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 هستند که در اثر دریافت امواج آکوستیکی، تحریک می‌شوند و اطلاعات دریافتی را به صورت سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. 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 نمایان است.
الکترودها در دو انتهای پیزوالکتریک استوانه‌ای قرار داده‌شده‌اند. 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 ساخته‌شده 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 شده‌است.
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 آمده‌است.
برخی سنسورهای آکوستیکی به محدوده‌ی وسیعی از فرکانس‌ها پاسخ یکنواختی می‌دهند که به این سنسورها، سنسورهای پهن باد می‌گویند. 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 کاهش‌یافته و میرا گردد. درنتیجه این اتقاق پیزوالکتریک توسط یک دمپر پوشانده شده‌است تا امواجی که از پیزوالکتریک عبور می‌کنند توسط دمپر میرا شوند و بازتاب اتفاق نیفتد. مشخصات فرکانسی یک سنسور باند پهن در شکل زیر آمده‌است.
بسته‌به اینکه چگونه یک سنسور AE استفاده میشود یا شرایطی که در آن استفاده میشود، ممکن است دچار حساسیت و یا تغییرات در ویژگی های فرکانس شود، بنابراین این لازم است که سنسورها مورد ارزیابی قرارگرفته و کالیبره شوند.
در این راستا استانداردهایی تدوین شده‌است 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
