上述导波换能器中,PZT压电晶片具有体积小、重量轻、成本低的优点,适用于结构健康状态监测应用,因此目前各国研究团队主要使用PZT压电晶片作为导波激发和接收换能器。
3.2 导波激发波形优化
超声导波具有频散特性,不同频率的波包成分的传播速度不同,成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了避免此问题的发生,需要对导波激发频率和波形进行优化。
超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣,使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度,减小频散效应。图4为200kHz正弦波和加窗调制后的波形,以及其对应的频谱。
图4 5周期200kHz正弦波与加窗调制对比:
(a)原始信号,(b)原始信号频谱,(c)汉宁窗调制信号,(d)调制信号频谱
3.3 超声导波检测平台
超声导波检测方法不同于常规超声检测,它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测,而不是逐点检测,同时为较精确定位缺陷,必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上,针对超声导波的特殊性(如所选激励信号的特殊性,压电陶瓷换能器选取的特殊性等),建立了超声导波检测平台,如图5所示。
图5 超声导波检测平台
任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上,驱动压电陶瓷产生压电效应,将电压信号转变为相同频率的振动信号,在被检测结构中传播。但是,由任意波形信号发生器生成的电压信号的幅度范围为10mVP-P-10VP-P,远不足以驱动压电陶瓷换能器,在结构中激励出超声导波。因此,必须加大激励压电陶瓷传感器的激发电压。检测平台中采用的是自制的高压放大器,其可以将信号发生器产生的输入信号线性放大至180Vp-p。在180Vp-p输出下,放大器线性放大频率最高可达2MHz。
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