基于[001]纹理Mn-PMN-PZT压电陶瓷的宽带共振声发射传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Broadband resonant acoustic emission sensor based on [001]-textured Mn-PMN-PZT piezoelectric ceramics

　　

卢森|高书国|李宇文|刘浩宇|李天然|胡立清|严永科

国家电网河北电力研究院，石家庄050021，中国

摘要

由于具有较高的压电常数和较大的机电耦合系数，纹理化压电陶瓷正成为下一代高性能声发射（AE）传感器的新材料。在这项工作中，我们基于传统的非纹理化PZT-5A陶瓷和新型开发的纹理化Mn-PMN-PZT陶瓷（分别称为AE_U和AE_T）设计了并制造了AE传感器。使用有限元方法研究了长宽比（G = l/t）对共振特性和机电行为的影响，结果表明当G k_eff为0.87–0.89），远高于非纹理化组件的耦合系数（k_eff = 0.67）。根据这些结果，AE_U和AE_T采用相同的几何形状（l = 6?mm, t?=?8?mm, G = 0.75）进行制造以便直接比较。灵敏度测量显示AE_T的峰值灵敏度达到71.8?dB，?10?dB带宽为173?kHz（带宽范围为56–229?kHz），分别比AE_U提高了约3.5?dB和73?kHz。在变压器局部放电（PD）测试中，AE_T产生的输出电压幅度约为AE_U的2.8倍，且没有漏检或误检现象，显示出更好的检测能力。这些发现突显了使用高性能纹理化压电陶瓷替代传统PZT在AE传感器开发中的优势，并为电力电子设备的健康监测提供了有前景的材料和器件设计。

引言

电力变压器是电力传输网络中的关键组成部分，其运行状态直接关系到整个电力系统的安全和稳定性[1]、[2]、[3]。局部放电（PD）是绝缘退化的重要前兆，其可靠检测对于变压器状态评估和早期故障预警至关重要[4]、[5]、[6]、[7]。基于声发射（AE）的PD监测已成为主要的诊断方法之一，因为它具有高灵敏度、快速响应和对电磁干扰的强抗性[8]、[9]、[10]。

电力变压器内部产生的声发射信号通常具有较宽的频率范围，主要分布在50–200?kHz范围内，信号强度相对较低，通常小于10 pC[11]、[12]、[13]。这些特性对AE传感器提出了严格要求，传感器必须具备足够的灵敏度来检测微弱信号，同时提供足够宽的 operating bandwidth 以确保准确和完整的信号采集[11]。

为了提高AE传感器的带宽，已经提出了多种优化策略。张等人报告称，使用具有高声学衰减的背衬材料可以有效拓宽传感器的带宽[14]。李等人[15]和王等人[16]进一步研究了不同质量分数的钨-环氧复合背衬，发现50%钨含量的背衬具有最宽的带宽。Heinouhi等人通过激发压电元件在多种振动模式下工作，实现了多模态耦合[17]。宋等人引入了双共振结构，实现了76.4?dB的高灵敏度和130?kHz（20–150?kHz）的宽带宽，其中两个共振峰的耦合对带宽的提高起到了重要作用[13]。然而，这些方法主要集中在修改传感器结构或激发机制上，而不是提高压电材料本身的性能[18]。

大量研究表明，AE传感器的灵敏度与压电材料的压电系数密切相关。AE传感器在其共振频率f_r附近通常表现出较高的灵敏度，而在反共振频率f_a附近灵敏度降低[19]、[20]。因此，AE传感器的带宽主要由f_r和f_a之间的频率区间决定，这本质上受压电材料的机电耦合系数k的控制[21]。因此，提高压电材料的压电系数和机电耦合系数对于提升AE传感器的性能至关重要。此前，AE传感器主要使用随机取向的锆钛酸铅（PZT）陶瓷制造，其压电常数（d₃₃）和纵向机电耦合系数（k₃₃）受到各向同性晶粒结构的限制[22]。宋等人使用高性能的PMN-PT单晶制造了声发射传感器，显著提高了传感器性能[13]。然而，单晶材料的高成本、高加工难度和性能均匀性较差限制了其大规模工程应用。

近期在纹理化铁电陶瓷方面的进展，结合了低成本传统陶瓷和高性能单晶的优点，为解决这些限制提供了变革性的机会[23]、[24]。通过沿特定晶体学方向的晶粒排列，特别是通过模板晶粒生长实现的[001]方向，研究人员开发出了具有优异压电性能的纹理化陶瓷[25]、[26]、[27]。值得注意的是，掺锰的PMN-PT陶瓷在纹理化后表现出显著的压电各向异性，d₃₃从223 pC/N增加到984 pC/N，压电电压常数（g₃₃）从31.4?mV·m/N增加到42.4?mV·m/N，k₃₃从0.70增加到0.89[28]、[29]。这些压电系数和机电耦合因子的显著改进表明了纹理化技术在优化铁电性能方面的潜力[30]。

目前，纹理化陶瓷在AE传感器的开发和制造中尚未得到广泛探索。在这项研究中，使用了纹理化的Mn-PMN-PZT陶瓷作为压电元件，以同时提高AE传感器的灵敏度和带宽。通过有限元方法（FEM）研究了陶瓷尺寸属性对振动特性和机电行为的影响。根据这些结果，基于纹理化Mn-PMN-PZT陶瓷和传统非纹理化PZT-5A陶瓷制造了AE传感器，并进行了灵敏度校准测试和变压器PD模拟实验以评估这些传感器的性能。这项工作为高性能AE传感器的设计提供了一种新方法，并促进了纹理化压电陶瓷在电力设备状态监测中的应用。

章节片段

纹理化陶瓷的制备

[001]-纹理化的0.4Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.25PbZrO₃-0.35PbTiO₃-0.5%MnO₂（Mn-PMN-PZT）陶瓷是通过模板晶粒生长（TGG）方法合成的，使用了2?vol%的BaTiO₃模板。制备过程中使用了高纯度的原材料，包括PbO（99.9%）、MgO（99.8%）、Nb₂O₅（99.9%）、ZrO₂（99.9%）和TiO₂（99.9%）。纹理化陶瓷是通过 tape casting 技术制备的，其中将2?vol%的BaTiO₃模板微晶掺入浆料中。

结果与讨论

压电陶瓷的有限元模型如图3(a)所示。为了后续分析的清晰性，陶瓷柱体的长度定义为l沿x方向，宽度定义为w沿y方向，厚度定义为t沿z方向。陶瓷沿厚度（z）方向极化。选择合适的振动模式对于实现高灵敏度至关重要，因为压电陶瓷的机电耦合能力在不同方向上差异显著

结论

我们基于传统的非纹理化PZT-5A陶瓷和新型开发的纹理化Mn-PMN-PZT陶瓷（分别称为AE_U和AE_T）设计并制造了AE传感器。系统研究了压电材料属性与传感器性能之间的关系。使用有限元方法研究了长宽比（G = l/t）对共振特性和机电行为的影响，结果表明当G

CRediT作者贡献声明

严永科：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取。 胡立清：监督，方法论。 李宇文：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论，研究。 高书国：资金获取。 刘浩宇：软件。 卢森：项目管理。 卢森：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家电网河北电力有限公司的科学技术项目（KJ2024-041）的支持。

卢森是国家电网河北电力研究院的高级工程师。他于2014年从上海交通大学获得电气工程硕士学位，主要从事电力变压器的状态监测和评估研究。