بررسی سنسورها در تست آکوستیک امیشن (AE)

سنسور AE

یکی از بخش‌های مهم در تست غیر مخرب آکوستیک امیشن بخش سنسورها است. سنسورهای آکوستیکی عمدتاً از جنس پیزوالکتریک بوده که در اثر دریافت امواج آکوستیکی، تحریک‌ شده و اطلاعات دریافتی را به‌ صورت سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. زمانی­که آکوستیک امیشن در ماده جامد تولید می‌­شود، امواج آکوستیک امیشن (AE) در ماده بصورت موج الاستیک منتشر می­‌شود. که در حین تست آکوستیک امیشن (AE) این امواج توسط سنسورهای AE متصل در سطح ماده جامد ردیابی می‌­شود. سنسورها، موج AE را شناسایی نموده و سپس آن­ را به سیگنال ولتاژ تبدیل می­‌نماید. بطور کلی این تبدیل توسط سرامیک پیزوالکتریک انجام می‌­شود. سرامیک پیزوالکتریک یکی از انواع پیزوالکتریک­ها است که در شکل زیر اساس رفتار فیزیکی آن به طور کامل توضیح داده شده­ است.

الکترودها در دو انتهای پیزوالکتریک استوانه­ای قرار داده شده­اند. وقتی که ولتاژی به پیزوالکتریک اعمال می­شود، پیزوالکتریک با توجه به ولتاژ اعمالی منبسط یا جمع می­شود. برعکس پیزوالکتریک وقتی که تغییر شکلی در آن در اثر نیروی اعمالی اتفاق می­افتد تولید ولتاژ می­کند.

 دو نوع ماده پیزوالکتریک وجود دارد:

  • کوارتز
  • سرامیک ساخته شده توسط متالورژی پودر

پیزوالکتریک­‌های سرامیکی عملکرد بسیار بهتری در تولید الکتریسیته هنگام تغییر فرم نسبت به سایر مواد از خود نشان می­‌دهند. به همین دلیل پیزوالکتریک سرامیکی برای سنسورهای AE برای دستیابی به حساسیت بالا در اندازه‌­گیری تغییرات میکروسکوپی مناسب‌تر است. اگرچه مدل­‌های مختلفی از سرامیک­‌های پیزوالکتریک وجود دارد ولی سرامیک Pb(Zr,Ti)O3 که تحت عنوان PZT شناخته می­‌شود بصورت گسترده‌­تری برای سنسورهای AE استفاده می­‌شوند. برخلاف کوارتز، در PZT خاصیت پیزوالکتریکی تنها با فرآیند متالورژی پودر به دست نمی­‌آید بلکه خاصیت پیزوالکتریکی را بعد از اعمال ولتاژ بالا نشان می‌­دهد. (پلاریزاسیون) سنسورهای AE را می­توان به دو کلاس رزونانسی و باندپهن تقسیم­‌بندی کرد. ساختار شماتیکی این سنسورها در شکل زیر نشان داده شده است.

برخی سنسورهای آکوستیکی ار نوع رزونانسی می‌باشند بدین معنی که در فرکانس رزونانس حساسیت بالایی از خودشان نشان می‌دهند. این سنسورها ممکن است باندهای فرکانسی دیگری نیز داشته باشند که حساسیت پایینی دارند. سنسورهای رزونانسی مواقعی مورد استفاده قرار می‌گیرند که محتوای فرکانسی خیلی مدنظر نیست بلکه مشخصه‌های دیگری از سیگنال آکوستیکی مثل دامنه، مدت زمان رسیدن موج، انرژی و پارامترهایی از این قبیل مهم باشد. در سنسورهای رزونانسی وقتی یک موج AE به سرامیک پیزوالکتریک می­‌رسد موج AE مکررا درون سرامیک پیزوالکتریک بازتاب می­‌شود. در طی این بازتاب موج AE با فرکانس رزونانسی مورد نظر تقویت شده و باقی می‌­ماند و برعکس سایر فرکانس­‌ها به سرعت میرا می­‌شود. فرکانس رزونانسی پیزوالکتریک به ضخامت آن و سرعت صوت در آن بستگی دارد.

f_r=C/4l

مشخصات فرکانسی سنسور رزونانسی 150KHz در ادامه آمده است.

برخی سنسورهای آکوستیکی به محدوده‌ی وسیعی از فرکانس‌ها پاسخ یکنواختی می‌دهند که به این سنسورها، سنسورهای پهن باد گفته می‌شود. سنسور پهن باند پاسخ فرکانسی یکنواختی دارد و لذا در مواردی مورد استفاده قرار می­‌گیرد که لازم است تمام اجزای فرکانسی و شکل موج آکوستیک امیشن (AE) مورد ارزیابی قرار گیرند. برای این منظور بایستی به سرعت  کاهش یافته و میرا گردد. در نتیجه این اتقاق پیزوالکتریک توسط یک دمپر پوشانده شده است تا امواجی که از پیزوالکتریک عبور می‌­کنند توسط دمپر میرا شوند و بازتاب اتفاق نیفتد. مشخصات فرکانسی یک سنسور باند پهن در شکل زیر آمده است.

بسته به اینکه چگونه یک سنسور AE استفاده می شود یا شرایطی که در آن استفاده می شود، ممکن است دچار حساسیت و یا تغییرات در ویژگی های فرکانس شود، بنابراین این لازم است که سنسورها مورد ارزیابی قرار گرفته و کالیبره شوند.

در این راستا استانداردهایی تدوین شده است که عبارتند از:

1- ASTM E 650 – Standard Guide for Mounting Piezoelectric Acoustic Emission Sensors

2- ASTM E 976 – Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response

3- ASTM E 1106 – Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors

4- ASTM E 1781- Standard Practice for Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors

5- ISO 12713 –  Primary calibration method for transducers

دانلود مقاله اصول آکوستیک امیشن-بخش سوم

print