超聲檢測系統(tǒng)的設計應用初探

施靜雯

【摘要】超聲檢測技術是現(xiàn)今檢測領域中運用廣泛，具有適用范圍廣、精度高、效率高、無損、自動化等優(yōu)點。本文介紹了壓電傳感型結構健康超聲檢測和超薄PVDF超聲陣列傳感器兩種超聲檢測系統(tǒng)。其中壓電傳感型結構健康超聲檢測系統(tǒng)的工作原理是壓電效應，其有利于檢測結構中是否存在微損傷、微損傷的存在位置及其嚴重程度。一般多用于汽車健康和土木工程建設等方面的檢測。超薄PVDF超聲陣列傳感器是基于聲發(fā)射技術研制的，結合薄膜中的傳播的高頻超聲波具有衰減與色散的性質，在日常生活、航空技術、點火發(fā)動機、醫(yī)學等領域運用廣泛。

【關鍵詞】超聲檢測系統(tǒng) 設計 應用

1引言

結構材料存在的微損傷，難以察覺，但隨著使用時間越來越多，損傷程度不斷增加，從而改變材料結構的強度和剛度，由于結構損傷日積月累的疊加和加深，最終會導致工程項目產(chǎn)生突發(fā)性實效或事故。所以需要先進的檢測系統(tǒng)對項目提前檢測，努力做到防患于未然，有利于提高資源的利用率和工程實施的效率。自上世紀起，已有科學家開始廣泛運用壓電材料，但是由于科技知識的限制，對壓電材料的研究認識不夠深刻，壓電材料的使用范圍和研究探索程度都是有限的。但是隨著科技不斷進步，壓電材料不斷被開發(fā)運用，其優(yōu)點也愈加明顯，國內建立起許多研究機構組織用于研究壓電傳感器。

近年來，研究學者一直致力于用高頻超聲波技術動態(tài)測量薄膜材料的力學參數(shù)的研究工作，超薄PVDF超聲陣列傳感器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，具有實時效應，準確性高等特點，通過激光產(chǎn)生非接觸、寬頻帶的高頻超聲波，研發(fā)高精度的超薄傳感器接收超聲波的檢測系統(tǒng)，只有深刻超薄PVDF超聲陣列傳感器的優(yōu)缺點和實際運用領域，并且對于該目的需要采取主動的研究探索不斷激勵創(chuàng)新，才能改善國內在該領域的研究現(xiàn)狀。

2設計原理

2.1壓電傳感型結構健康超聲檢測原理

壓電式傳感器是基于壓電效應的傳感器。壓電效應最開始是在1880年由皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)的。晶體的壓電效應包括正、逆壓電效應兩種，并且兩者間存在可逆性。如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力（稱為逆壓電效應）。正壓電效應是材料將機械能轉換成電能的本領。壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。隨著新型壓電材料的開發(fā)應用，壓電傳感器的頻帶、電力轉換效率、動態(tài)特性等不斷提高，為開辟新領域的結構健康檢測奠定了基礎。壓電傳感單元作為結構材料和可調電路兩個子系統(tǒng)的橋梁，具有雙向的力-電耦合的作用。但是在實際操作時，需要考慮壓電傳感器的不足，為了保證實施的準確性，可以通過引入運算放大器的方法，有效地解決輸出直流效益差和傳播衰減問題。同時需要進一步修正參數(shù)，形成準確評價壓電傳感-可調電路集成健康的檢測系統(tǒng)。

2.2超薄PVDF超聲陣列傳感器的原理

PVDF聚偏二氟乙烯壓電薄膜是一種高分子薄膜，具有壓電電壓常數(shù)高、體積小、質量輕、穩(wěn)定性高、聲阻抗低、頻響寬、靈敏度高、柔性好、易于加工和安裝等特性。可以將動能轉換為電能，可以將其加工成薄膜用于工業(yè)、醫(yī)學使用。當薄膜材料受激光作用時，會產(chǎn)生的頻域響應及位移響應，從而得到PVDF傳感單元的力學響應。根據(jù)PVDF傳感單元的位移輸入和PVDF的壓電性能方程，得到電信號輸出結果，但此時電信號還需要放大才能進行后續(xù)研究。

3實驗方案

3.1壓電傳感型結構健康超聲檢測實驗方案

通過超聲波換能器將超聲波檢測樣品輸入的電功率轉換成高頻超聲波，再傳遞出去到寬頻帶壓電傳感器，通過可調電路將信號傳遞到寬頻帶超聲波示波器。將超聲波電信號導入有限元頻域反演模型中，對實驗檢測得到超聲電信號進行反演運算，通過分析壓電傳感-可調電路集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而得到樣品結構的力學參數(shù)及損傷的程度和位置。

3.2超薄PVDF超聲陣列傳感器的實驗方案

在薄膜PVDF上發(fā)射激光從而時PVDF傳感單元激發(fā)高頻超聲波，將高頻超聲波導入PDVF傳感陣列接收器中，使超薄PVDF陣列傳感器實驗系統(tǒng)檢測激光在薄膜表面激發(fā)產(chǎn)生的高頻超聲波的瞬態(tài)波形，再將波形信號通過信號放大器，使放大的信號通過高通濾波器，使允許高于某一條件截頻的頻率通過，而大大衰減較低頻率，去掉了信號中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。再將最終得出的信號導入示波器中，通過電腦觀察其瞬態(tài)波形，最后對材料進行分析評價。

4實際應用

壓電傳感型結構健康超聲檢測系統(tǒng)由于其即時性準確性的特點，如常用于在檢測混凝土的健康、檢測湖水結冰結構、交通鋼軌健康監(jiān)測、微生物檢測等。還可以用于測量火炮撞擊力、模擬導彈爆炸等軍用領域。

同時隨著研究的深入，PVDF更加聯(lián)系生活，許多生活用品基于PVDF的原理被生產(chǎn)出來，提高了人們的生活質量。PVDF薄膜信號效果顯示明顯，信號處理實時，可以用于工地現(xiàn)場的信號檢測。同時還可以將PVDF技術用于醫(yī)學研究，如診斷宮腔、病床監(jiān)控、呼吸監(jiān)測等。

5小結

綜上，本文對壓電傳感器和超薄PVDF超聲陣列傳感器進行了不斷的深入研究和改進，這兩種健康檢測系統(tǒng)尚處于摸索和嘗試階段，仍需要研究人員不斷的研究和改進，改善超聲波檢測系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，不斷完善提高系超聲檢測的優(yōu)勢環(huán)節(jié)。創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，這要求國家組織要大力積極地培養(yǎng)新型高級創(chuàng)新研究人才隊伍，在嘗試失敗中發(fā)展推動我國的科學技術和創(chuàng)新能力，提高綜合國力和國際地位。