基于PMN-PT的宽带高灵敏双谐振式声发射传感器研究

宋 洋,唐正凯,史汝川,林 迪,韩 韬,罗骋韬

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240;2.中国科学院 上海硅酸盐研究所,上海 201800)

0 引言

局部放电现象会对电力设备绝缘造成极大危害[1-2]。声发射检测法是常用的检测方法之一,被用于检测局部放电产生的超声信号[3-4]。由于局部放电强度低(尖端放电的放电量不足10 pC),激发的超声波频带宽(为20～200 kHz且主要集中在100 kHz内),声发射传感器的灵敏度越高,带宽越大,则越利于准确检测并识别局部放电类型,所以需要声发射传感器具备高灵敏度(峰值灵敏度不小于60 V/(m·s-1))和大带宽(20～100 kHz)[5-6]。现有的基于压电陶瓷PZT的声发射传感器难以同时实现该灵敏度和带宽要求,因此需要开发新的设计方案。新型弛豫铁电单晶PMN-PT的机电耦合系数高(k33约为90%),可以提升传感器的灵敏度,被应用于多种类型的超声换能器中[7-9]。但是PMN-PT具有较高的机械品质因数(Qm约为150),不利于提升传感器带宽,且一般的添加背衬或多振动模态耦合的方法在提升带宽的同时会降低灵敏度,故而关于使用PMN-PT制备声发射传感器的报道较少,对于PMN-PT在应用时的振动模态、振子尺寸、传感器结构及工作稳定性等尚不清楚。针对上述问题,本文使用有限元(COMSOL)进行仿真模拟并结合实验验证,研制了基于PMN-PT的双谐振式声发射传感器,并与使用相同原理制备的基于PZT-5H传感器进行对比[5-6,10-11]。通过灵敏度标定、稳定性、温度特性及局部放电检测实验,证明基于PMN-PT的传感器性能优秀,能满足局部放电检测的需要。……