引言
聲發射傳感器靈敏度的校準是聲發射檢測技術領域的重要內容。ISO把聲發射傳感器的校準分為一級校準和二級校準。一級校準常用的方法有Breckenridge．F．R的階躍脈沖法 和Hajime Ha．tano的互易法 ，而把表面波比較法作為聲發射傳感器的二級校準方法 �；诒砻娌ǖ谋容^校準方法通過比較參考傳感器和待檢傳感器對同一模擬聲源的頻域響應，利用參考傳感器的靈敏度對待檢傳感器的頻域響應進行修正，從而得到待檢傳感器的靈敏度 。本文在原有比較校準法的基礎上，使用更加接近無限大聲場的鋼制試塊作為模擬聲場，并對模擬聲源進行優化。
1 校準系統
由于比較法需要用鋼制試塊模擬一個近似的無限大的表面波聲場，盡可能地避免反射波的影響。這就要求鋼制圓柱形試塊的高度和上表面直徑要盡可能大些。因此，本文在ISO標準的基礎上，用一個更大尺寸(直徑800mm，高度400mm)、上表粗糙度更小的圓柱形鍛鋼作為表面波聲場傳播介質，在566ºC或更高溫度進行應力釋放，其上表面RMS粗糙度≤1 m。
在ISO標準和GB標準中，校準中使用的聲發射源都是通過玻璃棒壓斷毛細玻璃管來實現的。而本文在研究過程中發現，國內生產的毛細玻璃管存在外徑和內徑均具有較大偏差，同一根玻璃管粗細不均等問題，其聲發射信號重復性較差。而使用壓斷直徑為0.5mm 自動鉛筆芯的方法產生的聲發射信號具有較好的重復性 ，其最大幅值的不確定度為1dB，上升時間的不確定度為1.57 μs。本文對聲源進一步優化，確定使用直徑0.3mm自動鉛筆芯的斷裂作為聲發射源，其最大幅值的不確定度為0.92dB，上升時間的不確定度為0.86μs。斷裂長度為3mm，鉛芯與鍛鋼平面成30º角。
校準系統由裝有PAC PCI一2(18bit)信號采集卡的計算機，其采樣頻率最高為10MHz，參考傳感器R15standard(DD01)，PAC 20／40／60 dB前置放大器，上表面光滑的鋼制試塊(直徑800mm，高度400mm)，電纜等，校準系統的框圖如圖1所示。
軟件方面，本文在LabVIEW 8．2平臺上，利用相關控件、函數編寫了比較法校準程序，實現對采集卡的參數設置、采集控制、數據處理分析及存儲、生成報告等功能。在校準過程中，操作人員只要設定校準參數，然后手工壓斷鉛芯即可。比較法校準程序如圖2所示。
檢定與校準
圖2 比較法校準程序
在比較法校準中，PCI一2采集卡雙通道中的每一個通道采集記錄的原始波形數據是由1024(1k)個18bit的數據組成，采樣頻率是10MHz，即采樣間隔0.1 μs。因此數據記錄的總長度T=102.4 μs。從試塊底部反射回來的縱波，在觸發采集卡記錄波形77μ s后到達傳感器。由于參考傳感器與待檢傳感器是位于試塊圓形平面的直徑上，并且與圓心的距離，也就是聲源的距離均為100mm。所以，兩個傳感器接收到的波幾乎是一樣的 ]，因此可以忽略反射波對校準的影響。
對參考傳感器R和待檢傳感器u的電信號輸出進行采樣，并通過快速傅里葉變換(FFT)，得到二者的復值頻譜R(f )和U (f )。頻率間隔是1／T== 9.76kHz。
這里R。（f）表示頻率f為時，參考傳感器R的復值響應，其值來自對參考傳感器R的一級校準。R。（f）和 U。（f）單位是V／m，通常換算成dB來表示。這樣就得到待檢傳感器U的靈敏度U。（f） 。頻率間隔是1／T=9.76kHz。
實驗過程中，為了減少重復安裝和耦合劑對校準結果的影響，本文使用質量相同的砝碼壓在參考傳感器和待檢傳感器上，以保證對兩只傳感器相同的壓緊力。
2 校準結果
以R15(Standard)DD01聲發射傳感器作為參考傳感器，它是諧振頻率為150kHz的壓電型傳感器，其靈敏度數據由PAC提供，校準數據可溯源至美國國家標準技術研究院，分別對PAC公司的R15VC93傳感器和聲華公司的SR150 61314傳感器進行校準。
對SR150 61314傳感器，本文進行了l0次比較法校準，其校準得到的靈敏度曲線如圖3所示(圖中縱坐標用dB ref 1V／(m／s)表示頻率點的幅值，dB=201g(A／B)，其參考量B為1V／(m／s)，即傳感器對1m／s的位移速度產生1V電壓信號， 為傳感器靈敏度)。其相對偏差在0～1MHz的范圍內是10.25％ ，而在100～500kHz的范圍內是0.50％ 。
對R15 VC93傳感器，同樣進行了10次比較法校準，其校準得到的靈敏度曲線如圖4所示。其相對偏差在0—1MHz的范圍內是8.46％ ，而在100—500kHz的范圍內是0.47％ 。
從校準結果上看，本文實現的比較校準法對聲發射傳感器的校準達到了較好的重復性和穩定性，校準結果顯示在傳感器的諧振頻率范圍內，校準的不確定度較小。在600kHz以上的高頻段，由于斷鉛信號的高頻分量不足等原因，比較法校準結果的重復性不夠理想，需要在以后的工作中進一步完善。
3 總結
本文根據聲發射傳感器的比較法校準原理，構建了比較法校準系統，并優化了聲發射源和聲場，控制耦合等影響因素，實現了傳感器表面波靈敏度的比較法校準。通過試驗得到諧振型聲發射傳感器的靈敏度曲線，具有較好的重復性和穩定性。
作者:李大字 黃山 何龍標
(1．北京化工大學，北京100029；2．中國計量科學研究院，北京100013)
鵬翔新聞
