用于結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的OPFC超聲相控線陣驅(qū)動(dòng)理論及技術(shù)研究.pdf

1、用于聲/電轉(zhuǎn)換的超聲相控陣驅(qū)動(dòng)器是超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，通過(guò)延時(shí)控制，超聲相控陣驅(qū)動(dòng)器具有自動(dòng)聚焦和偏轉(zhuǎn)的能力，可以對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方位快速掃描。由于相控陣驅(qū)動(dòng)器直接產(chǎn)生超聲波，因此它的結(jié)構(gòu)形式及性能直接影響超聲相控陣檢測(cè)的性能和成像質(zhì)量。針對(duì)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)損傷特性及現(xiàn)有超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)中驅(qū)動(dòng)器存在的不足，在壓電正交異性機(jī)理研究基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究了伸縮型壓電正交異性纖維復(fù)合材料(Orthotro

2、picpiezoelectricfibecomposite，OPFC)元件及相應(yīng)的用于金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的OPFC超聲相控線陣換能器，拓展了復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，為超聲相控檢測(cè)技術(shù)提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
　　 基于力-電耦合理論，構(gòu)造了伸縮型振動(dòng)的壓電正交異性纖維復(fù)合材料(OPFC)元件，系統(tǒng)地分析了各相材料特性、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)OPFC驅(qū)動(dòng)元件性能的影響規(guī)律，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。針對(duì)現(xiàn)有的超聲相控陣換能器應(yīng)

3、用中單一PZT陣元力/電參數(shù)可設(shè)計(jì)性不足等原因，設(shè)計(jì)相應(yīng)的用于金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的OPFC超聲相控線陣換能器，突顯出其驅(qū)動(dòng)電壓低，有效地抵制了柵瓣對(duì)有效信號(hào)的干擾;結(jié)合聲場(chǎng)指向性分析，采用有限元法對(duì)金屬中聚焦聲場(chǎng)分布分析，研究不同參數(shù)變化時(shí)聚焦點(diǎn)處總位移的變化，得出最佳相控陣陣元間距、陣元寬度、陣元數(shù)等參數(shù)。
　　 研究了用于金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的OPFC驅(qū)動(dòng)器的制備方法，對(duì)自行研制的叉指式OPFC元件進(jìn)行了性

4、能測(cè)試，并與常規(guī)PZT元件性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得出用于金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)的叉指型OPFC具有低聲阻抗和高機(jī)電耦合系數(shù)，而用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的OPFC超聲驅(qū)動(dòng)器的得靈敏度和帶寬比傳統(tǒng)換能器分別提高了3.9dB和27.21％。
　　 為有效克服材料阻尼對(duì)超聲波傳播過(guò)程的衰減，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的高集成度、高運(yùn)行速度和可編程的特性，研制了16通道的相控延時(shí)和可控強(qiáng)度聚焦偏轉(zhuǎn)發(fā)射/接收裝置，實(shí)現(xiàn)了任意波形信號(hào)的直接數(shù)字合成，對(duì)O