射頻功率放大器在紡織復合材料研究中的應用

　　實驗名稱：非線性超聲檢測實驗

　　研究方向：以RTM/紡織復合材料為檢測對象，利用非線性超聲檢測方法對RTM復合材料孔隙缺陷進行表征，通過非線性特征參量測量，初步實現對RTM/紡織復合材料孔隙率的定量表征。

　　實驗目的：驗證非線性超聲系統的基本要求以及幾種非線性超聲實驗方法并針對本研究的檢測對象RTM/紡織復合材料孔隙率缺陷對超聲信號的非線性響應特點，設計基于有限幅度非線性超聲檢測方法的檢測實驗系統。

　　測試設備：系統主要包括ATA-8202射頻功率放大器、數字式熒光示波器、發射和接收壓電傳感器、計算機和夾具。

　　實驗過程：本研究的非線性超聲實驗系統采用聲波透射法，寬帶接收方式，分別測量基波和二階、三階高次諧波的幅值。首先由信號發生器產生正弦波脈沖串，引入功率放大器放大，激勵發射壓電傳感器發射單一頻率的超聲波，使其耦合進入被測材料，大振幅超聲波與材料中的晶格畸變、微裂紋、晶格的非簡諧性等微損傷相互作用，使得透過材料的聲波發生較強的非線性失真，位于試樣另一端的接收換能器將對該非線性超聲信號進行采集，然后利用matlab軟件對接收到的超聲信號進行快速傅里葉變換，得到基波和二次諧波幅值，通過公式計算得到材料的高階相對非線性系數。原理框圖如下所示：

(a)非線性超聲實驗系統激勵波形選擇

　　圖3-7所示為3種常見激勵波形。采用連續波(圖3-7(a))進行激勵，激勵信號可產生單一頻率的超聲波(如圖3-7(b)所示)。由于非線性超聲檢測主要是在頻域上分析信號，因此激勵信號中頻率成分會對實驗結果帶來很大影響，所以保證激勵信號中頻率單一是非線性超聲檢測的前提條件。但要得到大功率連續波通常比較困難，而且連續波激勵下，檢測的軸向分辨率低。采用單脈沖模式(圖3-7(c)作為激勵方式，盡管該模式下激勵波形幅值很大，檢測的軸向分辨力高，但單脈沖信號本身頻率范圍較寬(如圖3-7(d)所示)，很有可能在發射端引入除基波以外的頻率成分，而不同的頻率成分與微缺陷作用的非線性響應也不一樣，使得接受信號中引入不是由材料本身產生的非線性諧波成分，導致測量結果不夠準確。同時由于單脈沖激勵下超聲波與材料作用的時間很短很難產生強的非線性效應，因此，基于以上所述原因，本實驗擬采用圖3-7(e)所示的脈沖串模式作為激勵信號。該模式下能獲得輸出功率較高且頻率成分較單一的激勵信號，因此脈沖串模式在非線性超聲檢測領域得到了廣泛應用。

　　脈沖串模式下波形周期數可調，周期數越多，頻率成分越單一。結合試塊及實驗室現有換能器等條件,本實驗采用頻率為2.25M周期數為30的脈沖串。圖3-8(a)為本實驗所用到的20個周期的脈沖串激勵信號時域波形。圖3-8(b)為FFT變換后的頻域波形，從頻域上看，在5MHz的倍頻位置上并沒有出現二次諧波，表明所用信號頻率成分單一不會給實驗結果帶來影響。

　　實驗結果：

　　實驗選用中心頻率為2.25MHz的窄帶PZT材料壓電品片作為發射換能器，之所以選擇裸片作為發射換能器是因為，與商業化換能器相比，裸片的振動是自由振動不受阻尼塊及其它部件的影響，很大程度上減少了換能器引入的非線性干擾信號對檢測結果的影響。圖3-9為PZT品片實物圖。圖3-10為PZT品片由方波激勵而得到的初始振動波形圖。圖3-11PZT品片掃頻圖，從圖中可以看到該品片的中心頻率為2.25M,目頻帶寬度較窄，其產生的超聲波頻率成分比較單一符合課題選擇非線性超聲實驗的發射換能器條件。

　　本實驗選擇寬帶接收方式，如圖3-12所示，即由一個頻帶較寬的換能器同時接收基波和高階諧波。能夠對接收信號中的基波和諧波都有較好的響應。保證了實驗的一致性，同步性較好。基于上述理論，實驗選擇了OlympusPanametrics系列商用探頭，其型號為OlympusC109,該探頭中心頻率4MHz。圖3-13是該換能器的實物圖，圖3-14為該探頭的掃頻圖，從圖中可以看出該換能器寬帶較寬，對1.5MHz到6.5MHz頻率范圍內均有響應。可方便實驗觀測二次、三次諧波。

　　本實驗是為了驗證非線性超聲系統的基本要求以及幾種非線性超聲實驗方法并針對本研究的檢測對象RTM/紡織復合材料孔隙率缺陷對超聲信號的非線性響應特點，設計了基于有限幅度非線性超聲檢測方法的檢測實驗系統。并分析了實驗系統可能帶來的非線性干擾源，分別選定了符合非線性超聲實驗的激勵波形、發射和接收換能器等，確保了試驗系統的可靠性。

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