射频功率放大器在纺织复合材料研究中的应用

实验名称：非线性超声检测实验

研究方向：以RTM/纺织复合材料为检测对象，利用非线性超声检测方法对RTM复合材料孔隙缺陷进行表征，通过非线性特征参量测量，初步实现对RTM/纺织复合材料孔隙率的定量表征。

实验目的：验证非线性超声系统的基本要求以及几种非线性超声实验方法并针对本研究的检测对象RTM/纺织复合材料孔隙率缺陷对超声信号的非线性响应特点，设计基于有限幅度非线性超声检测方法的检测实验系统。

测试设备：系统主要包括TektronicAFG3102、功率放大器Aigtek公司的ATA-8202、TektronixTDS3032B数字式荧光示波器、发射和接收压电传感器、计算机和夹具。

实验过程：本研究的非线性超声实验系统采用声波透射法，宽带接收方式，分别测量基波和二阶、三阶高次谐波的幅值。首先由信号发生器产生正弦波脉冲串，引入功率放大器放大，激励发射压电传感器发射单一频率的超声波，使其耦合进入被测材料，大振幅超声波与材料中的晶格畸变、微裂纹、晶格的非简谐性等微损伤相互作用，使得透过材料的声波发生较强的非线性失真，位于试样另一端的接收换能器将对该非线性超声信号进行采集，然后利用matlab软件对接收到的超声信号进行快速傅里叶变换，得到基波和二次谐波幅值，通过公式计算得到材料的高阶相对非线性系数。原理框图如下所示：

(a)非线性超声实验系统激励波形选择

图3-7所示为3种常见激励波形。采用连续波(图3-7(a))进行激励，激励信号可产生单一频率的超声波(如图3-7(b)所示)。由于非线性超声检测主要是在频域上分析信号，因此激励信号中频率成分会对实验结果带来很大影响，所以保证激励信号中频率单一是非线性超声检测的前提条件。但要得到大功率连续波通常比较困难，而且连续波激励下，检测的轴向分辨率低。采用单脉冲模式(图3-7(c)作为激励方式，尽管该模式下激励波形幅值很大，检测的轴向分辨力高，但单脉冲信号本身频率范围较宽(如图3-7(d)所示)，很有可能在发射端引入除基波以外的频率成分，而不同的频率成分与微缺陷作用的非线性响应也不一样，使得接受信号中引入不是由材料本身产生的非线性谐波成分，导致测量结果不够准确。同时由于单脉冲激励下超声波与材料作用的时间很短很难产生强的非线性效应，因此，基于以上所述原因，本实验拟采用图3-7(e)所示的脉冲串模式作为激励信号。该模式下能获得输出功率较高且频率成分较单一的激励信号，因此脉冲串模式在非线性超声检测领域得到了广泛应用。

脉冲串模式下波形周期数可调，周期数越多，频率成分越单一。结合试块及实验室现有换能器等条件,本实验采用频率为2.25M周期数为30的脉冲串。图3-8(a)为本实验所用到的20个周期的脉冲串激励信号时域波形。图3-8(b)为FFT变换后的频域波形，从频域上看，在5MHz的倍频位置上并没有出现二次谐波，表明所用信号频率成分单一不会给实验结果带来影响。

实验结果：实验选用中心频率为2.25MHz的窄带PZT材料压电品片作为发射换能器，之所以选择裸片作为发射换能器是因为，与商业化换能器相比，裸片的振动是自由振动不受阻尼块及其它部件的影响，很大程度上减少了换能器引入的非线性干扰信号对检测结果的影响。图3-9为PZT品片实物图。图3-10为PZT品片由方波激励而得到的初始振动波形图。图3-11PZT品片扫频图，从图中可以看到该品片的中心频率为2.25M,目频带宽度较窄，其产生的超声波频率成分比较单一符合课题选择非线性超声实验的发射换能器条件。

本实验选择宽带接收方式，如图3-12所示，即由一个频带较宽的换能器同时接收基波和高阶谐波。能够对接收信号中的基波和谐波都有较好的响应。保证了实验的一致性，同步性较好。基于上述理论，实验选择了OlympusPanametrics系列商用探头，其型号为OlympusC109,该探头中心频率4MHz。图3-13是该换能器的实物图，图3-14为该探头的扫频图，从图中可以看出该换能器宽带较宽，对1.5MHz到6.5MHz频率范围内均有响应。可方便实验观测二次、三次谐波。

本实验是为了验证非线性超声系统的基本要求以及几种非线性超声实验方法并针对本研究的检测对象RTM/纺织复合材料孔隙率缺陷对超声信号的非线性响应特点，设计了基于有限幅度非线性超声检测方法的检测实验系统。并分析了实验系统可能带来的非线性干扰源，分别选定了符合非线性超声实验的激励波形、发射和接收换能器等，确保了试验系统的可靠性。

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