功率放大器驅動壓電陶瓷片典型應用——高強螺栓預緊力監測技術

實驗名稱：基于時間反演法的高強螺栓預緊力監測

實驗內容：

實驗采用壓電陶瓷片作為激勵器和傳感器，來激勵和接收超聲波信號，并將接收到的響應信號，并將接收到的響應信號做時間反演處理后，作為激勵信號再次從接收端發出，最后在初始激勵端獲得聚焦信號。通過改變螺栓預緊力，建立了聚焦信號峰值與預緊力的對應關系。結果表明，聚焦信號的峰值隨預緊力的減小而減小。

實驗設備：LabView計算機、NI采集卡、功率放大器、PZT

實驗過程：

對于高強螺栓連接構件，隨著預緊力的增加，螺栓與連接構件貼合的越來越緊密。而且通過微觀角度分析，高強螺栓與被連構件的表面是粗糙不平的，其實際接觸面積要小于名義上的接觸面積，超聲波在連接界面的傳播正是通過實際接觸面積進行的。隨著預緊力的增加，高強螺栓與連接構件的實際接觸面積增加，通過的超聲波能量也就越多。

在螺栓連接構件表面布置壓電陶瓷PZT片，壓電陶瓷具有正逆壓電效應，所以既可作為激勵器也可以作為感應器。

實驗通過計算機利用LabVIEW編寫的控制程序運行，采用中心頻率150kHz，初始電壓為5V的激勵信號，NI-USB-6366數據采集儀將數字信號轉換為電壓信號，電壓信號再經過功率放大器進行放大，經壓電陶瓷的逆壓電效應使粘貼在高強螺栓上的PZT1發生機械振動產生超聲波。超聲波通過鋼板與高強螺栓的連接界面抵達鋼板上的PZT2，經壓電陶瓷的正壓電效應轉化為電壓信號，該電壓信號可以被NI-USB-6366數據采集儀采集并儲存于計算機中作為響應信號。將得到的響應信號進行時間反演處理得到時反信號，將時反信號作為激勵信號，再次激勵PZT2，此時在PZT1采集到的信號即為聚焦信號。

實驗結果：

測得在不同預緊力條件下對應的聚焦信號峰值，并建立聚焦信號峰值與高強螺栓預緊力的對應關系，相同的PZT間距，重復測量3次。當PZT間距為5cm和10cm時，測試結果如下圖：

一般信號發生器最大輸出電壓都很小，功率都在mW級別，都無法滿足驅動測試要求，因此需要一款高速、寬頻帶、高電壓輸出的功率放大器。ATA-2000系列功率放大器能處理從直流到1MHz的信號，是一種高速、寬頻帶、高電壓輸出的雙極性功率放大器。電壓和電流可以正負極性自由地四象限輸出，所以對于電容性負荷、電感性負荷都能夠穩定動作。