實驗名稱：超聲導波換能器的實驗研究

實驗目的：主動式結構健康監測采用驅動器對結構施加激勵信號，傳感器接收響應信號，實現對在役工程結構的實時在線監測，有效地進行結構剩余壽命評估和故障診斷。壓電式超聲導波檢測方法是目前應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，壓電元件可以同時充當驅動器與傳感器。但是作為驅動器的壓電振子，如PZT，通常具有多種振動模態，產生的導波較為復雜，給后續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構上，理想的材料是具有低輪廓且符合結構的傳感器。本實驗中以質輕、柔韌的P(VDF-TrFE)材料作為傳感器，測試其接收超聲導波的能力，并設計叉指型的超聲導波換能器，激勵特定波長的導波，對導波信號進行了深入的分析。

測試設備：ATA-2161高壓放大器、函數發生器，壓電元件、示波器、被測結構等。

實驗過程：

圖1：用于結構健康檢測的超聲導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一定頻率的脈沖波調制，并將正弦脈沖信號導入函數發生器，作為信號源。在輸出信號時，函數發生器調節為脈沖模式，猝發周期調整為10ms，目的是避免連續地激勵超聲導波，造成超聲導波信號的疊加，對后續分析造成干擾。函數發生器連接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橡膠頭連接壓電元件，施加高壓脈沖信號，在實驗中設置脈沖波的峰－峰值為4V，高壓放大器的放大倍數為25倍。使用紫外光固化膠粘劑連接導線與壓電元件，在此過程中應注意避免接觸不緊密導致短路的情況。示波器的采樣頻率設置為10k，可以保證接收信號的真實性，調節電平的大小以獲得穩定的接收信號。此外，在設備連接過程中應該注意，為實現設備功率的最大化，應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示意圖

首先，使用PZT陶瓷片作為驅動元件，以ＰP(VDF-TrFE)為傳感器進行實驗。壓電陶瓷的最優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。在頻域范圍內出現三組諧振峰，圖2中的兩個峰對應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，實驗中選用直徑為8mm，厚度為0.4mm的圓形薄片。通過仿真結果可以直觀地觀測到諧振頻率下壓電振子的應變情況，如圖2的插圖中所示，此時它的振動模態為徑向雙元振動，沿著徑向發生收縮與伸長。

實驗結果：

圖3：300kHz的正弦脈沖波激勵PZT圓片產生超聲導波的位移場（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作為驅動器產生的超聲導波在固體介質中的傳播情況，如圖3。在極化方向上施加電壓，PZT的壓電響應模態d31、d32、d33，在1方向和2方向具有相同的物理特性，產生同樣的位移，在3方向產生的形變是垂直平板大面的離面位移，因此在Z方向產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動器。

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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審核編輯 黃宇