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ATA-2161高壓放大器在用于結構健康檢測的超聲導波換能器研究中的應用

作者:Aigtek 閱讀數:0 发布时间:2024-04-08 14:07:24

  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。但是作爲驅動器的壓電振子,如PZT,通常具有多種振動模態,産生的導波較爲複雜,給後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)材料作爲傳感器,測試其接收超聲導波的能力,並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:

用于結構健康檢測的超声導波換能器与测试流程图

  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,並將正弦脈沖信號導入函數發生器,作爲信號源。在輸出信號時,函數發生器調節爲脈沖模式,猝發周期調整爲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,對後續分析造成幹擾。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爲參考信號,放大過後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-峰值爲4V,高壓放大器的放大倍數爲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爲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,爲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。測試平台及測試過程如圖1所示。

仿真PZT圆片的阻抗图谱。插图为300kHz时PZT的径向伸缩振动模态示意图

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

  首先,使用PZT陶瓷片作爲驅動元件,以PP(VDF-TrFE)爲傳感器進行實驗。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。在頻域範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。虼酥饕P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,實驗中選用直徑爲8mm,厚度爲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,此時它的振動模態爲徑向雙元振動,沿著徑向發生收縮與伸長。

  實驗結果:

300kHz的正弦脉冲波激励PZT圆片产生超声導波的位移。╝)X、(b)Y、(c)Z方向的分量以及(d)总位移

  圖3:300kHz的正弦脈沖波激勵PZT圓片産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不鏽鋼板的三維仿真模型,得到300kHz弦脈沖信號激勵下,PZT作爲驅動器産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,産生同樣的位移,在3方向産生的形變是垂直平板大面的離面位移,因此在Z方向産生的位移是全向型的。其總位移爲各向同性,PZT圓片可以作爲全向型的驅動器。

  高壓放大器推薦:ATA-2161

ATA-2161高壓放大器指標參數

  圖:ATA-2161高壓放大器指標參數

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