声发射(Acoustic emission,AE)技术作为一种动态无损检测手段,主要实现对材料产生的缺陷进行动态监测及损伤位置的预测。目前用于AE监测的传感器大多数是压电材料的谐振式或宽频带传感器,具有响应速度快、灵敏度高、使用方便等优点,然而传统的传感器将同时检测所有方向应力波,不具备测定特定方向应力波的能力,不能分辨不同方向的AE信号。针对上述问题,为实现对工程结构裂纹的三维动态位移检测,设计了一种新型三维微机电系统声发射传感器。主要研究内容如下:(1)建立三维声发射传感器的三种等效模型并进行理论分析。在平行板电容模型中,分析了z方向传感单元的电容、塌陷电压、阻尼和灵敏度等参数;采用等效电路模型,计算z方向传感单元的输出电压;通过薄膜振动模型,研究了z方向传感单元的谐振点处位移、谐振频率等参数。(2)三维声发射传感器的设计。根据所需的响应频率和加工工艺等,确定三个传感单元的极板厚度、弹簧尺寸和极板间的间隙等参数;使用SolidWorks软件建立三维声发射传感器模型,主要包括x、y、z三个方向响应的传感单元模型;为了检测三个正交方向上的声发射信号并使传感单元面积减少,采用CAD软件对三维声发射传感器进行阵列布局设计;对传感器的制备工艺进行优化设计。(3)采用ANSYS Workbench软件对三维传感模型进行仿真分析。基于三维声发射传感器的理论分析和结构设计结果,对z方向响应传感单元进行模态和谐响应分析,得到的传感单元最大偏转位移和谐振频率均在设计要求范围内;对x、y方向响应的传感单元分别进行模态和谐响应分析,得到的仿真模拟值与理论值吻合较好,验证了结构设计的合理性,同时得到了在x、y方向响应的传感单元可以有效地将所需x、y方向的机械响应和不需要的z方向的机械响应隔离开来。(4)通过LabVIEW软件实现三维声发射传感器信号采集系统的上位机软件编程。以LabVIEW为平台,结合三维声发射传感器的特征,建立多通道同步采集的信号采集系统,包括模拟信号发生、信号采集、波形分析、数据储存及信号回放的设计及程序编写。对所设计的信号采集系统进行测试,以仿真信号作为输入,测试结果表明,所设计的信号采集系统可以满足三维声发射传感器的信号采集及分析功能。