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功率放大器在压电传感器的曲面板缺陷定位研究中的应用一

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实验/操作方法
实验结果/结论
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实验名称:基于压电传感器的曲面板缺陷定位研究

研究方向:

飞机蒙皮、飞机机翼、风力机叶片等曲面结构一直存在检测困难的问题。为及早识别出飞机蒙皮的微小损伤,减少航空事故的发生,在飞机运行过程中,在役无损检测非常重要。

研究方向1.png

超声Lamb波探伤在薄板材结构的探伤中,非常好的弥补了这些缺点。Lamb波作为超声导波在薄板材结构中传播时衰减非常小,传播非常长的距离之后检测效果依然很明显,而且,Lamb波在一次检测过程中,能够对薄板状结构的一条线上的缺陷进行同时检测,大大的提高了对板中缺陷检测的工作效率。而且Lamb波检测技术对区域性检测的能力很好,Lamb波在传播中会经过两个探头中间的区域,从而携带整个区域的信息。因此,超声兰姆波最适合做薄板材料的无损检测,为飞机蒙皮的超声无损检测提供了新的方法。

研究方向2.png

压电传感器是实现Lamb波激励和接收的主要传感元件,主要分为两类:硬质压电陶瓷传感器和各式柔性压电传感器。硬质压电陶瓷传感器是目前应用最为广泛的压电传感器,已发展出多种外形和功能,如图所示,包括各种形状的压电陶瓷片,压电堆叠片和压电促动器等。压电陶瓷材料被广泛应用于制作超声传感器的材料。由压电陶瓷材料制备的小型压电晶片也作为传感网络单元,大量应用于结构健康监测的相关研究。

研究方向3.png

实验内容:

本实验主要是搭建压电材料损伤检测系统,,包括信号源,功率放大器,示波器,上位机四部分。压电材料往往具有很大的阻抗(MΩ级),需要功率放大器将激励信号放大才能激励出压电信号。因此,功率放大器为实验中不可或缺的一环。

其目的主要在于:

1.测试各种压电材料作为激励源时的位移/力激励效果和作为感应端时的电压响应,包括以下几个方面:

检测各种压电材料的电压响应跟随性。通过改变电压放大器的放大倍数,来改变激励端两级之间的电压,观察感应端的电压响应是否随着激励端电压的改变而改变,是否成比例增加或减少。

检测各种压电材料的电压响应频率一致性。通过改变信号源的频率,来改变激励端两级之间的电压频率,观察感应端的电压响应的频率是否和激励端一致。

 检测不同的激励端和感应端间距对于电压响应幅值的影响。保持激励端的位置不变,改变感应端压电片和激励端的距离,观察感应端的电压响应幅值变化。

2.通过压电系统进行损伤的定位,通过时间延迟法和方向性响应模型实现板结构的损伤定位,提高压电材料超声检测的应用范围和精度。

实验内容1.png

测试目的:

  1. 测试各种压电材料作为激励源时的位移/力激励效果和作为感应端时的电压响应;

  2. 通过压电系统进行损伤的定位,通过时间延迟法和方向性响应模型实现板结构的损伤定位。

    测试设备:压电损伤监测系统,包括信号源,功率放大器,高性能示波器和上位机。

    实验过程:

    测试各种压电材料的电压响应情况:

    1.测试各种压电材料作为激励源时的位移/力激励效果和作为感应端时的电压响应,包括以下几个方面:

    (1) 检测各种压电材料的电压响应跟随性。通过改变电压放大器的放大倍数,来改变激励端两级之间的电压,观察感应端的电压响应是否随着激励端电压的改变而改变,是否成比例增加或减少。

    (2) 检测各种压电材料的电压响应频率一致性。通过改变信号源的频率,来改变激励端两级之间的电压频率,观察感应端的电压响应的频率是否和激励端一致。

    (3) 检测不同的激励端和感应端间距对于电压响应幅值的影响。保持激励端的位置不变,改变感应端压电片和激励端的距离,观察感应端的电压响应幅值变化。

实验过程1.png

实验过程2.png





测试结果:

       1.频率设置在20khz,40khz,80khz时的电压响应波形,跟随性良好。

测试结果1.png

测试结果11.png

       2.激励电压设置在100V,80V,60V时的电压响应波形,成比例变化。

测试结果2.png 

测试结果22.png

结论:在正弦波激励下,电压响应波形稳定,频率一致,幅值为百毫伏量级,满足信噪比要求.

3.在两倍距离处,电压响应衰减到原来的0.1倍,有利于噪声的去除,用时也限定了探测的范围大小。

测试结果3.png

4.对于猝发激励信号,功率放大器也可以实现电压的有效放大,响应良好。

测试结果4.png

5.对于用户自定义的任意波也有很好的电压放大效果。下图为理论和实际输出的曲线对比。

测试结果5.png

结论:通过对不同频率,幅值,波形的信号电压放大测试,可以发现基本可以满足实验要求,波形保持性,频率跟随性都较好,信噪比也较高。


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