摘" 要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬材料的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷并識(shí)別其表面結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變形或破壞，以便及時(shí)采取可靠的預(yù)警措施，文中對(duì)受外力作用的亞克力板上布置的柔性壓電片的電聲特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，搭建了一種可進(jìn)行外力變形的裝置和一套能進(jìn)行超聲檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)。該傳感器彌補(bǔ)了現(xiàn)有非金屬檢測(cè)設(shè)備成本高、操作復(fù)雜、難以實(shí)際應(yīng)用的不足。將多塊柔性壓電片布置在非金屬板上，選取最佳的激勵(lì)頻率對(duì)其中一塊柔性壓電片進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)不斷改變材料形變程度來(lái)接收并分析其余柔性壓電片的響應(yīng)信號(hào)。同時(shí)在板上模擬了裂縫，檢測(cè)該狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)變化情況。結(jié)果表明：當(dāng)材料發(fā)生形變時(shí)，柔性壓電片接收的信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，且與形變的程度相關(guān)；而當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，傳播的信號(hào)能量會(huì)衰減，這種變化和損傷的程度是成正相關(guān)的。

關(guān)鍵詞： 非金屬材料； 超聲檢測(cè)； 變形場(chǎng)； 柔性壓電片； 傳感器； 裂縫

中圖分類號(hào)： TN98?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2025）04?0001?09

Research on ultrasonic measurement of deformation field of non?metallic materials

ZHANG Yangke1， 2， JIN Ying3， JIN Weiliang3， QIU Kaijun4， LI Qing1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;

2. National and Local Joint Engineering Laboratory for Disaster Monitoring Technology and Instruments， Hangzhou 310018， China;

3. Zhejiang Institute of Special Equipment Science， Hangzhou 310020， China;

4. Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Products Quality Inspection， Hangzhou 310015， China）

Abstract： In order to realize real?time monitoring of non?metallic materials， judge and identify whether their surface structures are deformed or damaged， and take reliable warning measures in a timely manner， the electro?acoustic characteristics of the flexible piezoelectric sheet arranged on the acrylic plate subjected to external force are analyzed in detail， and a device that can be deformed by external force and a set of sensor system capable of ultrasonic detection are constructed. The sensor can make up for the shortcomings of the existing non?metallic detection equipment， such as high cost， complex operation， and difficulty in practical application. Multiple flexible piezoelectric sheets are arranged on a non?metallic plate， the optimal excitation frequency is selected to excite one of the flexible piezoelectric sheets， and the response signals of the rest of the flexible piezoelectric sheets are received and analyzed by continuously changing the degree of material deformation. The crack was simulated on the plate to detect the change of response signal in this state. The results show that when the material is deformed， the signal received by the flexible piezoelectric changes can changes and be correlated with the degree of deformation， while when a crack occurs， the transmitted signal energy can decay， and this change is positively correlated with the degree of damage.

Keywords： non?metallic material; ultrasonic testing; deformation field; flexible piezoelectric sheet transducer; sensor; crack

近幾年來(lái)，大量由非金屬材料構(gòu)成的特種設(shè)備涌入到了人們的日常生產(chǎn)和生活中，該設(shè)備在使用的過(guò)程中可能由于內(nèi)外壓差不同、碰撞等原因而產(chǎn)生變形以致爆炸，所以其安全性受到了極大的關(guān)注，需要定期檢測(cè)以避免危害[1]。然而目前對(duì)非金屬材料應(yīng)變檢測(cè)的技術(shù)尚不完善，通常使用電阻應(yīng)變片的方法，而較少采用適用于金屬材料的渦流檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[2]使用應(yīng)變片檢測(cè)3D打印的腰形筒的應(yīng)變問(wèn)題，雖然此方法靈敏度較高，但需連接電橋電路，而電橋由于電阻阻值的誤差，在初始狀態(tài)下就不處于平衡，后續(xù)誤差只會(huì)更大；且應(yīng)變片發(fā)生變形引起電橋輸出的電壓只有毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，不利于讀取。針對(duì)這種定期檢測(cè)形變量的需求，目前唯一可行的方法是采用超聲測(cè)量技術(shù)。文獻(xiàn)[3]使用超聲檢測(cè)金屬材料表面的應(yīng)力變形情況，得出了超聲波與應(yīng)力之間的關(guān)系。然而，目前針對(duì)非金屬材料的應(yīng)變檢測(cè)方面的研究非常有限。因此，本文提出了一種檢測(cè)非金屬材料變形的超聲測(cè)量方法，對(duì)于現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)研究意義。

為了檢測(cè)非金屬材料表面的應(yīng)變情況，本文根據(jù)材料表面受力變化的特點(diǎn)，在不破壞待測(cè)構(gòu)件的前提下，制作了檢測(cè)電路和檢測(cè)裝置，通過(guò)硬件與軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析，以及對(duì)構(gòu)件受力方式的優(yōu)化，最終得出了超聲波在非金屬材料變形場(chǎng)變化的相關(guān)規(guī)律。與其他檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)在于攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，而且由于眾多非金屬材料對(duì)超聲波是“透明”的，因此可直接應(yīng)用超聲波對(duì)一些構(gòu)件的表面變形進(jìn)行檢測(cè)[4?5]。

1" 超聲檢測(cè)原理

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的不同，超聲波可以分為縱波、橫波和表面波等類型。這三種波都能在固體材料中傳播，特別是縱波，除了能夠在固體中傳播之外，還可以在氣體和液體這兩種介質(zhì)中傳播[6?8]。鑒于本文的檢測(cè)對(duì)象為非金屬材料，采用超聲傳感器進(jìn)行檢測(cè)，因此主要研究超聲縱波和橫波。

當(dāng)介質(zhì)受到變化的拉伸力和壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)間距疏密變形，若質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相同，此波形即為縱波；而當(dāng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生橫向振動(dòng)，其振動(dòng)方向與傳播方向垂直則為橫波。超聲波[9?11]的表達(dá)式為：

[Y=Acos（ωt+φ）] （1）

式中：[A]表示振幅；[ω]表示頻率；[φ]表示相位。

超聲波作為一種機(jī)械波，通常使用壓電晶片激發(fā)產(chǎn)生。壓電材料在拉壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)的效應(yīng)為正壓電效應(yīng)；在交變電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形的效應(yīng)為逆壓電效應(yīng)，兩種統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)[12?13]。壓電效應(yīng)圖如圖1所示。

圖1的壓電效應(yīng)中涉及極化強(qiáng)度，具體指的是壓電材料在受到外部機(jī)械力或電場(chǎng)作用時(shí)，電荷移動(dòng)產(chǎn)生的電偶極矩的大小，且極化方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷。無(wú)外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的正負(fù)電荷整齊排列，幾何中心電荷重疊代數(shù)和為零，此時(shí)壓電材料表征為電中性；外力作用使壓電材料發(fā)生形變時(shí)，材料內(nèi)部電荷極化程度變?nèi)?，使正?fù)電荷不再規(guī)則排列，而向兩邊表面移動(dòng)堆積形成電勢(shì)，幾何中心電荷失去平衡，從而使材料對(duì)外顯示電性。當(dāng)撤去外力時(shí)，壓電材料恢復(fù)至初始表面不聚集電荷的狀態(tài)。當(dāng)壓電材料接有電場(chǎng)時(shí)，材料內(nèi)部電荷極化程度變強(qiáng)，使電荷被電極吸引，電荷向兩邊表面移動(dòng)，此時(shí)電荷運(yùn)動(dòng)會(huì)使壓電片振動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。

壓電片振動(dòng)形式圖[14]如圖2所示。超聲波產(chǎn)生及在亞克力板中的傳播示意圖如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)用到的柔性壓電片電極分布于上下層，因此當(dāng)給一側(cè)壓電片進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)時(shí)，壓電片是在縱向呈波浪式振動(dòng)變形產(chǎn)生超聲波，這屬于逆壓電效應(yīng)。由于壓電片粘貼于亞克力板上，超聲波通過(guò)亞克力板進(jìn)行傳播直至被另一側(cè)壓電片接收超聲波信號(hào)，其傳播方向垂直于振動(dòng)方向，因此以橫波的形式進(jìn)行傳播，另一側(cè)壓電片接收信號(hào)也會(huì)振動(dòng)變形，引起正負(fù)電荷移動(dòng)，發(fā)生正壓電效應(yīng)。

通過(guò)精心選擇壓電材料的適當(dāng)諧振頻率，并施加與該頻率相匹配的信號(hào)激勵(lì)，可以使壓電材料的振動(dòng)幅度達(dá)到最大值。當(dāng)壓電材料與亞克力板耦合為一個(gè)整體，并確保整體的諧振頻率不會(huì)隨著外界的變形而改變時(shí)，可以假設(shè)主動(dòng)壓電材料發(fā)出的超聲波能量是恒定的。在這種情況下，接收到的壓電材料響應(yīng)信號(hào)的能量主要取決于材料的變形程度。超聲波在固體材料介質(zhì)中進(jìn)行傳播，會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象，主要包括介質(zhì)吸收、波束擴(kuò)散和晶粒散射[15]。隨著超聲信號(hào)傳輸距離增加，其能量逐漸減小。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，介質(zhì)衰減表示吸收衰減與散射衰減。其聲壓、聲強(qiáng)衰減公式如下：

[Px=P0e-ax] （2）

[Ix=I0e-2ax] （3）

式中：[P0]和[I0]分別表示波源的起始聲壓和壓強(qiáng)；[Px]和[Ix]分別表示距離波源x處的聲壓和壓強(qiáng)；[a]表示衰減系數(shù)，單位為Np/mm，其與材料的密度、粘滯系數(shù)和溫度相關(guān)。

2" 超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 超聲檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)

本文自主研發(fā)設(shè)計(jì)了超聲檢測(cè)傳感器，其整體的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5所示為電路板的實(shí)物圖。整個(gè)電路主要分為電源模塊（由LM78系列、LM79系列與AMS1117芯片組成）、MCU控制模塊（由STM32F103RCT6和8 MHz晶振組成）、激勵(lì)信號(hào)輸入模塊（由AD9834DDS信號(hào)發(fā)生器、AD603可變?cè)鲆娣糯笃骱蚅T1206電流反饋放大器組成）、輸出信號(hào)處理模塊（由AD818低功耗運(yùn)算放大器和AD637有效值轉(zhuǎn)換芯片組成）和通信模塊。

首先通過(guò)編寫代碼對(duì)MCU進(jìn)行控制指令傳達(dá)，然后通過(guò)MCU控制AD9834，利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)[16]（DDS）產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離直流后，由AD603和LT1206運(yùn)放對(duì)信號(hào)放大，再經(jīng)濾波處理干擾和諧波后激勵(lì)壓電材料。AD603芯片的增益計(jì)算公式為：

[Gain=40VG+10] （4）

主動(dòng)壓電材料發(fā)出的超聲信號(hào)沿著非金屬板傳播到被動(dòng)壓電材料上，后續(xù)再經(jīng)放大濾波，用有效值轉(zhuǎn)換電路將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，并通過(guò)MCU進(jìn)行AD采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)由通信模塊上傳到上位機(jī)。

2.2" 超聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了使得非金屬板應(yīng)變更加均勻、集中，設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。由于本文實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的是非金屬材料，因此選用亞克力板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

平臺(tái)兩側(cè)各有一個(gè)3 cm厚的支撐鋼條，將亞克力板置于支撐鋼條上，再用1 cm厚鋼條壓住，并通過(guò)螺栓旋緊固定。應(yīng)變臺(tái)中間部分用兩個(gè)小鋼塊頂住一根長(zhǎng)鋼條，長(zhǎng)鋼條中間用M20的螺栓對(duì)亞克力板進(jìn)行外力加載，其中每轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓1圈，亞克力板從支點(diǎn)到加載點(diǎn)的形變量就提高1螺距（2.5 mm），從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。本?shí)驗(yàn)采用了兩種加載模式，如圖7所示，第一種直接采用螺栓施力，第二種將一根長(zhǎng)鋼條放置于螺栓下部，螺栓帶動(dòng)鋼條給待測(cè)構(gòu)件施力。

2.3" 超聲傳感器的選型

本實(shí)驗(yàn)需要激發(fā)產(chǎn)生超聲波，可以選擇超聲探頭與壓電片，但由于后續(xù)需要進(jìn)行分布式測(cè)量而探頭的形式不利于分布式測(cè)量，因此選擇壓電片來(lái)激發(fā)信號(hào)。壓電片可以分為剛性和柔性兩種類型。剛性壓電片通常由陶瓷類材料制成，如壓電陶瓷，具備較高的剛性和硬度。柔性壓電片通常由柔性基材上覆蓋有壓電材料層構(gòu)成，具有較好的柔韌性和彎曲性，適用于需要適應(yīng)曲面或柔性結(jié)構(gòu)的情況。本實(shí)驗(yàn)對(duì)非金屬板進(jìn)行形變，需要壓電片隨著非金屬板發(fā)生變形，因此選擇柔性壓電片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。柔性壓電片主要根據(jù)組成材料不同來(lái)劃分，包括聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏亞氟乙烯三氟乙烯共聚物（PVDF?TrFE），PVDF?TrFE在性能上與PVDF類似，但柔韌性比PVDF稍遜一籌，且PVDF?TrFE更貴，因此選擇以PVDF構(gòu)成的柔性壓電片。本實(shí)驗(yàn)中用到的柔性壓電片的主要參數(shù)如表1所示。

3" 非金屬板的形變有限元仿真

利用ANSYS Workbench仿真軟件建立非金屬板的仿真模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的示意圖如圖8所示。非金屬板以亞克力板為例，此模型是為了探究在有外力作用時(shí)非金屬板變形的規(guī)律和等效應(yīng)力狀況。仿真模型具體的物理參數(shù)如表2所示。

具體的實(shí)驗(yàn)中使用大螺栓對(duì)亞克力板中心施力，因此仿真中對(duì)模型的中心添加壓印面，由上往下施力（以50 N和200 N為例），同時(shí)對(duì)模型長(zhǎng)端兩側(cè)施加約束條件，將其作為固定支撐，最終計(jì)算求解得到的總變形和等效應(yīng)力圖如圖9～圖12所示。

圖9與圖11說(shuō)明施加外力時(shí)，越靠近板子中心，變形程度越大且呈階梯式下降至兩側(cè)為0，同時(shí)變形程度與施力大小呈正比。這是由于實(shí)驗(yàn)的施力區(qū)域?yàn)榉墙饘侔遄诱行模遄觾蓚?cè)為固定支撐點(diǎn)，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

當(dāng)外力作用時(shí)，亞克力板的大致變形圖如圖13所示。兩側(cè)固定支撐面作用下，假設(shè)板子上下表面的拉伸與收縮點(diǎn)分別為A、C、F和B、D、E。以上表面點(diǎn)A、E為例，A處拉伸，E處收縮，則在AE之間必存在既不拉伸也不收縮的點(diǎn)，從而導(dǎo)致等效應(yīng)力圖兩側(cè)支撐面與中心施力點(diǎn)之間存在應(yīng)力較小處。因采用螺栓施力，螺栓施力時(shí)其外輪廓作用力大于螺栓施力中心，因此導(dǎo)致圖中圓圈輪廓處等效應(yīng)力大于內(nèi)部。而在外力施加時(shí)，板子兩側(cè)支撐面也存在力的作用，從而導(dǎo)致兩側(cè)等效應(yīng)力略大，因此造成了等效應(yīng)力圖中各顏色的分布情況。

4" 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)部分：第一部分將數(shù)個(gè)柔性壓電片粘貼于非金屬板，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓來(lái)改變板子形變程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析壓電片的響應(yīng)信號(hào)；第二部分在非金屬板上模擬裂縫來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析壓電片的響應(yīng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將一組柔性壓電片兩級(jí)引出導(dǎo)線，間隔10 cm用401速干膠固定于亞克力板上。401膠粘合效果好且能快速固化，能夠?qū)弘娖头墙饘侔羼詈铣梢粋€(gè)整體。本文經(jīng)過(guò)大量掃頻實(shí)驗(yàn)得出：布置好的壓電片的最佳頻率為40 kHz，曲線如圖14所示。

4.1" 非金屬板形變實(shí)驗(yàn)

4.1.1" 螺栓帶動(dòng)鋼條加載實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中采用的亞克力板尺寸為400 mm×340 mm×3 mm，因此將一塊尺寸為340 mm×30 mm×10 mm的鋼塊置于亞克力板的中心，并保持40 kHz頻率不變，將大螺栓作用于鋼塊而帶動(dòng)亞克力板進(jìn)行形變實(shí)驗(yàn)，使材料形變量為4螺距（10 mm），外力加載在20 s內(nèi)完成。繪制成的被動(dòng)柔性壓電片的響應(yīng)信號(hào)曲線如圖15所示，其中曲線橫坐標(biāo)被壓深度h示意圖如圖16所示。

4.1.2" 螺栓直接加載實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)保持40 kHz頻率不變，用大螺栓直接對(duì)亞克力板進(jìn)行形變實(shí)驗(yàn)，使材料形變量為4螺距（10 mm），外力加載在20 s內(nèi)完成，繪制成的被動(dòng)柔性壓電片的響應(yīng)信號(hào)曲線如圖17所示。

4.1.3" 不同距離與方向?qū)嶒?yàn)

螺栓對(duì)亞克力板施力，可在板上分為上、下、左、右4個(gè)不同方向，且兩側(cè)是對(duì)應(yīng)的。實(shí)驗(yàn)先在亞克力板的下側(cè)與右側(cè)分別布置相對(duì)距離為0 cm、5 cm、10 cm、15 cm四種距離的壓電片，且壓電片的擺放形式分為如圖18所示的A、B、C三種，總計(jì)24種，在不改變外力的條件下給主動(dòng)壓電片信號(hào)激勵(lì)，每組進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，將被動(dòng)壓電片接收到的響應(yīng)信號(hào)的平均峰峰值繪制成曲線圖。但由于數(shù)據(jù)較多且接近，因此以下側(cè)壓電片0 cm與5 cm處不同擺放形式為例，具體響應(yīng)信號(hào)圖如圖19、圖20所示。

4.1.4" 柔性壓電片的分布式測(cè)量

壓電片的分布式測(cè)量是一種通過(guò)在結(jié)構(gòu)表面安裝多個(gè)柔性壓電傳感器，來(lái)獲取結(jié)構(gòu)表面多個(gè)位置的物理量信息的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中改變邊界條件，將亞克力板的4端固定，并將11塊壓電片粘貼于亞克力板中，一塊壓電片作為信號(hào)源記為a，其余的壓電片分別記為b～k，具體的粘貼方式如圖21所示。對(duì)主動(dòng)柔性壓電片信號(hào)激勵(lì)，并對(duì)被動(dòng)柔性壓電片分別接入電路，通過(guò)施加外力測(cè)得并記錄被動(dòng)壓電片的響應(yīng)信號(hào)的電壓值，10塊壓電片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由于實(shí)驗(yàn)采用的壓電片數(shù)量偏多，若全部選取繪制成一幅曲線圖或者單獨(dú)每個(gè)一張曲線圖，會(huì)導(dǎo)致雜亂無(wú)章，因此選取表中b、e、i三塊柔性壓電片數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，具體如圖22～圖24所示。

4.1.5" 柔性壓電片的響應(yīng)信號(hào)變大驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前將兩塊柔性壓電片粘貼于亞克力板上，其中一塊布置于變形程度較大處，另一塊靠近板子的支撐面，具體擺放形式如圖25所示。

將a壓電片和i壓電片分別作為激發(fā)信號(hào)端和接收信號(hào)端，通過(guò)改變板子形變程度記錄接收端的平均峰峰值，結(jié)果如表4所示。

4.2" 形變實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從不同距離與方向的實(shí)驗(yàn)中得知，被動(dòng)柔性壓電片響應(yīng)信號(hào)大小與主動(dòng)柔性壓電片之間的距離相關(guān)，且成反比關(guān)系。而通過(guò)相同間距下不同的擺放形式的響應(yīng)信號(hào)大致相同，可以說(shuō)明壓電片響應(yīng)信號(hào)的變化與擺放形式無(wú)關(guān)，只與材料的變形相關(guān)。螺栓帶動(dòng)鋼條加載實(shí)驗(yàn)與螺栓之間加載實(shí)驗(yàn)表面，隨著亞克力板的形變程度不斷增大，被動(dòng)柔性壓電片的響應(yīng)信號(hào)逐漸增大，且由于前者的形變程度大于后者，因此鋼條加載實(shí)驗(yàn)的被動(dòng)壓電片接收響應(yīng)信號(hào)變化幅度大。當(dāng)施加外力于亞克力板上，主動(dòng)壓電片隨著亞克力板發(fā)生變形，會(huì)使正負(fù)電荷分離更多，從而產(chǎn)生更大的電場(chǎng)，引起超聲波的振幅增大。從公式（1）可知，振幅變大，超聲信號(hào)變大。在此情況下，超聲信號(hào)到達(dá)被動(dòng)壓電片時(shí)，由于壓電效應(yīng)從而形成更大的電信號(hào)。同時(shí)，在外力作用下被動(dòng)壓電片也會(huì)發(fā)生變形，使電荷分離得更多，導(dǎo)致響應(yīng)信號(hào)變大。因此不斷調(diào)節(jié)大螺栓來(lái)改變亞克力板的形變程度會(huì)導(dǎo)致電壓信號(hào)不斷提高。同時(shí)為了驗(yàn)證上述理論的真實(shí)性，又進(jìn)行了4.1.5節(jié)中的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明主動(dòng)與被動(dòng)壓電片發(fā)生變形均會(huì)使接收端的電壓信號(hào)變大。

在壓電片的分布式測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)亞克力板施加3次壓力，使得板子發(fā)生了3次形變，因此有了圖22～圖24曲線圖的3次上升。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量螺紋之間的距離，得到外力使亞克力板發(fā)生了7.5 mm的形變。圖24中i柔性壓電片響應(yīng)信號(hào)變化不大，這是由于此時(shí)只有主動(dòng)壓電片所在區(qū)域的亞克力板發(fā)生變形。再通過(guò)表3數(shù)據(jù)可知，被動(dòng)壓電片的響應(yīng)信號(hào)變化幅度不等，其與亞克力板在此處變形程度成正相關(guān)關(guān)系，若亞克力板變形越大，則在此處壓電片接收的信號(hào)也越大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了仿真的結(jié)果，具有極大可信度。

4.3" 模擬裂縫實(shí)驗(yàn)

4.3.1" 裂縫不同深度的實(shí)驗(yàn)

將一組柔性壓電片間隔3 cm布置于裂縫的兩側(cè)，標(biāo)為a1組實(shí)驗(yàn)件，具體如圖26所示。實(shí)驗(yàn)中裂縫的深度分別為0 mm、1 mm、2 mm，再將壓電片接入電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄被動(dòng)柔性壓電片響應(yīng)信號(hào)的平均峰峰值，所測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

將表5中數(shù)據(jù)繪制成曲線，具體如圖27所示。

4.3.2" 裂縫不同位置的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將3對(duì)柔性壓電片間距設(shè)置為5 cm，布置于亞克力板上，記為a2組實(shí)驗(yàn)件，如圖28所示，這3對(duì)柔性壓電片分別記為C1、D1、E1組，接入電路記錄被動(dòng)壓電片響應(yīng)信號(hào)的平均峰峰值。接下來(lái)，在接近C1組的兩塊壓電片中間切割出一個(gè)寬約1 mm且深約2 mm的裂縫，完成切割后，原先的C1、D1、E1組重新標(biāo)記為C2、D2、E2組，隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以記錄被動(dòng)壓電片的響應(yīng)信號(hào)。為了使裂縫更加明顯，圖28中用黑線表示裂縫。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

將表6中數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖29所示。

4.4" 裂縫模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表6的數(shù)據(jù)可知，主動(dòng)壓電片的激勵(lì)信號(hào)保持不變時(shí)，隨著亞克力板中裂縫不斷加深，被動(dòng)壓電片的響應(yīng)信號(hào)不斷減弱。這是由于當(dāng)超聲信號(hào)從亞克力板傳輸于裂縫中，再?gòu)牧芽p傳輸于亞克力板中會(huì)進(jìn)行多次反射。當(dāng)亞克力板中出現(xiàn)縫隙，超聲波穿過(guò)裂縫與空氣交界面，將導(dǎo)致反射次數(shù)增加，隨之引起信號(hào)能量逐漸變?nèi)?，公式?）中的振動(dòng)幅度A隨之減小，而此時(shí)激發(fā)壓電片產(chǎn)生的信號(hào)沒(méi)有變化，那么在裂縫被動(dòng)柔性壓電片接收的信號(hào)就會(huì)減小。由表6的數(shù)據(jù)可知，若主動(dòng)柔性壓電片的激勵(lì)信號(hào)不變，亞克力板中裂縫的位置對(duì)被動(dòng)壓電片的響應(yīng)信號(hào)有影響，且裂縫位置越近造成的影響越大，以此也說(shuō)明了本文傳感器能夠檢測(cè)到裂縫對(duì)超聲波傳播的影響。

5" 結(jié)" 語(yǔ)

本文檢測(cè)方法不僅省時(shí)省力，而且可以定量定位。目前存在的檢測(cè)非金屬應(yīng)變以及缺陷的方法只能人為操控，遇到工廠、特種設(shè)備、飛機(jī)等大型非金屬結(jié)構(gòu)的情況時(shí)，檢測(cè)十分繁瑣并且消耗大量時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的壓電材料檢測(cè)方法可以將檢測(cè)傳感器直接貼附在非金屬表面大面積進(jìn)行檢測(cè)，能夠通過(guò)觀察響應(yīng)信號(hào)電壓的變化對(duì)非金屬產(chǎn)生變形的位置進(jìn)行分辨，并對(duì)該部位產(chǎn)生的變形大小進(jìn)行判斷。本實(shí)驗(yàn)中使用柔性壓電片進(jìn)行分布式測(cè)量，解決了一般超聲探頭具有方向性測(cè)量的問(wèn)題，其能檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面上的多個(gè)點(diǎn)，可以更全面地了解結(jié)構(gòu)的變形和其他關(guān)鍵性能參數(shù)，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。同時(shí)利用其來(lái)檢測(cè)非金屬板的裂縫問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)非金屬板出現(xiàn)裂紋時(shí)，經(jīng)由裂縫傳播的超聲波的能量會(huì)衰減。

本文研究可為非金屬板的形變及裂縫檢測(cè)提供借鑒，具有一定價(jià)值。但是目前為止將超聲檢測(cè)用于非金屬結(jié)構(gòu)的研究還比較匱乏，超聲檢測(cè)技術(shù)還有很大的進(jìn)步空間，且有較多的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)需面對(duì)，因此還需要深入探究。

注：本文通訊作者為李青。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[2] 趙政.采用3D打印技術(shù)的腰形筒壓力傳感器研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2017.

[3] 王雯錦.基于超聲表面波的界面力學(xué)特性在線檢測(cè)技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2018.

[4] 門平，董世運(yùn)，程志遠(yuǎn)，等.測(cè)量距離對(duì)超聲表面波評(píng)價(jià)不同組織的材料表層硬度的影響[J].中國(guó)表面工程，2018，31（4）：178?187.

[5] 高祥熙，徐娜，許路路，等.飛機(jī)液壓導(dǎo)管裂紋的超聲表面波檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2021，43（5）：1?4.

[6] CHEN Y. Design of obstacle detection and ranging system based on ultrasonic sensor [D]. Sichuan： University of Electronic Science and technology， 2019.

[7] 葛仁望，林正，金衛(wèi)良，等.基于超聲透射特性的密閉容器液位測(cè)量與裝置設(shè)計(jì)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2022，18（10）：223?230.

[8] XU C G， LI W B. Fundamentals of ultrasonic testing [M]. Beijing： Beijing University of Technology Press， 2021.

[9] 高攀，童仁園，金英，等.基于壓電效應(yīng)的鋼材焊縫在線監(jiān)測(cè)傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，33（11）：1571?1578.

[10] 萬(wàn)升云.超聲波檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[11] 徐春廣，李衛(wèi)彬.無(wú)損檢測(cè)超聲波理論[M].北京：科學(xué)出版社，2020.

[12] 翁晶.基于柔性壓電傳感的螺栓松動(dòng)超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法[D].長(zhǎng)沙：湖南科技大學(xué)，2022.

[13] 李彤.基于壓電效應(yīng)的柔性植入式血壓監(jiān)測(cè)器件研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2022.

[14] 翁斌輝.基于PVDF壓電薄膜的柔性壓力傳感器設(shè)計(jì)制作及應(yīng)用研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2023.

[15] HU H J， HU H， LI M H， et al. A wearable cardiac ultrasound imager [J]. Nature， 2023， 613（7945）： 667?675.

[16] 孟凡平.數(shù)字式信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介：章?lián)P科（1998—），男，浙江寧波人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉墙饘侔鍛?yīng)變測(cè)量。

李" 青（1955—），男，浙江杭州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)量與控制、傳感技術(shù)。