施靜雯

【摘要】超聲檢測技術(shù)是現(xiàn)今檢測領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康超聲檢測系統(tǒng)的工作原理是壓電效應(yīng)，其有利于檢測結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)研制的，結(jié)合薄膜中的傳播的高頻超聲波具有衰減與色散的性質(zhì)，在日常生活、航空技術(shù)、點火發(fā)動機、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域運用廣泛。

【關(guān)鍵詞】超聲檢測系統(tǒng) 設(shè)計 應(yīng)用

1引言

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的強度和剛度，由于結(jié)構(gòu)損傷日積月累的疊加和加深，最終會導(dǎo)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(xué)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(nèi)建立起許多研究機構(gòu)組織用于研究壓電傳感器。

近年來，研究學(xué)者一直致力于用高頻超聲波技術(shù)動態(tài)測量薄膜材料的力學(xué)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(yīng)，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(lǐng)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(nèi)在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

2設(shè)計原理

2.1壓電傳感型結(jié)構(gòu)健康超聲檢測原理

壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。壓電效應(yīng)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(yīng)包括正、逆壓電效應(yīng)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(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。正壓電效應(yīng)是材料將機械能轉(zhuǎn)換成電能的本領(lǐng)。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(yīng)用，壓電傳感器的頻帶、電力轉(zhuǎn)換效率、動態(tài)特性等不斷提高，為開辟新領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康檢測奠定了基礎(chǔ)。壓電傳感單元作為結(jié)構(gòu)材料和可調(diào)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(diào)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(zhì)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?？梢詫幽苻D(zhuǎn)換為電能，可以將其加工成薄膜用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)使用。當(dāng)薄膜材料受激光作用時，會產(chǎn)生的頻域響應(yīng)及位移響應(yīng)，從而得到PVDF傳感單元的力學(xué)響應(yīng)。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(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diào)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(dǎo)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(diào)電路集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而得到樣品結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用

壓電傳感型結(jié)構(gòu)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(jié)冰結(jié)構(gòu)、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(dǎo)彈爆炸等軍用領(lǐng)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(zhì)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(shù)用于醫(yī)學(xué)研究，如診斷宮腔、病床監(jiān)控、呼吸監(jiān)測等。

5小結(jié)

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(lǐng)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(xué)技術(shù)和創(chuàng)新能力，提高綜合國力和國際地位。