小型寬帶聲發射傳感器的製作方法

2023-07-29 03:35:36

專利名稱：小型寬帶聲發射傳感器的製作方法
技術領域：
本發明能夠診斷構件及材料內部有無裂紋、缺陷及其變化。特別適於刀具破損、磨損的實時檢測。屬於檢測診斷技術領域。
當前檢測技術中所用的聲發射傳感器，都與前置放大器配套使用。共有兩種結構形式。一種是前置放大器與傳感器均為獨立的產品。另一種是將兩者組合在一起構成一個整體，仍稱為傳感器。美國AET公司的FAC-500型寬帶聲發射傳感器屬於前者。其傳感器直徑為25.4毫米，高44.5毫米，重170克，前置放大器長140毫米，寬75毫米，高30毫米，重200克。由於用分立元件組裝，故體積大，使用很不方便。丹麥BK公司的8312型寬帶聲發射傳感器屬於後者。前置放大器由分立元件組裝。傳感器直徑41毫米，高25毫米，重82克。頻帶範圍100KHZ～1MHZ。通頻帶範圍小，幅頻特性曲線起伏大，相差15dB，重量、體積都大，安裝使用不便。
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足而提供的一種小型寬帶聲發射傳感器。
本發明用於檢測聲發射信號。該信號作用在傳感器彈性元件的感受點上。通過壓電元件轉換成電信號。經前置放大器予處理後輸出。壓電元件的材料基本為鋯鈦酸鉛，用鋇、鍶複合取代部分鉛，展寬了頻帶，提高了諧振點電壓。壓電材料的配方為PbxSryBaz(Zr0.54Ti0.46)O3，其中0.75≤X≤0.85，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1。改善了頻率、溫度特性，老化效果也好了。前置放大器為專門設計的具有低噪聲(≤7μV)、高阻抗輸入(≤200KΩ)、低阻抗輸出(＝50Ω)、帶寬分別為0～3.5MHZ和100KHZ～3.5MHZ。增益為40dB±3dB，雙列直插14根引腳金屬封裝的薄膜工藝混合集成電路。彈性元件設計成整體式，即膜片位於彈性元件的中部，且膜片外側中心有一個半球形感受部分，使其和彈性元件構成一個同心整體。有利於信號的傳遞。壓電元件的一個極化面用導電膠粘結在彈性元件內側膜片的中心，從另一個極化面焊引線連至前置放大器的信號輸入端。彈性元件內側臺階面焊共地端引線，並將其連到插座及前置放大器的地線端。前置放大器的正、負電源線和信號輸出線分別與插座的對應線相連。把焊好線的插座由殼體的遠孔端裝入殼體內並用螺帽固定在殼體的側面。然後把前置放大器裝入殼體中，在彈性元件的內側環檯面上塗膠後裝在殼體的遠孔端。最後給端蓋環臺面也塗膠封裝在殼體的另一端，即可實現本發明的目的。
本傳感器與現有技術相比具有如下優點1.小型寬帶聲發射傳感器整體結構設計合理、緊湊。彈性元件中部為膜片，其外側中部有個半球形感受點，形成一個同心整體。信號傳遞性能好，工藝性好。傳感器體積小(φ20×27毫米)、重量輕(＜30克)、通頻帶寬(0～2MHZ和100KHZ～2MHZ)、安裝使用方便。
2.為小型寬帶聲發射傳感器專門設計的前置放大器採用薄膜混合集成電路，線路簡單可靠、集成密度高，採用雙列直插14線金屬封裝，抗幹擾能力強。該前置放大器具有低噪聲(≤7μV)、高阻抗輸入(≤200KΩ)、低阻抗輸出(＝50Ω)、寬頻帶(0～3.5MHZ或100KHZ～3.5MHZ)，用戶還可根據需要在外部接入任意的高通濾波器以完成所需功能。在帶寬範圍內幅頻特性曲線平坦(±3dB)，功耗小(≤0.3W)，體積小，重量輕，全部元件國產化。
3.壓電元件材料的配方填補了聲發射壓電陶瓷材料的急缺。其性能穩定、轉換效率高。不僅展寬了頻帶，提高了頻率、溫度特性，老化特性、而且提高了靈敏度。
附圖的說明如下

圖1 小型寬帶聲發射傳感器結構2 前置放大器原理框3 前置放大器原理線路4 前置放大器典型幅頻特性曲線5 前置放大器14線引腳圖根據附圖結合實施例詳述如下圖1 小型寬帶聲發射傳感器由八個元件組成。壓電元件(2)用導電膠粘結在彈性元件(1)內側膜片的中央。在壓電元件2的上極化面焊導線(8)。導線(8)的另一頭與前置放大器(4)的信號輸入端相連。在彈性元件(1)內側臺階面上焊引線與插座(6)及前置放大器(4)的地線和機殼相接做為共地端。前置放大器(4)的正、負電源線及輸出信號線分別與插座(6)的正、負電源和信號輸出端相連。然後將插座(6)由殼體(3)距離側面孔遠的一端裝入殼體(3)內，用螺帽(7)將其固定在殼體(3)的側面。再把前置放大器(4)由殼體(3)的同一端裝入殼體(3)內。在彈性元件(1)的環臺面塗膠後裝在殼體(3)的同一端。最後將端蓋(5)環臺面塗膠封裝在殼體(3)的另一端。即可裝成小型寬帶聲發射傳感器。
圖2 前置放大器(4)集成電路由四部分組成。低噪聲高阻抗輸入放大器(9)是該集成電路的第一部分。它兼有放大和阻抗匹配雙重作用。截止頻率為100KHZ的高通濾波器(10)是為濾掉100KHZ以下的頻率成分而特意設置的。第二級放大器(11)是為滿足放大倍數為40dB而選用的一個低噪聲寬頻帶運算放大器。最後一部分是為低輸出阻抗匹配而設置的一個由四個半導體電晶體組成的射極跟隨器(12)。前置放大器(4)採用薄膜工藝混合集成電路，雙列直插14引腳金屬封裝。前置放大器(4)的信號輸入引腳是①，地線引腳⑤、輸出引腳⑦，正、負電源引腳⑩、⑥，運算放大器(11)的輸入引腳③，高通濾波器的輸入和輸出引腳分別為(13)和(12)，放大器(9)的輸出引腳為(14)，機殼引腳⑧，引腳②、④、⑨、(11)未用，最後這五個引腳在圖中未示出。將前置放大器(4)的引腳(14)與(13)焊在一起，引腳(12)與③焊接在一起。把正、負電源分別和引腳⑩和⑥接通，則前置放大器(4)的通頻帶為100KHZ～3.5MHZ。如把引腳(14)和③接通，再連通正、負電源，前置放大器(4)的工作頻率為0～3.5MHZ。還可根據需要在前置放大器(4)外部接入任意的濾波器以取代高通濾波器(10)，並接通正、負電源則完成所需功能。
圖3 前置放大器4的原理線路圖。半導體電晶體T1-T6，運算放大器Q，電阻R1-R15，電容C1-C7。前置放大器(4)的十四個引腳①-(14)，其中五個引腳⑧、②、④、⑨、(11)未示出。引腳①為前置放大器(4)的信號輸入腳。引腳⑤和⑧相連接地。引腳⑦為前置放大器(4)的信號輸出腳。正、負電源引腳分別為⑩、和⑥。引腳③為運算放大器(11)的輸入端。引腳(13)和(12)分別為高通濾波器(10)的輸入和輸出端。引腳(14)是放大器(9)的輸出端。把引腳(14)和(13)，(12)和③連接起來，接通正、負電源，則線路可實現工作頻帶100KHZ～3.5MHZ。把引腳(14)和③連通，線路的通頻帶為0～3.5MHZ。
圖4 前置放大器(4)的典型特性曲線圖中，上邊的曲線(13)是前置放器(4)不接入高通濾波器(10)時的幅頻特性曲線。其頻率範圍0～3.5MHZ。曲線(14)是前置放大器4接高通濾波器(10)的幅頻特性曲線。其通頻帶為100KHZ～3.5MHZ。兩條幅頻特性曲線(13和14)的增益均在40dB±2dB範圍之內。在通頻帶範圍內極為平坦。
圖 5 前置放大器(4)的14(①-(14))線引腳。其功能如下輸入引腳①，懸空引腳②，放大器(11)的輸入引腳③，引腳④懸空，引腳⑤接地，引腳⑥為負電源線，引腳⑦是輸出線，引腳⑧接機殼，引腳⑨懸空未用，引腳⑩是正電源，引腳(11)懸空，引腳(12)是濾波器(10)的輸出，引腳(13)高通濾波器(10)的輸入，引腳(14)是放大器(9)的輸出。
權利要求
1.本專利提供一種小型寬帶聲發射傳感器。它由殼體、彈性元件壓電元件、前置放大器、插座、螺帽、端蓋及導線組成。其特徵在於膜片位於彈性元件的中部，膜片外側有一個半球形感受點，並與彈性元件構成一個同心的整體。
2.根據權利要求1所述的小型寬帶聲發射傳感器，其特徵在於專門研製了一個採用薄膜工藝的混合集成電路的前置放大器。該電路採用雙列直插14線引腳金屬封裝。
3.根據權利要求1所述的小型寬帶聲發射傳感器，其特徵在於壓電元件的材料配方為PbxSryBaz(Zr0.54Ti0.46)O3，(0.75≤x≤0.85，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1)
全文摘要
本發明涉及一小型寬帶聲發射傳感器。屬檢測技術領域。由彈性元件、壓電元件、前置放大器、殼體、端蓋、插座等組成。檢測構件裂紋、缺陷及其變化過程，特別適於刀具破、磨損的實時檢測。彈性元件中部的膜片外側有一半球形感受點和其構成同心整體。信號傳遞性好。壓電元件基體鋯鈦酸鉛。由鋇鍶複合取代部分鉛，改善了幅頻特性。前放為低噪聲、高阻抗輸入、低阻抗輸出、寬頻帶薄膜混合集成電路。本發明設計合理，性能好、體積小、重量輕。
文檔編號G01N29/14GK1051087SQ90107288
公開日1991年5月1日 申請日期1990年8月26日 優先權日1990年8月26日
發明者張軻, 馮凱昉, 白伏兄, 王俊峰, 張根蘭, 馮濤, 蔡玉官, 李志俊, 孫泰仁, 王換竹, 馬保飛, 張西民 申請人:西北工業大學, 機械電子工業部第二一二研究所, 航空航天工業部七七一研究所