ATA-2161高压放大器在超声导波换能器研究中的应用

实验名称：超声导波换能器的实验研究

实验目的：主动式结构健康监测采用驱动器对结构施加激励信号，传感器接收响应信号，实现对在役工程结构的实时在线监测，有效地进行结构剩余寿命评估和故障诊断。压电式超声导波检测方法是目前应用广泛且非常有前景的方法，由于压电材料的正、逆压电效应，压电元件可以同时充当驱动器与传感器。但是作为驱动器的压电振子，如PZT，通常具有多种振动模态，产生的导波较为复杂，给后续的信号处理造成困难。用于SHM的压电传感器会永久性地部署在结构上，理想的材料是具有低轮廓且符合结构的传感器。本实验中以质轻、柔韧的P(VDF-TrFE)材料作为传感器，测试其接收超声导波的能力，并设计叉指型的超声导波换能器，激励特定波长的导波，对导波信号进行了深入的分析。

测试设备：ATA-2161高压放大器、函数发生器，压电元件、示波器、被测结构等。

实验过程：

图1：用于结构健康检测的超声导波换能器与测试流程图

实验利用可视化程度高的软件实现一定频率的脉冲波调制，并将正弦脉冲信号导入函数发生器，作为信号源。在输出信号时，函数发生器调节为脉冲模式，猝发周期调整为10ms，目的是避免连续地激励超声导波，造成超声导波信号的叠加，对后续分析造成干扰。函数发生器连接ATA-2161高压放大器，高压放大器中引出两个信号源，其中BNC接头直接连接示波器作为参考信号，放大过后的电压信号经橡胶头连接压电元件，施加高压脉冲信号，在实验中设置脉冲波的峰－峰值为4V，高压放大器的放大倍数为25倍。使用紫外光固化胶粘剂连接导线与压电元件，在此过程中应注意避免接触不紧密导致短路的情况。示波器的采样频率设置为10k，可以保证接收信号的真实性，调节电平的大小以获得稳定的接收信号。此外，在设备连接过程中应该注意，为实现设备功率的最大化，应保持电流源的输出阻抗与负载的输入阻抗相匹配。测试平台及测试过程如图1所示。

图2：仿真PZT圆片的阻抗图谱。插图为300kHz时PZT的径向伸缩振动模态示意图

首先，使用PZT陶瓷片作为驱动元件，以ＰP(VDF-TrFE)为传感器进行实验。压电陶瓷的最优工作频率在谐振频率附近。利用软件，选择静电场与固体力学的耦合物理场，进行频域分析，得到在0~1MHz频域下的阻抗图谱。在频域范围内出现三组谐振峰，图2中的两个峰对应PZT的谐振与反谐振频率，其余两组谐振峰处于较高频率，且谐振峰较小，因此主要关注的是500kHz以下的这组谐振峰。谐振频率的大小与压电振子本身的尺寸密切相关，实验中选用直径为8mm，厚度为0.4mm的圆形薄片。通过仿真结果可以直观地观测到谐振频率下压电振子的应变情况，如图2的插图中所示，此时它的振动模态为径向双元振动，沿着径向发生收缩与伸长。

实验结果：

图3：300kHz的正弦脉冲波激励PZT圆片产生超声导波的位移场（a）X、（b）Y、（c）Z方向的分量以及（d）总位移

使用软件建立PZT和304不锈钢板的三维仿真模型，得到300kHz弦脉冲信号激励下，PZT作为驱动器产生的超声导波在固体介质中的传播情况，如图3。在极化方向上施加电压，PZT的压电响应模态d31、d32、d33，在1方向和2方向具有相同的物理特性，产生同样的位移，在3方向产生的形变是垂直平板大面的离面位移，因此在Z方向产生的位移是全向型的。其总位移为各向同性，PZT圆片可以作为全向型的驱动器。

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图：ATA-2161高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇