壓電激振無損檢測技術

郭運坤

摘要：壓電材料具有優良的力電耦合特性，而被廣泛應用到無損檢測領域。壓電激振無損檢測技術有如下特點：1）對大型結構的內部微小損傷比較敏感；2）穩定性比較可靠，工作的線性范圍寬，能夠適應比較復雜的工況；3）穩定性比較可靠，后續數據處理簡單。本文給出了壓電無損檢測裝置設計總體方案。

關鍵詞：壓電陶瓷；信號發生器；數字采集儀；損傷分析

首先，選用信號發生器和壓電激振器作為激振部分和信號發射部分。激振部分的核心器件為壓電陶瓷，具體操作如下：首先把壓電陶瓷片粘貼或者埋入到復合試件表面或者內部。這樣就可以同時實現傳感和激勵元件接入；然后利用信號發生器產生一種典型的電壓信號—方波信號，方波電壓信號具有易于產生，分析精度高的特點。根據逆壓電效應，受到電壓激勵的壓電陶瓷將會發生變形，帶動復合試件產生周期的振動信號。內部結構能量也會發生變化。結構的周期振動將會反過來帶動壓電陶瓷片的變形；根據正壓電效應，壓電傳感器就會產生周期變化的電壓信號，對該信號進行采集，利用放大器進行放大，然后濾除一些干擾信號，再送入電阻應變儀，而后用數字采集儀實現采集信號的數字化，最后接入計算機，對信號進行分析處理。這樣就可以實現對復合材料內部結構參數的分析。

電子式拉力試驗機主要用于材料的拉伸試驗，本文選用的是型號為WDW300電子拉力試驗機，該儀器是由青山試驗機廠生產，優點如下：

1）能夠高精度的對試件進行加載和測量；

2）直流電機和可控硅無級調速系統可以實現無級調節。

用于感受載荷的儀器選擇BLR42型拉式負荷傳感器，接法為惠斯登電橋形式，電阻應變儀和敏感彈性元件附著在試件上，粘貼方式可以采用全橋方式，這樣可以提高靈敏度；數字信號發生器選擇SONY Tektornix AFG310，這臺儀器比較便宜，可以產生任意的波形和寬頻帶信號；示波器采用KENW00D cs4135雙蹤示波器，雙蹤顯示，可以同時觀察激勵信號和響應信號。通過比較采集儀記錄的信號和示波器上顯示的信號，可以判斷采集信號是否失真以及失真的程度；還可以通過觀察示波器上顯示的信號以確保送入采集儀的信號電壓不超過采集儀的最大允許值。

壓電傳感器中的壓電元件內阻非常高，而輸出的信號功率卻很小，一般不能直接顯示、記錄和使用，需要經過阻抗變換和信號放大。因此，與壓電傳感器配用的測量電路，必須是一個高輸入阻抗的前置放大器，它有兩個作用：第一是把壓電式傳感器的微弱信號放大；第二是把傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出.電荷放大器可以選擇上海業泰電氣有限公司生產公司生產的DHF2A電荷放大器。

本裝置電阻應變儀為YD28型，這種應變儀內部帶有反饋電路，可以自動調零，消除零點漂移；應變儀還具有低噪聲、寬頻響、高穩定性的優點。內部設有的斷電保護電路可以消除一些不安全因素。

本文采用的WSUSB型數據采集儀具有16通道，該儀器是一種比較先進的設備，具有自動通道掃描技術和FIF0緩沖存儲器，因此可以自動采集和處理數據，處理的速度也是相當高的。信號采集使用的是VibSYS軟件。信號分析與處理軟件使用的是V.0205軟件，這兩個軟件都是和windows操作系統兼容的。因此安裝比較方便，可根據說明書自學安裝。在實驗的過程中，一些不相關的因素總會干擾試驗的進行，如電壓的忽高忽低，外界電場和磁場的干擾。所以對輸入信號進行穩壓是非常有必要的，經過本人的反復試驗發現SM7801J交流穩壓器是可以達到這一目的的。

信號收集需要注意：

1）測量的信號不應該超過最大量值；

2）輸入信號的信噪比要比較高，如果噪聲信號較多時，必須經過濾波器的處理；

3）要測試分析采集儀的轉換速度、計算機的處理速度和接口的傳輸速度。

本文的實驗設計步驟分為：

1）壓電陶瓷片的焊接固定在碳纖維基復合材料梁試樣表面上。并檢測這個自制傳感器的性能；

2）檢查試驗用到的儀器的性能。調試儀器，設定參數；

3）健康的復合材料試樣進行試驗，單通道記錄信號；

4）把試件放到電子拉力機上，對試件增加逐漸增加的壓力，加載過程（即試樣的損傷過程）中的信號測試與記錄，雙通道采集；

5）把采集的信號輸入到計算機中，用北京波普公司Vib'SYS軟件進行數據轉換，而后進行頻譜分析。

參考文獻：

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