原创 基于压电传感器的曲面板缺陷定位研究-功率放大器的作用

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。

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。

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。压电陶瓷材料是最早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。

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：

第一步 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。

第二步 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。

第三步 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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。