射頻功率放大器在紡織復(fù)合材料研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：非線性超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

研究方向：以RTM/紡織復(fù)合材料為檢測(cè)對(duì)象，利用非線性超聲檢測(cè)方法對(duì)RTM復(fù)合材料孔隙缺陷進(jìn)行表征，通過(guò)非線性特征參量測(cè)量，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率的定量表征。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證非線性超聲系統(tǒng)的基本要求以及幾種非線性超聲實(shí)驗(yàn)方法并針對(duì)本研究的檢測(cè)對(duì)象RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率缺陷對(duì)超聲信號(hào)的非線性響應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于有限幅度非線性超聲檢測(cè)方法的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

測(cè)試設(shè)備：系統(tǒng)主要包括TektronicAFG3102、功率放大器Aigtek公司的ATA-8202、TektronixTDS3032B數(shù)字式熒光示波器、發(fā)射和接收壓電傳感器、計(jì)算機(jī)和夾具。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：本研究的非線性超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用聲波透射法，寬帶接收方式，分別測(cè)量基波和二階、三階高次諧波的幅值。首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波脈沖串，引入功率放大器放大，激勵(lì)發(fā)射壓電傳感器發(fā)射單一頻率的超聲波，使其耦合進(jìn)入被測(cè)材料，大振幅超聲波與材料中的晶格畸變、微裂紋、晶格的非簡(jiǎn)諧性等微損傷相互作用，使得透過(guò)材料的聲波發(fā)生較強(qiáng)的非線性失真，位于試樣另一端的接收換能器將對(duì)該非線性超聲信號(hào)進(jìn)行采集，然后利用matlab軟件對(duì)接收到的超聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到基波和二次諧波幅值，通過(guò)公式計(jì)算得到材料的高階相對(duì)非線性系數(shù)。原理框圖如下所示：

(a)非線性超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)激勵(lì)波形選擇

圖3-7所示為3種常見(jiàn)激勵(lì)波形。采用連續(xù)波(圖3-7(a))進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)可產(chǎn)生單一頻率的超聲波(如圖3-7(b)所示)。由于非線性超聲檢測(cè)主要是在頻域上分析信號(hào)，因此激勵(lì)信號(hào)中頻率成分會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)很大影響，所以保證激勵(lì)信號(hào)中頻率單一是非線性超聲檢測(cè)的前提條件。但要得到大功率連續(xù)波通常比較困難，而且連續(xù)波激勵(lì)下，檢測(cè)的軸向分辨率低。采用單脈沖模式(圖3-7(c)作為激勵(lì)方式，盡管該模式下激勵(lì)波形幅值很大，檢測(cè)的軸向分辨力高，但單脈沖信號(hào)本身頻率范圍較寬(如圖3-7(d)所示)，很有可能在發(fā)射端引入除基波以外的頻率成分，而不同的頻率成分與微缺陷作用的非線性響應(yīng)也不一樣，使得接受信號(hào)中引入不是由材料本身產(chǎn)生的非線性諧波成分，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。同時(shí)由于單脈沖激勵(lì)下超聲波與材料作用的時(shí)間很短很難產(chǎn)生強(qiáng)的非線性效應(yīng)，因此，基于以上所述原因，本實(shí)驗(yàn)擬采用圖3-7(e)所示的脈沖串模式作為激勵(lì)信號(hào)。該模式下能獲得輸出功率較高且頻率成分較單一的激勵(lì)信號(hào)，因此脈沖串模式在非線性超聲檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

脈沖串模式下波形周期數(shù)可調(diào)，周期數(shù)越多，頻率成分越單一。結(jié)合試塊及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有換能器等條件,本實(shí)驗(yàn)采用頻率為2.25M周期數(shù)為30的脈沖串。圖3-8(a)為本實(shí)驗(yàn)所用到的20個(gè)周期的脈沖串激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形。圖3-8(b)為FFT變換后的頻域波形，從頻域上看，在5MHz的倍頻位置上并沒(méi)有出現(xiàn)二次諧波，表明所用信號(hào)頻率成分單一不會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)選用中心頻率為2.25MHz的窄帶PZT材料壓電品片作為發(fā)射換能器，之所以選擇裸片作為發(fā)射換能器是因?yàn)?，與商業(yè)化換能器相比，裸片的振動(dòng)是自由振動(dòng)不受阻尼塊及其它部件的影響，很大程度上減少了換能器引入的非線性干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。圖3-9為PZT品片實(shí)物圖。圖3-10為PZT品片由方波激勵(lì)而得到的初始振動(dòng)波形圖。圖3-11PZT品片掃頻圖，從圖中可以看到該品片的中心頻率為2.25M,目頻帶寬度較窄，其產(chǎn)生的超聲波頻率成分比較單一符合課題選擇非線性超聲實(shí)驗(yàn)的發(fā)射換能器條件。

本實(shí)驗(yàn)選擇寬帶接收方式，如圖3-12所示，即由一個(gè)頻帶較寬的換能器同時(shí)接收基波和高階諧波。能夠?qū)邮招盘?hào)中的基波和諧波都有較好的響應(yīng)。保證了實(shí)驗(yàn)的一致性，同步性較好?；谏鲜隼碚?，實(shí)驗(yàn)選擇了OlympusPanametrics系列商用探頭，其型號(hào)為OlympusC109,該探頭中心頻率4MHz。圖3-13是該換能器的實(shí)物圖，圖3-14為該探頭的掃頻圖，從圖中可以看出該換能器寬帶較寬，對(duì)1.5MHz到6.5MHz頻率范圍內(nèi)均有響應(yīng)?？煞奖銓?shí)驗(yàn)觀測(cè)二次、三次諧波。

本實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證非線性超聲系統(tǒng)的基本要求以及幾種非線性超聲實(shí)驗(yàn)方法并針對(duì)本研究的檢測(cè)對(duì)象RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率缺陷對(duì)超聲信號(hào)的非線性響應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于有限幅度非線性超聲檢測(cè)方法的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并分析了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可能帶來(lái)的非線性干擾源，分別選定了符合非線性超聲實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)波形、發(fā)射和接收換能器等，確保了試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

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