基于PVDF壓電薄膜傳感器的超聲檢測試驗

樊程廣，潘孟春，羅飛路，羅詩途，譚項林

（國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，長沙 410073）

超聲檢測是目前應用最為廣泛的無損檢測技術之一。由于超聲檢測具有檢測對象范圍廣；適用于金屬、非金屬以及復合材料；穿透能力強；缺陷定位準確；對人體和材料無損害以及便于在線檢測等優(yōu)點，因此廣泛應用于現代工業(yè)領域以及高科技領域，如航空航天、鐵路、石油化工、電廠、橋梁以及礦山等［1－3］。

在超聲的非光學檢測方法中，利用PVDF壓電薄膜（聚偏氟乙烯）傳感器接收超聲信號是一種常用的方法。國內外學者針對不同的檢測需求，設計出了不同的PVDF壓電薄膜傳感器。J Siivola提出利用PVDF壓電薄膜傳感器測量人體的呼吸、心率等，對人體的身體狀況進行監(jiān)控［4］；Gerald R Harris等詳細介紹了PVDF壓電薄膜傳感器用于醫(yī)學超聲領域［5］；Audran等使用PVDF壓電薄膜傳感器測量梁結構的應變［6］；Yi Lu等利用PVDF壓電薄膜傳感器對結構損傷進行檢測［7］。在國內，王代華等提出用PVDF壓電薄膜作為傳感元件，通過監(jiān)測應變得到柔性結構的振動參量［8］；具典淑等利用PVDF壓電薄膜，對金屬構件的裂紋萌生與擴展、斷裂全過程進行了監(jiān)測試驗研究［9］；杜顏良等基于PVDF壓電薄膜建立了應變監(jiān)測系統(tǒng)，推動了大型結構健康監(jiān)測的研究［10］。

筆者利用PVDF壓電薄膜傳感器對超聲無損檢測方法進行研究。設計了PVDF壓電薄膜傳感器，搭建了超聲檢測系統(tǒng)，利用超聲波探傷儀激發(fā)超聲波，對鋁試件的內部缺陷進行了檢測。

1 PVDF壓電薄膜傳感器

1.1 PVDF壓電薄膜

PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電換能材料。自從1969年，日本科學家Kawai發(fā)現PVDF獨特的壓電效應以來，人們對其的研究一直沒有中斷［11］。表1給出了PVDF壓電薄膜和PZT的部分性能參數比較。

表1 PVDF壓電薄膜和PZT的性能參數比較

從表1可以看出，PVDF壓電薄膜具有以下優(yōu)點：壓電電壓常數高，是PZT的20多倍，壓電電壓常數是衡量壓電材料傳感性能的重要指標，因此將PVDF壓電薄膜用于傳感器時，靈敏度高；質量輕，密度只有PZT的四分之一，將其粘貼在物體表面對原結構產生影響較?。唤殡姀姸雀撸梢阅褪軓婋妶鲎饔茫藭r大部分陶瓷已退極化；聲阻抗低，僅為PZT的十分之一，與水以及粘膠體相接近。此外，PVDF壓電薄膜的柔性和加工性能好，可根據實際需要制成厚度不等、形狀不同的薄膜；頻響寬，可在10－5～109Hz范圍內響應；化學穩(wěn)定性和耐疲勞性高，吸濕性低，并有良好的熱穩(wěn)定性［12－14］。

1.2 PVDF壓電薄膜的傳感機理

PVDF壓電薄膜具有優(yōu)越的傳感性能，為了能夠很好地描述PVDF壓電薄膜的輸出電荷與應變之間的關系，需要對其傳感機理進行研究［10，15］。選用第一類壓電方程，在外加電場為零的情況下，壓電方程可以表示為：

式中Di為電位移；dij為壓電常數；Tj為應力（i＝1，2，3；j＝1，2，3，…，6）。PVDF壓電薄膜的輸出電荷是它所有方向的應變在極化方向上作用的響應，即：

式中Q為輸出電荷；E為PVDF壓電薄膜的彈性模量；εj為應變（j＝1，2，3）；S為PVDF壓電薄膜所覆蓋的面積。

PVDF壓電薄膜在一維受力的情況下，輸出電荷可表示為：

因此，將PVDF壓電薄膜用于傳感功能時是一個電荷發(fā)生器，其產生的電荷必須經過電荷放大器變成電壓信號，才能進行后續(xù)處理。電荷放大器實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益運算放大器，其與PVDF壓電薄膜連接后的等效電路如圖1所示［16］。其中，Ca為PVDF壓電薄膜的等效電容，Cc為連接電纜電容，Ci為電荷放大器的輸入電容，Cf為電荷放大器的反饋電容，Rf為反饋電阻。

圖1 等效電路

由于反饋電阻Rf相當大，因此視為開路。因此可得：

當（K＋1）Cf≥Ca＋Cc＋Ci時，則有：

由式（3）和（5）可知：

因此，電荷放大器的電壓輸出與被測結構的應變成線性關系。

1.3 PVDF壓電薄膜傳感器

基于PVDF壓電薄膜良好的傳感特性，制作了PVDF壓電薄膜傳感器，包括PVDF壓電薄膜、電荷放大器、陷波電路、電壓放大電路。

首先將PVDF壓電薄膜裁剪成30mm×12mm的矩形，為了避免在試驗中損傷和污染PVDF壓電薄膜，在PVDF壓電薄膜表面增加一層保護膜；其次，由于PVDF壓電薄膜是高分子材料，所以沒有直接焊接電極，而是采用鉚接的方式在PVDF壓電薄膜上引出電極。選用的PVDF壓電薄膜來自錦州科信電子材料有限公司。圖2是PVDF壓電薄膜的結構示意圖和實物圖。

PVDF壓電薄膜輸出的電荷信號被輸入電荷放大器，轉換為電壓信號。試驗中使用OPA128實現電荷放大器的功能。OPA128是一款美國TI公司生產的超低偏置電流芯片，輸入級采用幾何形狀改進的介質隔離場效應管，其主要性能指標如下：輸入偏置電流75fA，輸入失調電壓140μV，開環(huán)電壓增益128dB。

由于PVDF壓電薄膜本身容易受到電磁干擾，其中以50Hz的工頻干擾最為明顯，工頻干擾的存在，容易造成信號失真，因此設計陷波電路來消除工頻干擾的影響，陷波電路采用雙T帶阻濾波電路實現。PVDF壓電薄膜輸出的電荷信號經過電荷放大器和陷波電路處理后，通過電壓放大電路得到電壓檢測信號。

2 試驗與分析

試驗選用常州新區(qū)大平超聲波儀器有限公司生產的CUT－2007型超聲波探傷儀激發(fā)超聲波，CUT－2007型超聲波探傷儀為A型脈沖反射式超聲波探傷儀，探傷靈敏度高并且功率大，適用于板材探傷，圖3是CUT－2007型超聲波探傷儀和直探頭實物圖。超聲波在試件中傳播，會引起試件表面發(fā)生微小的形變，對PVDF壓電薄膜產生機械應力，并轉換為電荷信號，電荷信號經過電荷放大器、陷波電路以及電壓放大電路的作用，接入到TDS1002數字示波器顯示。圖4是檢測系統(tǒng)原理圖。

圖4 檢測系統(tǒng)原理圖

試驗中制作了材料和尺寸相同的鋁試件作為檢測對象，其中一個鋁試件內部帶有人工缺陷。利用超聲波探傷儀在試件中激發(fā)超聲波，PVDF壓電薄膜傳感器接收超聲波，接收的超聲波信號如圖5所示。圖5（a）是試件無缺陷時的檢測結果，圖5（b）是試件內部有人工缺陷時的檢測結果。其中L代表直達的超聲波信號，RL代表經缺陷反射的回波信號。由圖5可知，利用PVDF壓電薄膜傳感器接收到的超聲波信號具有很高的信噪比；同時根據超聲波在鋁試件中的傳播速度和到達時間，可以確定試件內部缺陷的位置。

圖6 不同檢測位置的超聲波信號

進一步研究超聲傳播與缺陷之間的相互作用，針對同一缺陷，改變檢測位置，可以得到一系列的反射回波信號，檢測結果如圖6所示。由圖6可知，伴隨著檢測位置和缺陷之間間隔的減小，超聲波信號和反射回波信號之間的時間間隔呈線性縮小的趨勢。由它們的到達時間以及超聲波在鋁試件中的傳播速度，可以準確計算出缺陷的位置，從而可以用于缺陷檢測。

3 結論

（1）基于PVDF壓電薄膜制作了PVDF壓電薄膜傳感器。傳感器具有體積小、便于攜帶以及對試件表面無特殊要求等特點。

（2）利用PVDF壓電薄膜傳感器，搭建了超聲無損檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有結構簡單、調節(jié)方便以及檢測信號信噪比高等特點。

（3）對鋁試件進行檢測的結果表明，基于PVDF壓電薄膜傳感器的超聲檢測方法可以有效檢測試件內部缺陷，檢測結果信噪比高。

（4）試驗結果為進一步研究超聲傳播和缺陷相互作用機理提供了依據。

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