利用PVDF传感器检测激光超声的实验研究

简要介绍了激光超声技术以及声表面波的基本特点、激光超声产生和接收的基本原理及激光超声技术的应用。概述了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的结构、性质和应用，以及薄膜压电性产生的机理。对PVDF换能器的设计思路和实验方法进行了简单讨论。具体实验采用脉冲激光器激发声表面波，利用PVDF传感器接收实验信号，调试实验信号，得出波形，并对实验现象作出初步分析。证实了该实验装置应用于激光超声无损检测的可行性与可靠性。     

PVDF压电薄膜超声换能器的初步实验

本工作对国产PVDF压电薄膜制成的超声换能器进行了初步实验.结果表明,PVDF压电薄膜换能器具有良好的接收响应.与PZT压电陶瓷换能器比较,其结构简单、制作方便以及能得到宽而平坦的通带特性,但灵敏度低.实验初步表明,国产PVDF压电薄膜巳达到了实用水平.     

兰姆波非线性效应的实验观察

对兰姆波非线性效应进行了实验观察。首先,对实验所采用的Ritec系统进行了介绍,尤其对实验系统的声学部分进行了详细考虑,特别是对二次谐波的时域响应进行了简洁直观的分析。根据兰姆波具有强烈非线性效应的条件,采用斜劈换能器发射和接收兰姆波。改变发射与接收斜劈换能器的间距,对一定频率范围内的兰姆波及二次谐波在固体板表面的振幅进行了测量。在基频与二倍频兰姆波相速度相等所对应的频率附近,分析了二次谐波振幅随传播距离的定量关系,从实验上证实了二次谐波在传播过程中具有积累增长效应的结论。     

板状材料上加强筋的几何形状对兰姆波透射特性的影响

为研究板状材料上加强筋结构对兰姆波透射特性的影响,通过有限元仿真和实验的方法,结合兰姆波频散曲线和二维傅里叶变换分析方法,研究了不同几何形状的加强筋结构对兰姆波垂直入射时的透射特性。仿真与实验的结果表明:加强筋结构会对兰姆波产生梳状滤波器效应,即同一几何形状的加强筋对不同频率的兰姆波透射程度不同;梳状滤波器的通带带宽和通带个数受到加强筋几何形状的影响;随着加强筋高度的增加,梳状滤波器的通带带宽变小且通带个数增加;随着加强筋厚度的增加,梳状滤波器的通带带宽和个数并不呈现单调变化;对于同一高厚比的加强筋,随着加强筋体积的变大,梳状滤波器的通带宽变小且通带个数增加。该研究结果可用于指导利用兰姆波对具有加强筋结构的板状材料进行结构健康监测和无损检测时兰姆波有效频率的选择,从而提高兰姆波能量的利用率和信号的信噪比。      

兰姆波非线性效应的实验观察(Ⅱ)

基于Ritec-SNAP系统对固体板中传播的兰姆波的非线性效应进行了实验观察。根据导波的模式展开分析方法和兰姆波的频散曲线,简述了兰姆波的积累二次谐波发生条件。采用一定倾角的斜劈换能器在固体板表面激发和接收兰姆波的基波和二次谐波时域信号,阐述了兰姆波的基波、二次谐波时域脉冲包络的积分振幅的物理意义,在固体板表面分别测量了不同传播距离的兰姆波的基波、二次谐波的幅频曲线。在兰姆波具有非线性效应的频率值附近,分析了兰姆波的二次谐波振幅随传播距离的变化关系。实验结果进一步证明了兰姆波在一定条件下具有强烈的非线性效应,其二次谐波表现出随传播距离积累增长的性质。     

管道结构中的类兰姆波层析成像

理论和实验上研究了层析成像在管道结构导波检测中的适用性。在管的两个圆周带上分别布置发射和接收换能器,形成多点发射-多点接收的几何结构。将管中绕管道沿最短路径的螺旋方向到达接收换能器的模式作为感兴趣的模式,它们看起来像在弯曲的板中传播,称之为类兰姆波模式。给出了类兰姆波各射线路径走时的理论计算方法,并采用联合迭代重建技术(SIRT)对走时数据进行慢度图像重建。数值模拟和实验研究了管中横穿孔缺陷层析成像的输出并对健康管和缺陷管中类兰姆波的走时数据进行比较,发现穿过缺陷区域的类兰姆波因为绕过缺陷传播而呈现出更长的走时。文中也给出了两缺陷管道类兰姆波层析成像的数值模拟和实验结果,相比单缺陷的情况,射线较少穿过区域缺陷的重建图像质量下降。研究结果为采用类兰姆波模式进行管道缺陷无损评价提供了理论依据。      

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

压电瞬态响应在换能器声功率测量中的应用

探索一种简便的聚焦超声功率测量方法,利用压电陶瓷片直接接收超声信号,通过机电类比得到压电瞬态响应由压电片在声波作用力下引起受迫振动产生的电压响应与固有振动产生的高频衰减响应叠加而成,分析输出压电信号与换能器声功率之间的换算关系。对输出压电信号进行二次包络提取,获得表征声功率变化的电压幅度曲线,分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压,将其平方值与声功率计所测声功率进行线性拟合,并对理论关系式中的比例系数进行标定。实验结果所得线性拟合度较高,且标定后所得声功率与声功率计所测值相对误差低于8.7%,证明了通过压电瞬态响应测量换能器声功率具有可行性。      

基于群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法

考虑到发射和接收换能器对超声兰姆波时域二次谐波信号所带来的不可避免的影响,提出一种基于基频与二倍频兰姆波群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法。当基频与二倍频超声兰姆波的相速度匹配而群速度失配时,在超声兰姆波传播过程中所发生的二次谐波信号,在时域上可与源于斜劈换能器的二次谐波信号相分离。采用仅源自于基频兰姆波的时域二次谐波的积分振幅,定量描述兰姆波二次谐波的发生效率。以铝板中传播的兰姆波为例,给出了时域二次谐波的具体测量过程。本文提出的测量方法放宽了超声兰姆波二次谐波的测量条件,且扣除了换能器对二次谐波信号所带来的影响,所测得的二次谐波信号完全来自于基频兰姆波时域信号的二次谐波发生效应。      

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

一种评价固体板材表面性质的非线性超声兰姆波方法

在基频与二倍频兰姆波相速度匹配但群速度失配的条件下, 通过选择适当的兰姆波二次谐波时域信号的测量起止时间, 可完全扣除换能器对二次谐波积分振幅测量所带来的影响。本文提出采用兰姆波二次谐波的积分振幅作为评价参量, 以实现对板材表面性质的准确评价。当板材表面性质发生改变时, 原本在理想表面条件下成立的基频与二倍频兰姆波相速度匹配的条件不再严格满足, 这将显著地影响到兰姆波的二次谐波发生效率, 相应的二次谐波积分振幅随表面性质的改变也将发生非常敏感的单调变化。实验结果表明,利用扣除换能器影响之后所测得的兰姆波二次谐波的积分振幅,可对板材表面性质的变化情况进行准确评价。     

Piezoelectric transducer parameter selection for exciting a single mode from multiple modes of Lamb waves

Excitation and propagation of Lamb waves by using rectangular and circular piezoelectric transducers surface-bonded to an isotropic plate are investigated in this work. Analytical stain wave solutions are derived for the two transducer shapes, giving the responses of these transducers in Lamb wave fields. The analytical study is supported by a numerical simulation using the finite element method. Symmetric and antisymmetric components in the wave propagation responses are inspected in detail with respect to test parameters such as the transducer geometry, the length and the excitation frequency. By placing only one piezoelectric transducer on the top or the bottom surface of the plate and weakening the strength of one mode while enhancing the strength of the other modes to find the centre frequency, with which the peak wave amplitude ratio between the S0 and A0 modes is maximum, a single mode excitation from the multiple modes of the Lamb waves can be achieved approximately. Experimental data are presented to show the validity of the analyses. The results are used to optimize the Lamb wave detection system.     

固体板中SH板波非线性效应的实验观察

采用微扰近似和导波的模式展开分析方法,从理论上简要分析了SH板波的二次谐波发生效应;尽管在无限大固体介质中单个切变波的二次谐波发生效应非常微弱,但在一定条件下由两个切变波构成的SH板波可具有强烈的非线性效应;本文的主要工作就是对此结论加以实验验证。试制了激发SH板波的切变波斜劈换能器和接收二次谐波信号的液体斜劈换能器,建立了非线性SH板波的实验研究系统;通过详细的理论分析和对比实验研究,阐明了在一定条件下实验观察到的显著二次谐波信号来源于SH板波传播过程中的强烈非线性效应。此外,针对不同的SH板波传播距离,在远场条件下分别测量了相应的二次谐波幅频曲线;在基频SH板波与二倍频对称兰姆波相速度相等所对应的频率值附近,分析了二次谐波的振幅随传播距离的变化关系,结果证明在一定条件下SH板波的二次谐波振幅可随传播距离积累增长,即SH板波可具有强烈的非线性效应。      

基于飞秒光频梳的压电陶瓷闭环位移控制系统

利用飞秒光频梳、外腔可调谐半导体激光器和法布里-珀罗干涉仪建立了一套压电陶瓷亚纳米级闭环位移控制系统. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳, 通过精确调谐光频梳的重复频率, 实现了半导体激光器在其工作频率范围内的精密调谐. 利用Pound-Drever-Hall锁定技术将带有压电陶瓷的法布里-珀罗腔锁定至半导体激光器, 进而通过频率发生系统控制压电陶瓷产生亚纳米级分辨率的位移. 实验研究发现锁定至光频梳后可调谐半导体激光器1 s的Allan标准偏差为1.68×10^-12, 将其在30.9496 GHz范围内进行连续闭环调谐, 可获得压电陶瓷的位移行程约为4.8 μm; 以3.75 Hz的步长扫描光频梳的重复频率, 实现了压电陶瓷的450 pm闭环位移分辨率并测定了压电陶瓷的磁滞特性曲线. 该系统不存在非线性测量误差, 且激光频率及压电陶瓷位移均溯源至铷钟频率源. 关键词： 光频梳 压电陶瓷 法布里-珀罗腔 可调谐半导体激光器     

Lamb wave sensors array for nonviscous liquid sensing

The interdigital transducer (IDT) can excite Lamb wave in a piezoelectric plate loading with a liquid layer, and the phase velocity of Lamb wave is associated with the properties of the liquid layer. In this paper, the concept of effective permittivity is introduced to study the Lamb wave’s potential application in liquid sensing. Considering the measuring of ideal nonviscous liquid, the sensors array is designed to sense the density and the dielectric constant of the liquid layer simultaneously. Using LiNbO₃ as piezoelectric material, in order to improve the sensors array sensitivity and the electro-mechanical coupling coefficient, the optimized results including plate thicknesses and cut orientations are presented by numerical simulation. These studies show that the Lamb wave sensors array can be potential in liquid sensing.     

基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

利用激光多普勒测振仪的空气耦合超声声场测量*

进行了空气耦合超声声场测量的实验研究。使用激光多普勒测振仪测量由声波引起的激光路径上的介质折射率变化,进而得到空气和固体材料内部的时域瞬态声压。通过直接测量空耦换能器的辐射声功率,给出对单个空耦换能器灵敏度的直接评价方法。用空耦换能器激励K9玻璃板的漏兰姆波,观测到空气中的直达波和反射波、固体板内和空气中的漏兰姆波,实现了空气和固体中微弱声波的非侵入式实验测量,为空耦换能器的特性评估和空耦检测系统的声场测量提供了实验方法。