壓電激振無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

郭運(yùn)坤

摘要：壓電材料具有優(yōu)良的力電耦合特性，而被廣泛應(yīng)用到無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。壓電激振無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有如下特點(diǎn)：1）對(duì)大型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部微小損傷比較敏感；2）穩(wěn)定性比較可靠，工作的線性范圍寬，能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的工況；3）穩(wěn)定性比較可靠，后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。本文給出了壓電無(wú)損檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)總體方案。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；信號(hào)發(fā)生器；數(shù)字采集儀；損傷分析

首先，選用信號(hào)發(fā)生器和壓電激振器作為激振部分和信號(hào)發(fā)射部分。激振部分的核心器件為壓電陶瓷，具體操作如下：首先把壓電陶瓷片粘貼或者埋入到復(fù)合試件表面或者內(nèi)部。這樣就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感和激勵(lì)元件接入；然后利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一種典型的電壓信號(hào)—方波信號(hào)，方波電壓信號(hào)具有易于產(chǎn)生，分析精度高的特點(diǎn)。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，受到電壓激勵(lì)的壓電陶瓷將會(huì)發(fā)生變形，帶動(dòng)復(fù)合試件產(chǎn)生周期的振動(dòng)信號(hào)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)能量也會(huì)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)的周期振動(dòng)將會(huì)反過(guò)來(lái)帶動(dòng)壓電陶瓷片的變形；根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電傳感器就會(huì)產(chǎn)生周期變化的電壓信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集，利用放大器進(jìn)行放大，然后濾除一些干擾信號(hào)，再送入電阻應(yīng)變儀，而后用數(shù)字采集儀實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的數(shù)字化，最后接入計(jì)算機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析。

電子式拉力試驗(yàn)機(jī)主要用于材料的拉伸試驗(yàn)，本文選用的是型號(hào)為WDW300電子拉力試驗(yàn)機(jī)，該儀器是由青山試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）能夠高精度的對(duì)試件進(jìn)行加載和測(cè)量；

2）直流電機(jī)和可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

用于感受載荷的儀器選擇BLR42型拉式負(fù)荷傳感器，接法為惠斯登電橋形式，電阻應(yīng)變儀和敏感彈性元件附著在試件上，粘貼方式可以采用全橋方式，這樣可以提高靈敏度；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器選擇SONY Tektornix AFG310，這臺(tái)儀器比較便宜，可以產(chǎn)生任意的波形和寬頻帶信號(hào)；示波器采用KENW00D cs4135雙蹤示波器，雙蹤顯示，可以同時(shí)觀察激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)比較采集儀記錄的信號(hào)和示波器上顯示的信號(hào)，可以判斷采集信號(hào)是否失真以及失真的程度；還可以通過(guò)觀察示波器上顯示的信號(hào)以確保送入采集儀的信號(hào)電壓不超過(guò)采集儀的最大允許值。

壓電傳感器中的壓電元件內(nèi)阻非常高，而輸出的信號(hào)功率卻很小，一般不能直接顯示、記錄和使用，需要經(jīng)過(guò)阻抗變換和信號(hào)放大。因此，與壓電傳感器配用的測(cè)量電路，必須是一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，它有兩個(gè)作用：第一是把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；第二是把傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出.電荷放大器可以選擇上海業(yè)泰電氣有限公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)的DHF2A電荷放大器。

本裝置電阻應(yīng)變儀為YD28型，這種應(yīng)變儀內(nèi)部帶有反饋電路，可以自動(dòng)調(diào)零，消除零點(diǎn)漂移；應(yīng)變儀還具有低噪聲、寬頻響、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部設(shè)有的斷電保護(hù)電路可以消除一些不安全因素。

本文采用的WSUSB型數(shù)據(jù)采集儀具有16通道，該儀器是一種比較先進(jìn)的設(shè)備，具有自動(dòng)通道掃描技術(shù)和FIF0緩沖存儲(chǔ)器，因此可以自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)，處理的速度也是相當(dāng)高的。信號(hào)采集使用的是VibSYS軟件。信號(hào)分析與處理軟件使用的是V.0205軟件，這兩個(gè)軟件都是和windows操作系統(tǒng)兼容的。因此安裝比較方便，可根據(jù)說(shuō)明書自學(xué)安裝。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，一些不相關(guān)的因素總會(huì)干擾試驗(yàn)的進(jìn)行，如電壓的忽高忽低，外界電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾。所以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓是非常有必要的，經(jīng)過(guò)本人的反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SM7801J交流穩(wěn)壓器是可以達(dá)到這一目的的。

信號(hào)收集需要注意：

1）測(cè)量的信號(hào)不應(yīng)該超過(guò)最大量值；

2）輸入信號(hào)的信噪比要比較高，如果噪聲信號(hào)較多時(shí)，必須經(jīng)過(guò)濾波器的處理；

3）要測(cè)試分析采集儀的轉(zhuǎn)換速度、計(jì)算機(jī)的處理速度和接口的傳輸速度。

本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟分為：

1）壓電陶瓷片的焊接固定在碳纖維基復(fù)合材料梁試樣表面上。并檢測(cè)這個(gè)自制傳感器的性能；

2）檢查試驗(yàn)用到的儀器的性能。調(diào)試儀器，設(shè)定參數(shù)；

3）健康的復(fù)合材料試樣進(jìn)行試驗(yàn)，單通道記錄信號(hào)；

4）把試件放到電子拉力機(jī)上，對(duì)試件增加逐漸增加的壓力，加載過(guò)程（即試樣的損傷過(guò)程）中的信號(hào)測(cè)試與記錄，雙通道采集；

5）把采集的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，用北京波普公司Vib'SYS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而后進(jìn)行頻譜分析。

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