超声检测系统的设计应用初探

【摘要】超声检测技术是现今检测领域中运用广泛，具有适用范围广、精度高、效率高、无损、自动化等优点。本文介绍了压电传感型结构健康超声检测和超薄PVDF超声阵列传感器两种超声检测系统。其中压电传感型结构健康超声检测系统的工作原理是压电效应，其有利于检测结构中是否存在微损伤、微损伤的存在位置及其严重程度。一般多用于汽车健康和土木工程建设等方面的检测。超薄PVDF超声阵列传感器是基于声发射技术研制的，结合薄膜中的传播的高频超声波具有衰减与色散的性质，在日常生活、航空技术、点火发动机、医学等领域运用广泛。

【关键词】超声检测系统 设计 应用

1引言

结构材料存在的微损伤，难以察觉，但随着使用时间越来越多，损伤程度不断增加，从而改变材料结构的强度和刚度，由于结构损伤日积月累的叠加和加深，最终会导致工程项目产生突发性实效或事故。所以需要先进的检测系统对项目提前检测，努力做到防患于未然，有利于提高资源的利用率和工程实施的效率。自上世纪起，已有科学家开始广泛运用压电材料，但是由于科技知识的限制，对压电材料的研究认识不够深刻，压电材料的使用范围和研究探索程度都是有限的。但是隨着科技不断进步，压电材料不断被开发运用，其优点也愈加明显，国内建立起许多研究机构组织用于研究压电传感器。

近年来，研究学者一直致力于用高频超声波技术动态测量薄膜材料的力学参数的研究工作，超薄PVDF超声阵列传感器具有稳定性好、抗干扰能力强，具有实时效应，准确性高等特点，通过激光产生非接触、宽频带的高频超声波，研发高精度的超薄传感器接收超声波的检测系统，只有深刻超薄PVDF超声阵列传感器的优缺点和实际运用领域，并且对于该目的需要采取主动的研究探索不断激励创新，才能改善国内在该领域的研究现状。

2设计原理

2.1压电传感型结构健康超声检测原理

压电式传感器是基于压电效应的传感器。压电效应最开始是在1880年由皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现的。晶体的压电效应包括正、逆压电效应两种，并且两者间存在可逆性。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。正压电效应是材料将机械能转换成电能的本领。压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。随着新型压电材料的开发应用，压电传感器的频带、电力转换效率、动态特性等不断提高，为开辟新领域的结构健康检测奠定了基础。压电传感单元作为结构材料和可调电路两个子系统的桥梁，具有双向的力-电耦合的作用。但是在实际操作时，需要考虑压电传感器的不足，为了保证实施的准确性，可以通过引入运算放大器的方法，有效地解决输出直流效益差和传播衰减问题。同时需要进一步修正参数，形成准确评价压电传感-可调电路集成健康的检测系统。

2.2超薄PVDF超声阵列传感器的原理

PVDF聚偏二氟乙烯压电薄膜是一种高分子薄膜，具有压电电压常数高、体积小、质量轻、稳定性高、声阻抗低、频响宽、灵敏度高、柔性好、易于加工和安装等特性。可以将动能转换为电能，可以将其加工成薄膜用于工业、医学使用。当薄膜材料受激光作用时，会产生的频域响应及位移响应，从而得到PVDF传感单元的力学响应。根据PVDF传感单元的位移输入和PVDF的压电性能方程，得到电信号输出结果，但此时电信号还需要放大才能进行后续研究。

3实验方案

3.1压电传感型结构健康超声检测实验方案

通过超声波换能器将超声波检测样品输入的电功率转换成高频超声波，再传递出去到宽频带压电传感器，通过可调电路将信号传递到宽频带超声波示波器。将超声波电信号导入有限元频域反演模型中，对实验检测得到超声电信号进行反演运算，通过分析压电传感-可调电路集成系统的数据，从而得到样品结构的力学参数及损伤的程度和位置。

3.2超薄PVDF超声阵列传感器的实验方案

在薄膜PVDF上发射激光从而时PVDF传感单元激发高频超声波，将高频超声波导入PDVF传感阵列接收器中，使超薄PVDF阵列传感器实验系统检测激光在薄膜表面激发产生的高频超声波的瞬态波形，再将波形信号通过信号放大器，使放大的信号通过高通滤波器，使允许高于某一条件截频的频率通过，而大大衰减较低频率，去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。再将最终得出的信号导入示波器中，通过电脑观察其瞬态波形，最后对材料进行分析评价。

4实际应用

压电传感型结构健康超声检测系统由于其即时性准确性的特点，如常用于在检测混凝土的健康、检测湖水结冰结构、交通钢轨健康监测、微生物检测等。还可以用于测量火炮撞击力、模拟导弹爆炸等军用领域。

同时随着研究的深入，PVDF更加联系生活，许多生活用品基于PVDF的原理被生产出来，提高了人们的生活质量。PVDF薄膜信号效果显示明显，信号处理实时，可以用于工地现场的信号检测。同时还可以将PVDF技术用于医学研究，如诊断宫腔、病床监控、呼吸监测等。

5小结

综上，本文对压电传感器和超薄PVDF超声阵列传感器进行了不断的深入研究和改进，这两种健康检测系统尚处于摸索和尝试阶段，仍需要研究人员不断的研究和改进，改善超声波检测系统的薄弱环节，不断完善提高系超声检测的优势环节。创新是引领发展的第一动力，这要求国家组织要大力积极地培养新型高级创新研究人才队伍，在尝试失败中发展推动我国的科学技术和创新能力，提高综合国力和国际地位。

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