實驗名稱:功率放大器在干耦合超聲檢測系統(tǒng)中的應用

實驗設備：

干耦合探頭、超聲波脈沖發(fā)生接收儀、前置放大器、數(shù)字存儲示波卡、探頭工裝、功率放大器、信號發(fā)生器、示波器、電腦

實驗內(nèi)容:

為了解決超聲檢測過程中不能在固體火箭發(fā)動機殼體粘接結(jié)構(gòu)表面涂抹耦合劑的問題，首先構(gòu)建了一套干耦合超聲檢測系統(tǒng)，設計了具有特殊結(jié)構(gòu)形式壓電振子和傳聲桿的干耦合探頭。然后提出基于時間反轉(zhuǎn)的干耦合超聲成像方法，分析干耦合超聲時間反轉(zhuǎn)聚焦原理，通過對損傷散射信號的提取、時間反轉(zhuǎn)及二次加載，建立聚焦時刻的瞬態(tài)波動圖，最后通過對結(jié)構(gòu)微元信號幅值求和乘積兩種方式對缺陷進行成像。

實驗過程：

1.干耦合超聲的時間反轉(zhuǎn)方法

干耦合超聲時間反轉(zhuǎn)聚焦的過程如圖所示，首先，干耦合發(fā)射探頭中壓電振子受逆壓電效應影響激發(fā)產(chǎn)生超聲波，并通過傳聲桿傳入到復合材料試件中;然后，多個干耦合接收探頭在試件上不同位置接收板中的缺陷散射信號;其次，對接收信號進行時間反轉(zhuǎn)、放大及延時等處理，并以原接收探頭作為發(fā)射探頭，將處理后的信號重新加載發(fā)射;最后，二次采集接收信號，信號在波源處產(chǎn)生聚焦放大效果。

2.干耦合超聲檢測系統(tǒng)

工作原理：首先由超聲波脈沖發(fā)生接收儀激勵產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，并將其加載在干耦合探頭中壓電振子上，受逆壓電效應影響產(chǎn)生超聲波，并以導波形式在板中傳播，被接收探頭接收后受壓電效應影響超聲波又轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)前置放大器放大后由數(shù)字存儲示波卡進行采集、存儲并通過PC機進行顯示。

3.實驗驗證

本文采用5周期漢寧窗調(diào)制正弦函數(shù)作為激勵信號，頻率為70 kHz，信號重復頻率為1 kHz，電壓峰峰值為2V ，功放放大倍數(shù)為20倍。檢測時，首先由PC機調(diào)制激勵信號，發(fā)送至信號發(fā)生器，設定好檢測參數(shù)經(jīng)ATA-4051功率放大器放大后加載至發(fā)射探頭，另在試件各檢測位置布置接收探頭與示波器相連，為保持各檢測探頭耦合壓力一致，采用相同質(zhì)量鋼塊進行加壓。同時連接示波器與信號發(fā)生器的Trigger端使兩者保持同步，并采用方波上升沿的方式進行觸發(fā)控制。經(jīng)USB通信后，在LabVIEW環(huán)境中可實現(xiàn)示波器各通道采集數(shù)據(jù)的同步顯示與存儲，將存儲的信號數(shù)據(jù)進行截取、反轉(zhuǎn)、放大等操作，并重新發(fā)送至信號發(fā)生器進行加載，交換發(fā)射/接收探頭電纜，采集得到最終的聚焦放大信號，從而構(gòu)成了整個時間反轉(zhuǎn)操作這一閉環(huán)過程。

實驗結(jié)果：

根據(jù)導波傳播規(guī)律,聚焦時刻t,與到達損傷時間t之間的關(guān)系為: t, = tw 一ta= 0.4 ms.取f=0.1 mm ,超聲波在鋼中的傳播速度為3 100 m/s,橫坐標范圍為0 ~160 mm,縱坐標范圍為0~80 mm.根據(jù)求和、乘積形式得到最終的損傷成像分別如圖1、2所示.運用超聲水浸C掃描得到的圖像如圖3所示。

1)干耦合檢測信號經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)、二次加載及發(fā)射后會產(chǎn)生聚焦放大效果,位于缺陷處的能量最大；

2)通過對損傷散射信號進行采集、時間反轉(zhuǎn)及提取包絡線,建立信號聚焦時刻的瞬態(tài)波動圖，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)初步驗證了干耦合的時間反轉(zhuǎn)成像檢測方法。

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審核編輯：湯梓紅