實(shí)驗(yàn)名稱：超聲導(dǎo)波換能器的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模褐鲃?dòng)式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)信號(hào)，傳感器接收響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在役工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)剩余壽命評(píng)估和故障診斷。壓電式超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(shí)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與傳感器。但是作為驅(qū)動(dòng)器的壓電振子，如PZT，通常具有多種振動(dòng)模態(tài)，產(chǎn)生的導(dǎo)波較為復(fù)雜，給后續(xù)的信號(hào)處理造成困難。用于SHM的壓電傳感器會(huì)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(shí)驗(yàn)中以質(zhì)輕、柔韌的P(VDF-TrFE)材料作為傳感器，測(cè)試其接收超聲導(dǎo)波的能力，并設(shè)計(jì)叉指型的超聲導(dǎo)波換能器，激勵(lì)特定波長(zhǎng)的導(dǎo)波，對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行了深入的分析。

測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

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

實(shí)驗(yàn)利用可視化程度高的軟件實(shí)現(xiàn)一定頻率的脈沖波調(diào)制，并將正弦脈沖信號(hào)導(dǎo)入函數(shù)發(fā)生器，作為信號(hào)源。在輸出信號(hào)時(shí)，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(lì)超聲導(dǎo)波，造成超聲導(dǎo)波信號(hào)的疊加，對(duì)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(gè)信號(hào)源，其中BNC接頭直接連接示波器作為參考信號(hào)，放大過(guò)后的電壓信號(hào)經(jīng)橡膠頭連接壓電元件，施加高壓脈沖信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)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(guò)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(hào)的真實(shí)性，調(diào)節(jié)電平的大小以獲得穩(wěn)定的接收信號(hào)。此外，在設(shè)備連接過(guò)程中應(yīng)該注意，為實(shí)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(fù)載的輸入阻抗相匹配。測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試過(guò)程如圖1所示。

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

首先，使用PZT陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)元件，以ＰP(VDF-TrFE)為傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(chǎng)與固體力學(xué)的耦合物理場(chǎng)，進(jìn)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(gè)峰對(duì)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(shí)驗(yàn)中選用直徑為8mm，厚度為0.4mm的圓形薄片。通過(guò)仿真結(jié)果可以直觀地觀測(cè)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(shí)它的振動(dòng)模態(tài)為徑向雙元振動(dòng)，沿著徑向發(fā)生收縮與伸長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：300kHz的正弦脈沖波激勵(lì)PZT圓片產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的位移場(chǎng)（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(hào)激勵(lì)下，PZT作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)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