應用案例

實驗名稱：功率放大器基于壓電傳感器的曲面板缺陷定位研究

研究方向：

飛機蒙皮、飛機機翼、風力機葉片等曲面結構一直存在檢測困難的問題。為及早識別出飛機蒙皮的微小損傷，減少航空事故的發生，在飛機運行過程中，在役無損檢測非常重要。

超聲Lamb波探傷在薄板材結構的探傷中，非常好的彌補了這些缺點。Lamb波作為超聲導波在薄板材結構中傳播時衰減非常小，傳播非常長的距離之后檢測效果依然很明顯，而且，Lamb波在一次檢測過程中，能夠對薄板狀結構的一條線上的缺陷進行同時檢測，大大的提高了對板中缺陷檢測的工作效率。而且Lamb波檢測技術對區域性檢測的能力很好，Lamb波在傳播中會經過兩個探頭中間的區域，從而攜帶整個區域的信息。因此，超聲蘭姆波最適合做薄板材料的無損檢測，為飛機蒙皮的超聲無損檢測提供了新的方法。

壓電傳感器是實現Lamb波激勵和接收的主要傳感元件，主要分為兩類：硬質壓電陶瓷傳感器和各式柔性壓電傳感器。硬質壓電陶瓷傳感器是目前應用最為廣泛的壓電傳感器，已發展出多種外形和功能，如圖所示，包括各種形狀的壓電陶瓷片，壓電堆疊片和壓電促動器等。壓電陶瓷材料是最早被廣泛應用于制作超聲傳感器的材料。由壓電陶瓷材料制備的小型壓電晶片也作為傳感網絡單元，大量應用于結構健康監測的相關研究。

實驗內容：

本實驗主要是搭建壓電材料損傷檢測系統，，包括信號源，功率放大器，示波器，上位機四部分。壓電材料往往具有很大的阻抗（MΩ級），需要功率放大器將激勵信號放大才能激勵出壓電信號。因此，高壓放大器為實驗中不可或缺的一環。

其目的主要在于：

1.測試各種壓電材料作為激勵源時的位移/力激勵效果和作為感應端時的電壓響應，包括以下幾個方面：

第一步 檢測各種壓電材料的電壓響應跟隨性。通過改變電壓放大器的放大倍數，來改變激勵端兩級之間的電壓，觀察感應端的電壓響應是否隨著激勵端電壓的改變而改變，是否成比例增加或減少。

第二步 檢測各種壓電材料的電壓響應頻率一致性。通過改變信號源的頻率，來改變激勵端兩級之間的電壓頻率，觀察感應端的電壓響應的頻率是否和激勵端一致。

第三步 檢測不同的激勵端和感應端間距對于電壓響應幅值的影響。保持激勵端的位置不變，改變感應端壓電片和激勵端的距離，觀察感應端的電壓響應幅值變化。

2.通過壓電系統進行損傷的定位，通過時間延遲法和方向性響應模型實現板結構的損傷定位，提高壓電材料超聲檢測的應用范圍和精度。

測試目的：

1. 測試各種壓電材料作為激勵源時的位移/力激勵效果和作為感應端時的電壓響應；

2. 通過壓電系統進行損傷的定位，通過時間延遲法和方向性響應模型實現板結構的損傷定位。

   測試設備：壓電損傷監測系統，包括信號源，高壓功率放大器，高性能示波器和上位機。

   實驗過程：

   測試各種壓電材料的電壓響應情況：

   1.測試各種壓電材料作為激勵源時的位移/力激勵效果和作為感應端時的電壓響應，包括以下幾個方面：

   （1） 檢測各種壓電材料的電壓響應跟隨性。通過改變電壓放大器的放大倍數，來改變激勵端兩級之間的電壓，觀察感應端的電壓響應是否隨著激勵端電壓的改變而改變，是否成比例增加或減少。

   （2） 檢測各種壓電材料的電壓響應頻率一致性。通過改變信號源的頻率，來改變激勵端兩級之間的電壓頻率，觀察感應端的電壓響應的頻率是否和激勵端一致。

   （3） 檢測不同的激勵端和感應端間距對于電壓響應幅值的影響。保持激勵端的位置不變，改變感應端壓電片和激勵端的距離，觀察感應端的電壓響應幅值變化。

測試結果：

       1.頻率設置在20khz，40khz，80khz時的電壓響應波形，跟隨性良好。

       2.激勵電壓設置在100V，80V，60V時的電壓響應波形，成比例變化。

 

結論：在正弦波激勵下，電壓響應波形穩定，頻率一致，幅值為百毫伏量級，滿足信噪比要求.

3.在兩倍距離處，電壓響應衰減到原來的0.1倍，有利于噪聲的去除，用時也限定了探測的范圍大小。

4.對于猝發激勵信號，功率放大器也可以實現電壓的有效放大，響應良好。

5.對于用戶自定義的任意波也有很好的電壓放大效果。下圖為理論和實際輸出的曲線對比。

結論：通過對不同頻率，幅值，波形的信號電壓放大測試，可以發現基本可以滿足實驗要求，波形保持性，頻率跟隨性都較好，信噪比也較高。

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