實驗名稱：功率放大器基(ji)于壓電傳感器的曲面板缺陷定位(wei)研究

研(yan)究方向：

飛機(ji)蒙皮(pi)、飛機(ji)機(ji)翼、風力(li)機(ji)葉片(pian)等曲面(mian)結構一(yi)直(zhi)存在檢(jian)測困難的問(wen)題(ti)。為及早識別出飛機(ji)蒙皮(pi)的微(wei)小損傷，減少航空事故的發生，在(zai)飛機運行過程中，在(zai)役無損檢測非常重要(yao)。

超聲Lamb波(bo)探(tan)傷在(zai)(zai)薄(bo)(bo)板(ban)(ban)(ban)材(cai)結構(gou)的(de)(de)探(tan)傷中(zhong)(zhong)，非常(chang)好的(de)(de)彌補(bu)了(le)這些缺(que)點。Lamb波(bo)作為(wei)超聲導波(bo)在(zai)(zai)薄(bo)(bo)板(ban)(ban)(ban)材(cai)結構(gou)中(zhong)(zhong)傳播時(shi)衰減非常(chang)小，傳播非常(chang)長(chang)的(de)(de)距(ju)離之后檢(jian)(jian)測效果依然很明顯，而且(qie)，Lamb波(bo)在(zai)(zai)一(yi)(yi)次檢(jian)(jian)測過程中(zhong)(zhong)，能(neng)夠對(dui)薄(bo)(bo)板(ban)(ban)(ban)狀結構(gou)的(de)(de)一(yi)(yi)條線上的(de)(de)缺(que)陷進行同時(shi)檢(jian)(jian)測，大大的(de)(de)提高了(le)對(dui)板(ban)(ban)(ban)中(zhong)(zhong)缺(que)陷檢(jian)(jian)測的(de)(de)工作效率(lv)。而且(qie)Lamb波(bo)檢(jian)(jian)測技術對(dui)區域性(xing)檢(jian)(jian)測的(de)(de)能(neng)力(li)很好，Lamb波(bo)在(zai)(zai)傳播中(zhong)(zhong)會(hui)經過兩(liang)個(ge)探(tan)頭(tou)中(zhong)(zhong)間的(de)(de)區域，從而攜帶(dai)整個(ge)區域的(de)(de)信(xin)息。因此，超聲蘭姆(mu)波(bo)最適合做(zuo)薄(bo)(bo)板(ban)(ban)(ban)材(cai)料的(de)(de)無損(sun)檢(jian)(jian)測，為(wei)飛機(ji)蒙皮的(de)(de)超聲無損(sun)檢(jian)(jian)測提供了(le)新的(de)(de)方法。

壓電傳感器是實現(xian)Lamb波激勵和(he)接收的(de)主要傳感元(yuan)件，主要分為(wei)兩類：硬質壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)傳感器(qi)和(he)各式柔性壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)傳感器(qi)。硬質壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)傳感器(qi)是(shi)(shi)目前(qian)應用最(zui)為(wei)廣(guang)泛的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)傳感器(qi)，已發展出多種外形和(he)功能，如圖所示，包括各種形狀的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)片，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)堆疊片和(he)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)促動器(qi)等。壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)是(shi)(shi)最(zui)早被廣(guang)泛應用于制作(zuo)超聲傳感器(qi)的(de)材料(liao)(liao)。由(you)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)制備的(de)小型壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)片也作(zuo)為(wei)傳感網絡單元(yuan)，大量應用于結(jie)構健康監測的(de)相關研究。

實驗內容(rong)：

本實驗主要是搭建壓電材料損傷檢測系統，，包括信號源，功率放大器，示波器，上位機四部分。壓電材料往往具有很大的阻抗（MΩ級），需要功率放大器將激勵信號放大才能激勵出壓電信號。因此，高壓放大器為實驗中不可或缺的一環。

其目的(de)主要在于：

1.測試(shi)各種壓電材料作(zuo)為激勵源時的(de)(de)位移/力激勵效果和(he)作(zuo)為感應端時的(de)(de)電壓響應，包(bao)括(kuo)以下(xia)幾(ji)個方面：

第一步(bu) 檢測各種壓(ya)電(dian)材料的(de)(de)電(dian)壓(ya)響應(ying)跟(gen)隨性(xing)。通過改變(bian)電(dian)壓(ya)放大(da)器的(de)(de)放大(da)倍數(shu)，來改變(bian)激勵端兩級之間(jian)的(de)(de)電(dian)壓(ya)，觀察感應(ying)端的(de)(de)電(dian)壓(ya)響應(ying)是否(fou)隨著激勵端電(dian)壓(ya)的(de)(de)改變(bian)而改變(bian)，是否(fou)成比例增加或減少。

第二步 檢測各種壓(ya)電材料的(de)電壓(ya)響應(ying)頻(pin)率(lv)(lv)一(yi)致性。通過(guo)改(gai)(gai)變信(xin)號源的(de)頻(pin)率(lv)(lv)，來改(gai)(gai)變激(ji)勵端兩級之(zhi)間的(de)電壓(ya)頻(pin)率(lv)(lv)，觀察感應(ying)端的(de)電壓(ya)響應(ying)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)是(shi)否和(he)激(ji)勵端一(yi)致。

第(di)三步 檢(jian)測不同的(de)激勵(li)端(duan)(duan)(duan)和感應(ying)端(duan)(duan)(duan)間(jian)距(ju)對于電壓(ya)響(xiang)應(ying)幅(fu)值的(de)影響(xiang)。保持激勵(li)端(duan)(duan)(duan)的(de)位置不變，改變感應(ying)端(duan)(duan)(duan)壓(ya)電片和激勵(li)端(duan)(duan)(duan)的(de)距(ju)離，觀察感應(ying)端(duan)(duan)(duan)的(de)電壓(ya)響(xiang)應(ying)幅(fu)值變化。

2.通(tong)過(guo)(guo)壓(ya)電系統進行損(sun)傷的定(ding)位，通(tong)過(guo)(guo)時(shi)間延遲(chi)法和方向性響應(ying)模型(xing)實(shi)現板結構的損(sun)傷定(ding)位，提(ti)高壓(ya)電材料超聲檢(jian)測(ce)的應(ying)用范圍和精度(du)。

測試目的：

1. 測(ce)試各種壓電材料作為激勵(li)源(yuan)時的位移/力激(ji)勵效果和作為感應(ying)端時的(de)電壓響(xiang)應(ying)；

2. 通(tong)過壓電系統進行損(sun)傷(shang)的(de)定(ding)位(wei)，通(tong)過時間延遲法(fa)和(he)方向(xiang)性響應(ying)模型實現板結構的(de)損(sun)傷(shang)定(ding)位(wei)。

   測試設備：壓電損傷監測系統，包括信號源，高壓功率放大器，高性能示波器和上位機。

   實驗過程：

   測試各種壓(ya)電材(cai)料(liao)的電壓(ya)響應情況：

   1.測試各種壓(ya)電材料作為激(ji)勵源時的(de)位移/力激(ji)勵效(xiao)果(guo)和(he)作為感(gan)應(ying)端時的(de)電壓(ya)響應(ying)，包括以下幾個方面：

   （1） 檢測各種壓(ya)電材料的(de)電壓(ya)響(xiang)應跟隨(sui)性。通過改(gai)變電壓(ya)放大器的(de)放大倍數(shu)，來改(gai)變激(ji)勵端(duan)兩(liang)級之間的(de)電壓(ya)，觀察感應端(duan)的(de)電壓(ya)響(xiang)應是否(fou)隨(sui)著激(ji)勵端(duan)電壓(ya)的(de)改(gai)變而改(gai)變，是否(fou)成比例增(zeng)加或(huo)減少。

   （2） 檢測各(ge)種壓電(dian)材料(liao)的(de)電(dian)壓響應頻(pin)率(lv)一致性。通過改(gai)變(bian)信號(hao)源的(de)頻(pin)率(lv)，來改(gai)變(bian)激勵(li)端兩級之間的(de)電(dian)壓頻(pin)率(lv)，觀察(cha)感應端的(de)電(dian)壓響應的(de)頻(pin)率(lv)是否和激勵(li)端一致。

   （3） 檢(jian)測不同的(de)激(ji)勵(li)端(duan)和感應端(duan)間(jian)距對于電壓響應幅值的(de)影響。保(bao)持激(ji)勵(li)端(duan)的(de)位置不變，改變感應端(duan)壓電片和激(ji)勵(li)端(duan)的(de)距離(li)，觀察感應端(duan)的(de)電壓響應幅值變化。

測(ce)試結果：

       1.頻率設(she)置(zhi)在20khz，40khz，80khz時(shi)的電壓響應(ying)波形，跟隨性良好。

       2.激勵(li)電壓設置(zhi)在(zai)100V，80V，60V時的電壓響(xiang)應波(bo)形，成比例變化。

結論：在正弦波(bo)激勵(li)下，電(dian)壓響(xiang)應波(bo)形穩定，頻率(lv)一致(zhi)，幅(fu)值為百毫伏量級，滿(man)足信噪比要求.

3.在兩倍距離(li)處，電壓響應衰減到原來(lai)的0.1倍，有利于噪聲的(de)去除，用時也限(xian)定了(le)探測(ce)的(de)范圍(wei)大(da)小。

4.對于猝發激勵信號，功率放大器也可以實現電壓的有效放大，響應良好。

5.對(dui)(dui)于用(yong)戶(hu)自定(ding)義的(de)任意波也(ye)有很好的(de)電壓(ya)放大(da)效果(guo)。下圖為理論和實際輸出的(de)曲線(xian)對(dui)(dui)比(bi)。

結論：通過對(dui)不同頻(pin)(pin)率，幅值(zhi)，波形(xing)的信(xin)號(hao)電壓放大測試，可以發現基本可以滿足實驗要求，波形(xing)保持性，頻(pin)(pin)率跟隨性都較(jiao)好，信(xin)噪比也較(jiao)高。

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