基于PVDF壓電薄膜的超聲波測厚技術探究

申曉月

（中北大學信息與通信工程學院,030051)

0 引言

本文以壓力管道為研究對象，壓力管道是輸送有毒、可燃、易爆氣體或者液體介質的關鍵組成部分，其安全運行關系到整個企業的安全生產，隨著壓力管道的逐年老化及管道內化學物質的腐蝕，管道安全事故頻繁發生，因此對壓力管道進行腐蝕檢測非常重要。筆者通過檢測壓力管道的壁厚來判斷管道的腐蝕情況，常用的超聲波管道測量方法主要是水浸法，由于諸多的條件限制，水浸法測量管材壁厚的過程十分復雜繁瑣，不利于方便快捷地進行現場檢測。此外，水浸法只能檢測一點的厚度值，耦合裝置復雜，也無法實現壓力管道一定區域內實時監測的目的。

本文中將采用PVDF壓電薄膜設計柔性超聲傳感器，該傳感器具有PVDF壓電薄膜的柔韌性，可以克服常用超聲波傳感器在測量曲面試件時的限制與困難，從而方便地檢測管材等曲面試件。從而為檢測腐蝕方法提供了一種方便快捷有效的方法。

1 基于PVDF壓電薄膜的超聲測厚法

PVDF具有較高的壓電性能，在1880年J.居里和P.居里兩兄弟在晶體中最早發現了壓電現象。20世紀早期，壓電材料陸續被發現，但其很低的壓電性能阻礙了壓電材料的實際應用。直至1969年，日本科學家H.Kawai 發現在高溫及高電壓下極化后，PVDF具有較高的壓電性能，證明了壓電材料具有極高的實際應用價值。關于壓電聚合物及應用的研究發生了突破性的進步和飛速的發展。

超聲波測厚有共振式、Lamb波式和脈沖反射式三種。共振法測厚具有精度高的優點，但要求被測試件的表面光滑程度較高，該方法的實現裝置復雜。Lamb波法測厚無論是被測對象還是實驗條件都較其他的方法更為苛刻，實驗研究的意義遠大于實際應用。脈沖發射式測厚方法是目前發展最完善、應用最廣泛的測厚方法。雖然難以對厚度很薄的試件進行測厚檢測，精度較差，但其對被測試件的表面粗糙程度的要求不高，可以實現自動檢測、控制等功能，并且以脈沖激勵的方式產生超聲波可以較便捷地用儀器實現。目前，為滿足測厚需求，超聲波測厚儀以脈沖式測厚方法為基礎向小型化、智能化、高精度、多功能方向發展。

2 脈沖發射式超聲測厚基本原理

本文是基于PVDF壓電薄膜的脈沖發射式超聲測量方法，PVDF壓電薄膜較其它壓電材料具有更突出的壓電性能，當PVDF壓電薄膜發生形變時，在其兩個表面會形成極性相反、大小相等的電荷，所以可以將PVDF壓電薄膜看作類似于電容性質的電荷發生器。系統主要有脈沖信號發生器，PVDF壓電薄膜傳感器，電荷放大器，低通濾波器，電壓放大器及顯示設備組成。如圖一所示：

圖一 脈沖反射式測厚法原理圖

3 試驗研究

3.1 壓電效應

某些材料被施加機械應力的條件下會在表面產生電荷，并且電荷的多少與施加應力的大小成一定的關系，這樣的材料就是壓電材料。壓電材料表現的這種現象被稱為壓電效應。其本質是實現機械能和電能之間的相互轉化。通常被廣泛使用的壓電材料如壓電陶瓷、石英晶體、壓電高分子聚合物等。

壓電效應是雙向可逆的，分別為正壓電效應及逆壓電效應。壓電材料在一定方向上受到應力作用，在其內部會發生極化，相對的表面上會產生極性相反的電荷。一旦應力消失后，壓電材料又重新回到不帶電的狀態。這種現象就是正壓電效應。相反，沿著壓電材料的極化方向施加電場，材料會發生形變，撤掉電場后，形變消失，材料恢復成初始狀態。這種現象是逆壓電效應。圖二是正、逆壓電效應的示意圖。

圖二 正、逆壓電效應示意圖

3.2 試驗方法

試驗系統框圖見圖三。按圖三連接系統，并將PVDF壓電薄膜在實驗上貼好。根據實驗流程搭建試驗臺，對試驗臺架上的不同厚度的試樣進行測試。

圖三 試驗系統框圖

系統主要由脈沖信號發生器發出周期性窄帶脈沖信號到PVDF壓電薄膜傳感器上，傳感器受到信號發出超聲波，在上、下表面發生反射，反射波分別被傳感器接收，轉換成為電信號。電信號經過多次信號處理，可以直接通過示波器觀測或者再由A/D轉換器轉換成數字信號進入上位機作進一步的軟件分析。

壓力管道試樣測試如圖四所示試驗激勵由脈沖信號發生器產生，經過反射信號轉換，信號處理最后由示波器直接顯示，方便直觀看。同時經過pci8606數據采集卡將數據采集到電腦中，用于以后的分析。

圖四 管道試樣測試

大量的實驗數據分析結果表明，此方法可以方便便捷的檢測出結構的厚度大小，并且不受結構表面粗糙程度的限制，但是難以對厚度很薄的試件進行測厚檢測，因此有待進一步分析研究。

4 結語

壓力管道、壓力容器是輸送和儲備有毒、可燃、易爆氣體或者液體介質的關鍵設備，開展對受腐蝕的承壓設備厚度檢測技術研究具有十分重要的工程應用價值。筆者采用基于PVDF壓電薄膜的超聲測量技術，通過選擇恰當的超聲測量方法，有效的避開共振式和Lamb式的缺點，利用粘貼在結構表面的PVDF壓電薄膜激發出超聲信號，通過發出信號到接受反射信號的傳播間隔時間與被測厚度值成正比關系，采用簡單的算法計算出從被測結構的厚度值，從而確定結構的腐蝕程度加以維護或更換。基于PVDF壓電薄膜的超聲測量技術將為快速便捷測厚提供一種新的結構方式，推進結構向小型化、智能化、高精度、多功能方向發展，具有可開發性和先進性。

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