压电激振无损检测技术

郭运坤

摘要：压电材料具有优良的力电耦合特性，而被广泛应用到无损检测领域。压电激振无损检测技术有如下特点：1）对大型结构的内部微小损伤比较敏感；2）稳定性比较可靠，工作的线性范围宽，能够适应比较复杂的工况；3）稳定性比较可靠，后续数据处理简单。本文给出了压电无损检测装置设计总体方案。

关键词：压电陶瓷；信号发生器；数字采集仪；损伤分析

首先，选用信号发生器和压电激振器作为激振部分和信号发射部分。激振部分的核心器件为压电陶瓷，具体操作如下：首先把压电陶瓷片粘贴或者埋入到复合试件表面或者内部。这样就可以同时实现传感和激励元件接入；然后利用信号发生器产生一种典型的电压信号—方波信号，方波电压信号具有易于产生，分析精度高的特点。根据逆压电效应，受到电压激励的压电陶瓷将会发生变形，带动复合试件产生周期的振动信号。内部结构能量也会发生变化。结构的周期振动将会反过来带动压电陶瓷片的变形；根据正压电效应，压电传感器就会产生周期变化的电压信号，对该信号进行采集，利用放大器进行放大，然后滤除一些干扰信号，再送入电阻应变仪，而后用数字采集仪实现采集信号的数字化，最后接入计算机，对信号进行分析处理。这样就可以实现对复合材料内部结构参数的分析。

电子式拉力试验机主要用于材料的拉伸试验，本文选用的是型号为WDW300电子拉力试验机，该仪器是由青山试验机厂生产，优点如下：

1）能够高精度的对试件进行加载和测量；

2）直流电机和可控硅无级调速系统可以实现无级调节。

用于感受载荷的仪器选择BLR42型拉式负荷传感器，接法为惠斯登电桥形式，电阻应变仪和敏感弹性元件附着在试件上，粘贴方式可以采用全桥方式，这样可以提高灵敏度；数字信号发生器选择SONY Tektornix AFG310，这台仪器比较便宜，可以产生任意的波形和宽频带信号；示波器采用KENW00D cs4135双踪示波器，双踪显示，可以同时观察激励信号和响应信号。通过比较采集仪记录的信号和示波器上显示的信号，可以判断采集信号是否失真以及失真的程度；还可以通过观察示波器上显示的信号以确保送入采集仪的信号电压不超过采集仪的最大允许值。

压电传感器中的压电元件内阻非常高，而输出的信号功率却很小，一般不能直接显示、记录和使用，需要经过阻抗变换和信号放大。因此，与压电传感器配用的测量电路，必须是一个高输入阻抗的前置放大器，它有两个作用：第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出.电荷放大器可以选择上海业泰电气有限公司生产公司生产的DHF2A电荷放大器。

本装置电阻应变仪为YD28型，这种应变仪内部带有反馈电路，可以自动调零，消除零点漂移；应变仪还具有低噪声、宽频响、高稳定性的优点。内部设有的断电保护电路可以消除一些不安全因素。

本文采用的WSUSB型数据采集仪具有16通道，该仪器是一种比较先进的设备，具有自动通道扫描技术和FIF0缓冲存储器，因此可以自动采集和处理数据，处理的速度也是相当高的。信号采集使用的是VibSYS软件。信号分析与处理软件使用的是V.0205软件，这两个软件都是和windows操作系统兼容的。因此安装比较方便，可根据说明书自学安装。在实验的过程中，一些不相关的因素总会干扰试验的进行，如电压的忽高忽低，外界电场和磁场的干扰。所以对输入信号进行稳压是非常有必要的，经过本人的反复试验发现SM7801J交流稳压器是可以达到这一目的的。

信号收集需要注意：

1）测量的信号不应该超过最大量值；

2）输入信号的信噪比要比较高，如果噪声信号较多时，必须经过滤波器的处理；

3）要测试分析采集仪的转换速度、计算机的处理速度和接口的传输速度。

本文的实验设计步骤分为：

1）压电陶瓷片的焊接固定在碳纤维基复合材料梁试样表面上。并检测这个自制传感器的性能；

2）检查试验用到的儀器的性能。调试仪器，设定参数；

3）健康的复合材料试样进行试验，单通道记录信号；

4）把试件放到电子拉力机上，对试件增加逐渐增加的压力，加载过程（即试样的损伤过程）中的信号测试与记录，双通道采集；

5）把采集的信号输入到计算机中，用北京波普公司Vib'SYS软件进行数据转换，而后进行频谱分析。

参考文献：

[1]李远，秦自楷，周志刚.压电与铁电材料的测量[M].第一版.科学出版社，1984年9月.

[2]吴兴惠，王彩君.传感器与信号处理.电子工业出版社，第一版，1998年8月。

[3]章建文.基于压电阻抗技术的焊接结构健康监测研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[4]熊先锋.压电阻抗技术用于结构健康监测的研究[D].北京：国防科技大学研究生院，2003.