)射傳感器，吸收壓電元件傳輸過來的聲發(fā)射信號的能量，將聲發(fā)射信號傳輸給內置電路，所述的內置電路，用于對壓電陶瓷感知的聲發(fā)射電信號進行帶通濾波和放大處理；選用單層匹配層結構進行傳感器設計，在對匹配層厚度設計的時候，首先得到沒有衰減時的聲強透射系數t?:t?代表匹配層的聲強透射系數；I為透射波聲強；I入射波聲強之比；Pta是透射波聲壓；播距離，能量在傳遞過程中的損失由散射衰減和吸收衰減所引起，并且呈指數衰減形式；將匹配層中的聲波衰減規(guī)律考慮到匹配層厚度設計模型中，得到聲強透射系數與匹配層厚度和衰減系數的數學模型，如式(3)所示；定不同材料對應的最佳匹配層厚度；所述的內置電路包括接收電路和發(fā)射電路，接收電路完成壓電信號的帶通濾波以及放大功能，發(fā)射電路實現聲波的發(fā)射和傳感器自檢功能；所述的接收電路包括LTC6230組成，運算放大器采用差分接法放大差模信號，發(fā)射電路以定時器為基礎，構成多諧振蕩器，發(fā)出固定占空比的方波脈沖；所述的壓電元件包括壓電陶瓷，確定壓電陶瓷厚度t與諧振頻率f的關系為：f是壓電陶瓷的諧振頻率，t為壓電陶瓷的厚度，壓電陶瓷的諧振頻率選定150kHz,壓電陶瓷工作時處在諧振頻率附近；所述的背襯層包括環(huán)氧樹脂，在環(huán)氧樹脂基體中加入鎢粉，所述鎢粉體積分數9%。3技術領域[0001]本發(fā)明涉及聲發(fā)射傳感器技術領域，尤其涉及一種壓電式聲發(fā)射傳感器。背景技術[0002]故障產生的早期，其特征相對較輕微，對被監(jiān)測系統(tǒng)所造成的影響相對較小，維修成本也相對較低。如果故障在早期未被診斷出來或未受到足夠重視，當發(fā)展并積累到一定程度時，就會引發(fā)重大甚至災難性事故。因此一種具有高靈敏度、濾波特性的信號感知技術，對于被測結構的安全運行具有十分重要的意義。[0003]目前故障診斷技術主要集中于溫度檢測法、振動檢測法以及油液檢測法。由于溫度檢測法、油液檢測法對早期故障靈敏度低，不適合在線檢測；振動檢測法易受機械結構本體噪聲干擾，靈敏度低不適合早期狀態(tài)診斷。聲發(fā)射技術相較于上述技術具有高頻高靈敏特性，可直接對故障本身信號響應，適用于早[0004]聲發(fā)射傳感器是感知聲發(fā)射信號的核心及前端單元，主要完成聲發(fā)射信號的機電耦合、信號放大和濾波等功能。目前，現有技術中沒有一種有效的壓電式聲發(fā)射傳感器數學模型的設計方法。發(fā)明內容[0005]本發(fā)明的實施例提供了一種壓電式聲發(fā)射傳感器，以實現不同中心頻率的聲發(fā)射傳感器設計。[0006]為了實現上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。[0007]一種壓電式聲發(fā)射傳感器，包括：依次連接的匹配層、壓電元件、背襯層和內置電[0008]所述的匹配層，用于實現壓電元件與工作介質的聲阻抗匹配，根據信號能量在傳遞過程中的損失設計匹配層的厚度；[0009]所述的壓電元件，用于通過匹配層從工作介質中捕獲聲發(fā)射信號，將聲發(fā)射信號轉換為電信號，將電信號傳輸給背襯層；[0010]所述的背襯層，用于支撐壓電式聲發(fā)射傳感器，吸收壓電元件傳輸過來的聲發(fā)射信號的能量，將聲發(fā)射信號傳輸給內置電路，[0011]所述的內置電路，用于對壓電陶瓷感知的聲發(fā)射電信號進行帶通濾波和放大處[0012]優(yōu)選地，所述的壓電元件包括壓電陶瓷，壓電陶瓷的諧振頻率選定150kHz,壓電陶瓷工作時處在諧振頻率附近。[0014]優(yōu)選地，所述的內置電路包括接收電路和發(fā)射電路，接收電路完成壓電信號的帶通濾波以及放大功能，發(fā)射電路實現聲波的發(fā)射和傳感器自檢功能。[0015]優(yōu)選地，所述的接收電路包括LTC6230組成，運算放大器采用差分接法放大差模信4[0016]由上述本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例的壓電式聲發(fā)射傳感器數學模型及設計方法：解決了早期微弱故障信號的感知問題，可以實現被測裝備的早期故障診斷，為聲發(fā)射傳感器的設計提供了數學模型和理論支持，尤其針對匹配層厚度設計，首次考慮了聲波的衰減，從定量角度解釋了匹配層厚度設計問題，可實現不同材料所對應的最佳匹配層厚度。本發(fā)明提出的數學模型及設計方法準確度高，能滿足聲發(fā)射傳感[0017]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。附圖說明[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的[0019]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種聲發(fā)射傳感器的結構示意圖；[0020]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種壓電陶瓷的諧振頻率與厚度關系圖；[0021]圖3為本發(fā)明實施例提供的一種聲強透射系數t?與匹配層厚度和頻率的模型示意[0022]圖4為本發(fā)明實施例提供的一種不同材料(不同衰減系數)對應的最佳匹配層厚度示意圖；[0023]圖5為本發(fā)明實施例提供的一種阻尼對傳感器振動響應的影響示意圖；[0024]圖6為本發(fā)明實施例提供的一種對不同鎢粉含量下背襯層的吸聲效果示意圖。具體實施方式[0025]下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。[0026]本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形式“一”、“一件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。[0027]本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。5[0032]f是壓電陶瓷的諧振頻率(本發(fā)明也稱之為傳感器中心頻率),t為壓電陶瓷的厚[0033]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種壓電陶瓷的諧振頻率與厚度關系圖，如圖2所示，在5-10mm之內壓電陶瓷厚度與諧振頻的時候，首先得到沒有衰減時的聲強透射系數t,其與匹配層厚度和頻率的模型如圖3所6[0041]從圖3可知，聲強透射系數t?與聲波的頻率和匹配層厚度呈現一定關系，其中t?主要與匹配層厚度有關，在此基礎上結合本發(fā)明提出的聲波衰減規(guī)律，得到在接近真實環(huán)境下，聲強透射系數t?和匹配層厚度的改進規(guī)律，最終可得到最佳匹配層厚度和聲強透射系數的關系。[0042]最佳匹配層厚度與聲發(fā)射傳感器中心頻率有關系，但在本發(fā)明中影響較小，可忽略，主要是與材料的本身特性。[0043]不同中心頻率f的聲發(fā)射傳感器在設計時，首先需要選擇壓電性能優(yōu)良的壓電陶瓷材料，然后確定一個直徑，根據中心頻率可以確定壓電陶瓷的厚度，隨后根據匹配層設計理論和匹配層材料，確定匹配層厚度，直徑略大于壓電陶瓷即可；背襯層可根據傳感器吸聲效果確定，一般為鎢粉和環(huán)氧樹脂的復合材料，鎢粉體積分數9%,最終對聲發(fā)射傳感器進行封裝。[0044]背襯層不僅僅需要支撐壓電陶瓷，更需要吸收高頻聲發(fā)射信號的能量，防止其發(fā)生反射造成對電信號的干擾，聲波經壓電元件進入背襯層時，如果兩者聲阻抗相差較大，聲波的透射率會降低，因此，選用具有良好聲衰減性能的環(huán)氧樹脂作為背襯層，在環(huán)氧樹脂基體中加入鎢粉可以有效提高背襯層的聲阻抗，提高背襯吸聲能力，從而降低壓電陶瓷與背襯層之間的聲波反射。背襯層可視為阻尼，對傳感器的頻率和位移響應影響如圖5所示。[0045]確定背襯層材料中，環(huán)氧樹脂和鎢粉的配比是至關重要的，本發(fā)明對不同鎢粉含量下背襯層的吸聲效果進行研究，結果如圖6所示，發(fā)現當鎢粉體積分數在9%左右時背襯層的聲衰減較大，表面其吸聲效果較好。[0046]內置電路設計，壓電陶瓷輸出的電信號是很微弱的，因此必須加以放大，放大電路的設計需要考慮噪聲的影響。聲發(fā)射傳感器含有內置集成電路，分為接收電路和發(fā)射電路。接收電路主要完成壓電信號的帶通濾波以及放大功能，發(fā)射電路主要實現聲波的發(fā)射和傳感器自檢功能。[0047]接收電路主要由LTC6230組成，運算放大器采用差分接法，可以很好的抑制共模信號，放大差模信號，發(fā)射電路以555定時器為基礎，構成脈沖。[0048]上述研究未考慮強度，最后對傳感器進行沖擊模擬，在滿足結構強度要求的前提下，制備各部分元器件，工藝流程，確定傳感器封裝工藝，最后對聲發(fā)射傳感器樣品進行測試。[0049]被測設備在運行過程中，如果出現早期故障，根據聲發(fā)射的本質，早期微弱故障所產生的聲發(fā)射信號屬于微弱和高頻信號。為準確感知該信號，這意味著聲發(fā)射傳感器須具備高頻高靈敏的特性。聲發(fā)射傳感器主要包括：壓電陶瓷、匹配層和背襯層。壓電陶瓷主要完成該微弱、高頻信號的機電轉換，為了盡可能放大微弱信號，壓電陶瓷設計時的中心頻率(諧振頻率)應與信號的頻率一致，這樣才能利用共振現象，放大信號。對于匹配層，由于被測結構和壓電陶瓷直接存在聲阻抗差異，這會降低聲波在界面之間的傳遞效率(聲強透射系數),通過設計合理的匹配層可以提高聲波的透射率。背襯層主要負責聲波的吸收，防止[0050]壓電陶瓷產生的電信號經過內置電路放大、濾波之后被采集。此時在上位機對采集信號進行分析，通過對信號時域參數、頻域參數的分析，完成故障的判別、設備損傷程度7的評估。[0051]綜上所述，本發(fā)明實施例所采用的聲發(fā)射法是一種動態(tài)的檢測方法，其傳感器頻率范圍一般都在100kHz以上，遠大于設備運行所產生的音頻噪聲與振動噪聲，且檢測到的信號來自被測試物體本身的缺陷，可提供早期故障缺陷隨載荷、時間和溫度等變化的實時[0052]本發(fā)明針對聲發(fā)射傳感器各部分結構建立了數學模型，提出了設計方法，可實現不同中心頻率的聲發(fā)射傳感器設計，具有很強的理論指導意義。[0053]在對聲發(fā)射傳感器的匹配層進行設計的時候，聯系實際場景，考慮了聲波的衰減因素，在給定材料的情況下，可以實現最佳匹配層的計算，且實驗結果表明，該模型具有很高的精度。[0054]該方法設計過程簡單，計算結果準確，非常符合聲發(fā)射傳感器的設計[0055]本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發(fā)明所必須的。[0056]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上?？梢愿鶕嶋H的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。[0057]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術