【摘 要】
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作为重要的结构健康检测器件,声发射传感器已广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源等工业技术的快速发展,许多工矿环境对声发射传感器的工作性能提出了更高的要求,迫切期望声发射传感器件能在高温环境中稳定地监测设备的运转状况。目前,国内商业化压电声发射传感器主要采用压电陶瓷作为核心灵敏元件进行制备,它们大都只能工作在中低温环境,不能满足高温应用需求,其主要原因是受居里温度的
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作为重要的结构健康检测器件,声发射传感器已广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源等工业技术的快速发展,许多工矿环境对声发射传感器的工作性能提出了更高的要求,迫切期望声发射传感器件能在高温环境中稳定地监测设备的运转状况。目前,国内商业化压电声发射传感器主要采用压电陶瓷作为核心灵敏元件进行制备,它们大都只能工作在中低温环境,不能满足高温应用需求,其主要原因是受居里温度的影响,高温下陶瓷材料的压电性能会大幅度降低,严重时直接导致器件失效。另外,采用氮化铝和稀土硼酸盐等压电晶体研制的声发射传感器虽然能在高温环境中工作,但受晶体材料自身压电活性低的限制,研制的声发射传感器检测灵敏度相对较低。与上述压电材料相比,铌酸锂晶体（LiNbO3,LN）不仅具有优异的压电性能,而且压电性能在宽温域范围内（20～500℃）较为稳定。因此,LN晶体在高温压电声发射传感器研制方面具有明朗的应用前景。本文选用了 LN晶体,通过压电矩阵计算、COMSOL有限元仿真并结合实验测试,设计得到了高温压电性能优异的最佳晶体切型,并利用最优切型试制了宽温域范围内具有高检测灵敏度的压电声发射传感器原型器件。主要研究工作如下:（1）根据LN晶体压电性能的各向异性,通过压电矩阵计算,得到了 LN晶体最大压电常数切型,分别对应d’15（XZt/28°,deff=80pC/N）和d’22（YX1/28°,deff=40pC/N）。进一步,利用COMSOL有限元仿真,通过压电频响分析,优化了切型尺寸比例,设计得到了兼具最大有效压电常数和低压电串扰的最优压电晶体元件。最后,通过实验测试,验证了上述压电灵敏元件的高温性能稳定性,获得了 LN晶体20～500℃范围内综合压电性能优异的最佳压电晶体切型。（2）设计了采用声发射理论对研制的声发射传感器原型器件进行灵敏度检测的研究方案;分析了Lamb波在介质中的传播特点,绘制了工业用7075铝合金和316不锈钢薄板中的Lamb波传播曲线;按照Hsu-Nielsen实验方法,在上述金属薄板中激励产生Lamb波,用于测试声发射传感器的工作灵敏度。（3）通过AEwin声发射检测系统、高温管式炉等设备,自行搭建了高温声发射传感器测试系统。利用设计得到的最优压电灵敏切型,研制了切变式和压缩式声发射传感器原型器件,并在宽温域范围内对研制的声发射传感器性能进行了实验测试。对于切变式声发射传感器,室温下（20℃）,传感器接收到Lamb波信号的峰-峰值为69.8 mV,信噪比为31.1 dB;在500℃高温时,信号峰-峰值和信噪比分别为41.3 mV和22.8 dB。对于压缩式声发射传感器,室温下信号的峰-峰值为65.4mV,信噪比为36.4 dB;在800℃高温时,峰-峰值和信噪比仍可达14.4 mV和23.6 dB,高于商业化声发射传感器信噪比应用要求（＞6dB）。从性能方面看,所研制的两种器件在高温结构健康检测领域具有潜在的应用价值。
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