用于结构损伤检测的OPFC超声相控线阵驱动理论及技术研究

摘要

用于声/电转换的超声相控阵驱动器是超声相控阵检测系统的关键组成部分之一，通过延时控制，超声相控阵驱动器具有自动聚焦和偏转的能力，可以对被测结构进行多方位快速扫描。由于相控阵驱动器直接产生超声波，因此它的结构形式及性能直接影响超声相控阵检测的性能和成像质量。针对复杂工程结构损伤特性及现有超声相控阵检测技术中驱动器存在的不足，在压电正交异性机理研究基础上，通过理论分析、数值仿真与实验验证研究了伸缩型压电正交异性纤维复合材料(Orthotropicpiezoelectricfibecomposite，OPFC)元件及相应的用于金属结构和混凝土结构损伤检测的OPFC超声相控线阵换能器，拓展了复杂工程结构无损检测新技术，为超声相控检测技术提供了理论和实验指导。
　　 基于力-电耦合理论，构造了伸缩型振动的压电正交异性纤维复合材料(OPFC)元件，系统地分析了各相材料特性、结构尺寸对OPFC驱动元件性能的影响规律，并对其驱动性能进行了测试分析。针对现有的超声相控阵换能器应用中单一PZT阵元力/电参数可设计性不足等原因，设计相应的用于金属结构和混凝土结构损伤检测的OPFC超声相控线阵换能器，突显出其驱动电压低，有效地抵制了栅瓣对有效信号的干扰;结合声场指向性分析，采用有限元法对金属中聚焦声场分布分析，研究不同参数变化时聚焦点处总位移的变化，得出最佳相控阵阵元间距、阵元宽度、阵元数等参数。
　　 研究了用于金属结构和混凝土结构损伤检测的OPFC驱动器的制备方法，对自行研制的叉指式OPFC元件进行了性能测试，并与常规PZT元件性能进行了对比分析，得出用于金属结构检测的叉指型OPFC具有低声阻抗和高机电耦合系数，而用于混凝土结构检测的OPFC超声驱动器的得灵敏度和带宽比传统换能器分别提高了3.9dB和27.21％。
　　 为有效克服材料阻尼对超声波传播过程的衰减，基于现场可编程门阵列(FPGA)的高集成度、高运行速度和可编程的特性，研制了16通道的相控延时和可控强度聚焦偏转发射/接收装置，实现了任意波形信号的直接数字合成，对OPFC超声相控驱动技术进行了结构损伤检测实验验证，取得了预期的效果。
　　 实验结果表明与现有超声相控阵驱动技术相比，其驱动聚焦能量、检测灵敏度都能得到提高，检测范围进一步扩大，验证了将OPFC超声相控线阵驱动/传感器用于结构损伤检测的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 结构损伤超声波检测技术的研究及应用概况

1．3 超声相控阵检测技术研究概况

1．4 超声相控阵检测中换能器技术的研究进展

1．5 本文的研究内容

第2章 超声相控阵驱动技术的基本理论

2．1 应力、应变与本构方程

2．1．1 应变与位移方程

2．1．2 平衡方程

2．1．3 本构方程

2．2 固体介质的波动方程

2．3 压电复合材料力电耦合理论

2．3．1 压电材料的压电方程及工作形式

2．3．2 压电复合材料换能器的力电耦合方程

2．4 超声相控阵驱动与接收波场的相关理论

2．4．1 超声相控阵驱动原理

2．4．2 超声相控阵成像原理

2．4．3 相控阵驱动器的辐射声场

2．4．4 声束指向性分析

2．4．5 相控阵驱动器的阵元参数选择

2．4．6 阵元数N的确定

2．4．7 相控阵传感器的成像分辨率

2．5 正交异性压电复合材料参数的确定

2．6 本章小结

第3章 OPFC超声相控线阵驱动器设计

3．1 伸缩型OPFC驱动元件功能仿真设计

3．1．1 有限元模型

3．1．2 网格划分和时间步长

3．1．3 材料参数

3．1．4 背衬材料对OPFC元件的性能影响

3．2 伸缩型OPFC超声相控阵元参数对驱动声场的影响

3．2．1 OPFC超声相控线阵驱动器驱动超声波的有限元分析

3．2．2 阵元参数分析

3．3 本章小结

第4章 OPFC超声相控线阵驱动器的制备和性能标测

4．1 OPFC超声相控阵线阵驱动器的制备

4．1．1 压电相材料的选择驱动／传感材料的选择

4．1．2 聚合物的选择

4．1．3 压电复合材料的制备

4．1．4 背衬材料的制备

4．1．5 保护层

4．1．6 耦合剂的选择

4．2 用于金属结构检测的伸缩型OPFC驱动元件性能测定与分析

4．2．1 介电常数测试

4．2．2 介电损耗测试

4．2．3 机械品质因数测试

4．2．4 机电耦合系数测试

4．3 用于混凝土结构检测的伸缩型OPFC超声相控线阵驱动器性能

4．3．1 测试装置

4．3．2 性能测试结果

4．4 本章小结

第5章 伸缩型OPFC超声相控线阵驱动器的实验研究

5．1 超声相控延时发射实验

5．1．1 激励信号选取

5．2 伸缩型OPFC相控线阵驱动器性能测试

5．2．1 灵敏度测试

5．2．2 频率特性

5．3 超声相控发射实验

5．3．1 相控延时与强度控制验证实验

5．3．2 基于FPGA的超声发射实验

5．4 超声相控阵损伤检测成像

5．4．1 超声相控阵检测仿真

5．4．2 金属材料中超声相控阵检测实验

5．4．3 全自动超声相控阵检测系统损伤成像结果比较

5．4．4 基于OPFC的超声相控阵驱动器在混凝土材料中的应用

5．5 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 本论文研究工作的结论

6．2 今后研究工作的展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文与参加的课题

附录