實驗名稱：超聲(sheng)導(dao)波換能器的實驗研(yan)究

　　實(shi)驗(yan)目的(de)(de)(de)(de)：主動(dong)式結(jie)(jie)構(gou)健康監測(ce)(ce)(ce)采用驅(qu)動(dong)器(qi)對結(jie)(jie)構(gou)施加激勵信(xin)號，傳(chuan)感器(qi)接收響應(ying)信(xin)號，實(shi)現對在役工(gong)程結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)實(shi)時在線監測(ce)(ce)(ce)，有(you)效(xiao)地(di)進行結(jie)(jie)構(gou)剩余壽命(ming)評估和故障診斷(duan)。壓(ya)電式超聲導(dao)波(bo)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方法(fa)是(shi)目前應(ying)用廣泛且非常有(you)前景的(de)(de)(de)(de)方法(fa)，由于(yu)壓(ya)電材料的(de)(de)(de)(de)正、逆壓(ya)電效(xiao)應(ying)，壓(ya)電元(yuan)件(jian)可以(yi)同(tong)時充當驅(qu)動(dong)器(qi)與傳(chuan)感器(qi)。但是(shi)作為(wei)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電振(zhen)子，如PZT，通常具(ju)有(you)多種(zhong)振(zhen)動(dong)模態，產生的(de)(de)(de)(de)導(dao)波(bo)較為(wei)復(fu)雜，給后續的(de)(de)(de)(de)信(xin)號處(chu)理造成(cheng)困難。用于(yu)SHM的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)會(hui)永久(jiu)性地(di)部署在結(jie)(jie)構(gou)上，理想的(de)(de)(de)(de)材料是(shi)具(ju)有(you)低輪廓且符合(he)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)。本實(shi)驗(yan)中以(yi)質輕(qing)、柔韌的(de)(de)(de)(de)P(VDF-TrFE)材料作為(wei)傳(chuan)感器(qi)，測(ce)(ce)(ce)試其接收超聲導(dao)波(bo)的(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)，并設計(ji)叉指(zhi)型的(de)(de)(de)(de)超聲導(dao)波(bo)換能(neng)器(qi)，激勵特定波(bo)長(chang)的(de)(de)(de)(de)導(dao)波(bo)，對導(dao)波(bo)信(xin)號進行了深(shen)入的(de)(de)(de)(de)分析。

　　測試設備(bei)：ATA-2161高壓放大器、函(han)數發生(sheng)器，壓電元件、示波器、被測結構(gou)等(deng)。

　　實驗過程：

　　圖1：用于結構健(jian)康檢(jian)測(ce)的(de)超(chao)聲導(dao)波換能器與(yu)測(ce)試流程圖

　　實驗利用可(ke)視化(hua)(hua)程(cheng)度(du)高(gao)的(de)(de)(de)軟件(jian)(jian)實現一定(ding)頻率的(de)(de)(de)脈(mo)沖波(bo)調制，并將正弦脈(mo)沖信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)導(dao)入函(han)數發(fa)生(sheng)器(qi)，作為(wei)(wei)(wei)(wei)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)源。在(zai)輸(shu)出(chu)(chu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)時，函(han)數發(fa)生(sheng)器(qi)調節(jie)為(wei)(wei)(wei)(wei)脈(mo)沖模式(shi)，猝發(fa)周期調整為(wei)(wei)(wei)(wei)10ms，目的(de)(de)(de)是避(bi)免連(lian)續地激勵超聲導(dao)波(bo)，造成(cheng)超聲導(dao)波(bo)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)疊加，對后(hou)續分析造成(cheng)干擾。函(han)數發(fa)生(sheng)器(qi)連(lian)接(jie)(jie)(jie)ATA-2161高(gao)壓放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)，高(gao)壓放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)中引(yin)出(chu)(chu)兩個(ge)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)源，其(qi)中BNC接(jie)(jie)(jie)頭(tou)直接(jie)(jie)(jie)連(lian)接(jie)(jie)(jie)示(shi)波(bo)器(qi)作為(wei)(wei)(wei)(wei)參考信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)，放(fang)大(da)(da)(da)過后(hou)的(de)(de)(de)電(dian)壓信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)經橡膠頭(tou)連(lian)接(jie)(jie)(jie)壓電(dian)元件(jian)(jian)，施加高(gao)壓脈(mo)沖信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)，在(zai)實驗中設置(zhi)脈(mo)沖波(bo)的(de)(de)(de)峰－峰值(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)4V，高(gao)壓放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)的(de)(de)(de)放(fang)大(da)(da)(da)倍數為(wei)(wei)(wei)(wei)25倍。使(shi)用紫外(wai)(wai)光固化(hua)(hua)膠粘劑連(lian)接(jie)(jie)(jie)導(dao)線(xian)與(yu)壓電(dian)元件(jian)(jian)，在(zai)此(ci)過程(cheng)中應(ying)注意避(bi)免接(jie)(jie)(jie)觸(chu)不(bu)緊(jin)密導(dao)致短(duan)路(lu)的(de)(de)(de)情(qing)況。示(shi)波(bo)器(qi)的(de)(de)(de)采樣頻率設置(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)10k，可(ke)以(yi)(yi)保證接(jie)(jie)(jie)收信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)真實性，調節(jie)電(dian)平的(de)(de)(de)大(da)(da)(da)小以(yi)(yi)獲得穩定(ding)的(de)(de)(de)接(jie)(jie)(jie)收信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)。此(ci)外(wai)(wai)，在(zai)設備連(lian)接(jie)(jie)(jie)過程(cheng)中應(ying)該注意，為(wei)(wei)(wei)(wei)實現設備功率的(de)(de)(de)最大(da)(da)(da)化(hua)(hua)，應(ying)保持電(dian)流源的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)阻抗(kang)與(yu)負載(zai)的(de)(de)(de)輸(shu)入阻抗(kang)相匹配。測(ce)(ce)試平臺及測(ce)(ce)試過程(cheng)如圖1所示(shi)。

　　圖(tu)2：仿真(zhen)PZT圓片的阻抗圖(tu)譜。插圖(tu)為300kHz時PZT的徑向伸縮振動模態(tai)示(shi)意(yi)圖(tu)

　　首(shou)先，使用(yong)PZT陶瓷(ci)(ci)片(pian)作為(wei)(wei)(wei)驅動(dong)元(yuan)件，以ＰP(VDF-TrFE)為(wei)(wei)(wei)傳感(gan)器進行實(shi)驗。壓電(dian)陶瓷(ci)(ci)的(de)(de)最(zui)優工作頻(pin)率在諧(xie)(xie)振頻(pin)率附近(jin)。利(li)用(yong)軟(ruan)件，選擇靜電(dian)場與固體力學的(de)(de)耦合物(wu)理場，進行頻(pin)域分析，得到(dao)在0~1MHz頻(pin)域下(xia)(xia)的(de)(de)阻(zu)抗圖(tu)(tu)譜。在頻(pin)域范圍內出現三(san)組諧(xie)(xie)振峰(feng)，圖(tu)(tu)2中(zhong)的(de)(de)兩(liang)個峰(feng)對(dui)應(ying)PZT的(de)(de)諧(xie)(xie)振與反(fan)諧(xie)(xie)振頻(pin)率，其余兩(liang)組諧(xie)(xie)振峰(feng)處于較高(gao)頻(pin)率，且諧(xie)(xie)振峰(feng)較小，因(yin)此(ci)主要(yao)關(guan)(guan)注的(de)(de)是500kHz以下(xia)(xia)的(de)(de)這組諧(xie)(xie)振峰(feng)。諧(xie)(xie)振頻(pin)率的(de)(de)大小與壓電(dian)振子本身的(de)(de)尺(chi)寸(cun)密(mi)切相關(guan)(guan)，實(shi)驗中(zhong)選用(yong)直徑(jing)(jing)為(wei)(wei)(wei)8mm，厚(hou)度為(wei)(wei)(wei)0.4mm的(de)(de)圓形薄片(pian)。通過仿真結果可(ke)以直觀地(di)觀測到(dao)諧(xie)(xie)振頻(pin)率下(xia)(xia)壓電(dian)振子的(de)(de)應(ying)變情況，如(ru)圖(tu)(tu)2的(de)(de)插(cha)圖(tu)(tu)中(zhong)所示，此(ci)時它(ta)的(de)(de)振動(dong)模態為(wei)(wei)(wei)徑(jing)(jing)向雙元(yuan)振動(dong)，沿著徑(jing)(jing)向發生收縮(suo)與伸長。

　　實驗結果：

　　圖3：300kHz的(de)正(zheng)弦脈沖波(bo)激勵PZT圓(yuan)片產生(sheng)超聲導波(bo)的(de)位(wei)移(yi)場（a）X、（b）Y、（c）Z方向的(de)分量以及（d）總位(wei)移(yi)

　　使用軟件(jian)建立PZT和304不銹(xiu)鋼板的(de)(de)三維仿真(zhen)模型，得到300kHz弦(xian)脈沖信號激(ji)勵下，PZT作為驅(qu)動器(qi)產生的(de)(de)超(chao)聲導(dao)波(bo)在固(gu)體介質中的(de)(de)傳播情況，如圖3。在極(ji)化方向(xiang)上(shang)施加(jia)電壓，PZT的(de)(de)壓電響應模態d31、d32、d33，在1方向(xiang)和2方向(xiang)具有相同(tong)(tong)的(de)(de)物理特性(xing)，產生同(tong)(tong)樣的(de)(de)位(wei)移，在3方向(xiang)產生的(de)(de)形變是(shi)(shi)垂直(zhi)平板大面的(de)(de)離面位(wei)移，因此在Z方向(xiang)產生的(de)(de)位(wei)移是(shi)(shi)全(quan)向(xiang)型的(de)(de)。其總位(wei)移為各向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)，PZT圓片可以作為全(quan)向(xiang)型的(de)(de)驅(qu)動器(qi)。

　　高壓放大器推薦：ATA-2161

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

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