實驗名稱：超聲導(dǎo)波換能器的實驗研究

實驗?zāi)康模褐鲃邮浇Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測采用驅(qū)動器對結(jié)構(gòu)施加激勵信號，傳感器接收響應(yīng)信號，實現(xiàn)對在役工程結(jié)構(gòu)的實時在線監(jiān)測，有效地進行結(jié)構(gòu)剩余壽命評估和故障診斷。壓電式超聲導(dǎo)波檢測方法是目前應(yīng)用廣泛且非常有前景的方法，由于壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)，壓電元件可以同時充當(dāng)驅(qū)動器與傳感器。但是作為驅(qū)動器的壓電振子，如PZT，通常具有多種振動模態(tài)，產(chǎn)生的導(dǎo)波較為復(fù)雜，給后續(xù)的信號處理造成困難。用于SHM的壓電傳感器會永久性地部署在結(jié)構(gòu)上，理想的材料是具有低輪廓且符合結(jié)構(gòu)的傳感器。本實驗中以質(zhì)輕、柔韌的P(VDF-TrFE)材料作為傳感器，測試其接收超聲導(dǎo)波的能力，并設(shè)計叉指型的超聲導(dǎo)波換能器，激勵特定波長的導(dǎo)波，對導(dǎo)波信號進行了深入的分析。

測試設(shè)備：ATA-2161高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器，壓電元件、示波器、被測結(jié)構(gòu)等。

實驗過程：

圖1：用于結(jié)構(gòu)健康檢測的超聲導(dǎo)波換能器與測試流程圖

實驗利用可視化程度高的軟件實現(xiàn)一定頻率的脈沖波調(diào)制，并將正弦脈沖信號導(dǎo)入函數(shù)發(fā)生器，作為信號源。在輸出信號時，函數(shù)發(fā)生器調(diào)節(jié)為脈沖模式，猝發(fā)周期調(diào)整為10ms，目的是避免連續(xù)地激勵超聲導(dǎo)波，造成超聲導(dǎo)波信號的疊加，對后續(xù)分析造成干擾。函數(shù)發(fā)生器連接ATA-2161高壓放大器，高壓放大器中引出兩個信號源，其中BNC接頭直接連接示波器作為參考信號，放大過后的電壓信號經(jīng)橡膠頭連接壓電元件，施加高壓脈沖信號，在實驗中設(shè)置脈沖波的峰－峰值為4V，高壓放大器的放大倍數(shù)為25倍。使用紫外光固化膠粘劑連接導(dǎo)線與壓電元件，在此過程中應(yīng)注意避免接觸不緊密導(dǎo)致短路的情況。示波器的采樣頻率設(shè)置為10k，可以保證接收信號的真實性，調(diào)節(jié)電平的大小以獲得穩(wěn)定的接收信號。此外，在設(shè)備連接過程中應(yīng)該注意，為實現(xiàn)設(shè)備功率的最大化，應(yīng)保持電流源的輸出阻抗與負載的輸入阻抗相匹配。測試平臺及測試過程如圖1所示。

圖2：仿真PZT圓片的阻抗圖譜。插圖為300kHz時PZT的徑向伸縮振動模態(tài)示意圖

首先，使用PZT陶瓷片作為驅(qū)動元件，以ＰP(VDF-TrFE)為傳感器進行實驗。壓電陶瓷的最優(yōu)工作頻率在諧振頻率附近。利用軟件，選擇靜電場與固體力學(xué)的耦合物理場，進行頻域分析，得到在0~1MHz頻域下的阻抗圖譜。在頻域范圍內(nèi)出現(xiàn)三組諧振峰，圖2中的兩個峰對應(yīng)PZT的諧振與反諧振頻率，其余兩組諧振峰處于較高頻率，且諧振峰較小，因此主要關(guān)注的是500kHz以下的這組諧振峰。諧振頻率的大小與壓電振子本身的尺寸密切相關(guān)，實驗中選用直徑為8mm，厚度為0.4mm的圓形薄片。通過仿真結(jié)果可以直觀地觀測到諧振頻率下壓電振子的應(yīng)變情況，如圖2的插圖中所示，此時它的振動模態(tài)為徑向雙元振動，沿著徑向發(fā)生收縮與伸長。

實驗結(jié)果：

圖3：300kHz的正弦脈沖波激勵PZT圓片產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的位移場（a）X、（b）Y、（c）Z方向的分量以及（d）總位移

使用軟件建立PZT和304不銹鋼板的三維仿真模型，得到300kHz弦脈沖信號激勵下，PZT作為驅(qū)動器產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波在固體介質(zhì)中的傳播情況，如圖3。在極化方向上施加電壓，PZT的壓電響應(yīng)模態(tài)d31、d32、d33，在1方向和2方向具有相同的物理特性，產(chǎn)生同樣的位移，在3方向產(chǎn)生的形變是垂直平板大面的離面位移，因此在Z方向產(chǎn)生的位移是全向型的。其總位移為各向同性，PZT圓片可以作為全向型的驅(qū)動器。

高壓放大器推薦：ATA-2161

圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇