基于PVDF压电薄膜传感器的超声检测试验

樊程广，潘孟春，罗飞路，罗诗途，谭项林

（国防科学技术大学 机电工程与自动化学院，长沙 410073）

超声检测是目前应用最为广泛的无损检测技术之一。由于超声检测具有检测对象范围广；适用于金属、非金属以及复合材料；穿透能力强；缺陷定位准确；对人体和材料无损害以及便于在线检测等优点，因此广泛应用于现代工业领域以及高科技领域，如航空航天、铁路、石油化工、电厂、桥梁以及矿山等［1－3］。

在超声的非光学检测方法中，利用PVDF压电薄膜（聚偏氟乙烯）传感器接收超声信号是一种常用的方法。国内外学者针对不同的检测需求，设计出了不同的PVDF压电薄膜传感器。J Siivola提出利用PVDF压电薄膜传感器测量人体的呼吸、心率等，对人体的身体状况进行监控［4］；Gerald R Harris等详细介绍了PVDF压电薄膜传感器用于医学超声领域［5］；Audran等使用PVDF压电薄膜传感器测量梁结构的应变［6］；Yi Lu等利用PVDF压电薄膜传感器对结构损伤进行检测［7］。在国内，王代华等提出用PVDF压电薄膜作为传感元件，通过监测应变得到柔性结构的振动参量［8］；具典淑等利用PVDF压电薄膜，对金属构件的裂纹萌生与扩展、断裂全过程进行了监测试验研究［9］；杜颜良等基于PVDF压电薄膜建立了应变监测系统，推动了大型结构健康监测的研究［10］。

笔者利用PVDF压电薄膜传感器对超声无损检测方法进行研究。设计了PVDF压电薄膜传感器，搭建了超声检测系统，利用超声波探伤仪激发超声波，对铝试件的内部缺陷进行了检测。

1 PVDF压电薄膜传感器

1.1 PVDF压电薄膜

PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电换能材料。自从1969年，日本科学家Kawai发现PVDF独特的压电效应以来，人们对其的研究一直没有中断［11］。表1给出了PVDF压电薄膜和PZT的部分性能参数比较。

表1 PVDF压电薄膜和PZT的性能参数比较

从表1可以看出，PVDF压电薄膜具有以下优点：压电电压常数高，是PZT的20多倍，压电电压常数是衡量压电材料传感性能的重要指标，因此将PVDF压电薄膜用于传感器时，灵敏度高；质量轻，密度只有PZT的四分之一，将其粘贴在物体表面对原结构产生影响较小；介电强度高，可以耐受强电场作用，此时大部分陶瓷已退极化；声阻抗低，仅为PZT的十分之一，与水以及粘胶体相接近。此外，PVDF压电薄膜的柔性和加工性能好，可根据实际需要制成厚度不等、形状不同的薄膜；频响宽，可在10－5～109Hz范围内响应；化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性低，并有良好的热稳定性［12－14］。

1.2 PVDF压电薄膜的传感机理

PVDF压电薄膜具有优越的传感性能，为了能够很好地描述PVDF压电薄膜的输出电荷与应变之间的关系，需要对其传感机理进行研究［10，15］。选用第一类压电方程，在外加电场为零的情况下，压电方程可以表示为：

式中Di为电位移；dij为压电常数；Tj为应力（i＝1，2，3；j＝1，2，3，…，6）。PVDF压电薄膜的输出电荷是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应，即：

式中Q为输出电荷；E为PVDF压电薄膜的弹性模量；εj为应变（j＝1，2，3）；S为PVDF压电薄膜所覆盖的面积。

PVDF压电薄膜在一维受力的情况下，输出电荷可表示为：

因此，将PVDF压电薄膜用于传感功能时是一个电荷发生器，其产生的电荷必须经过电荷放大器变成电压信号，才能进行后续处理。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其与PVDF压电薄膜连接后的等效电路如图1所示［16］。其中，Ca为PVDF压电薄膜的等效电容，Cc为连接电缆电容，Ci为电荷放大器的输入电容，Cf为电荷放大器的反馈电容，Rf为反馈电阻。

图1 等效电路

由于反馈电阻Rf相当大，因此视为开路。因此可得：

当（K＋1）Cf≥Ca＋Cc＋Ci时，则有：

由式（3）和（5）可知：

因此，电荷放大器的电压输出与被测结构的应变成线性关系。

1.3 PVDF压电薄膜传感器

基于PVDF压电薄膜良好的传感特性，制作了PVDF压电薄膜传感器，包括PVDF压电薄膜、电荷放大器、陷波电路、电压放大电路。

首先将PVDF压电薄膜裁剪成30mm×12mm的矩形，为了避免在试验中损伤和污染PVDF压电薄膜，在PVDF压电薄膜表面增加一层保护膜；其次，由于PVDF压电薄膜是高分子材料，所以没有直接焊接电极，而是采用铆接的方式在PVDF压电薄膜上引出电极。选用的PVDF压电薄膜来自锦州科信电子材料有限公司。图2是PVDF压电薄膜的结构示意图和实物图。

PVDF压电薄膜输出的电荷信号被输入电荷放大器，转换为电压信号。试验中使用OPA128实现电荷放大器的功能。OPA128是一款美国TI公司生产的超低偏置电流芯片，输入级采用几何形状改进的介质隔离场效应管，其主要性能指标如下：输入偏置电流75fA，输入失调电压140μV，开环电压增益128dB。

由于PVDF压电薄膜本身容易受到电磁干扰，其中以50Hz的工频干扰最为明显，工频干扰的存在，容易造成信号失真，因此设计陷波电路来消除工频干扰的影响，陷波电路采用双T带阻滤波电路实现。PVDF压电薄膜输出的电荷信号经过电荷放大器和陷波电路处理后，通过电压放大电路得到电压检测信号。

2 试验与分析

试验选用常州新区大平超声波仪器有限公司生产的CUT－2007型超声波探伤仪激发超声波，CUT－2007型超声波探伤仪为A型脉冲反射式超声波探伤仪，探伤灵敏度高并且功率大，适用于板材探伤，图3是CUT－2007型超声波探伤仪和直探头实物图。超声波在试件中传播，会引起试件表面发生微小的形变，对PVDF压电薄膜产生机械应力，并转换为电荷信号，电荷信号经过电荷放大器、陷波电路以及电压放大电路的作用，接入到TDS1002数字示波器显示。图4是检测系统原理图。

图4 检测系统原理图

试验中制作了材料和尺寸相同的铝试件作为检测对象，其中一个铝试件内部带有人工缺陷。利用超声波探伤仪在试件中激发超声波，PVDF压电薄膜传感器接收超声波，接收的超声波信号如图5所示。图5（a）是试件无缺陷时的检测结果，图5（b）是试件内部有人工缺陷时的检测结果。其中L代表直达的超声波信号，RL代表经缺陷反射的回波信号。由图5可知，利用PVDF压电薄膜传感器接收到的超声波信号具有很高的信噪比；同时根据超声波在铝试件中的传播速度和到达时间，可以确定试件内部缺陷的位置。

图6 不同检测位置的超声波信号

进一步研究超声传播与缺陷之间的相互作用，针对同一缺陷，改变检测位置，可以得到一系列的反射回波信号，检测结果如图6所示。由图6可知，伴随着检测位置和缺陷之间间隔的减小，超声波信号和反射回波信号之间的时间间隔呈线性缩小的趋势。由它们的到达时间以及超声波在铝试件中的传播速度，可以准确计算出缺陷的位置，从而可以用于缺陷检测。

3 结论

（1）基于PVDF压电薄膜制作了PVDF压电薄膜传感器。传感器具有体积小、便于携带以及对试件表面无特殊要求等特点。

（2）利用PVDF压电薄膜传感器，搭建了超声无损检测系统。系统具有结构简单、调节方便以及检测信号信噪比高等特点。

（3）对铝试件进行检测的结果表明，基于PVDF压电薄膜传感器的超声检测方法可以有效检测试件内部缺陷，检测结果信噪比高。

（4）试验结果为进一步研究超声传播和缺陷相互作用机理提供了依据。

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