電壓放大器在非線性超聲檢測研究中的應用

　　實驗名稱：激勵條件對于非線性超聲檢測的影響研究

　　研究方向：分析檢測系統非線性的干擾機制、對比不同類型激勵信號波形的檢測適配性、探究激勵信號周期數（能量）對非線性參量的影響

　　實驗目的：通過系統探究激勵條件相關變量對非線性超聲檢測結果的影響，排除干擾因素并篩選出能準確表征碳纖維復合材料損傷的激勵條件，為后續非線性超聲診斷成像研究奠定基礎。

　　測試設備：函數發生器、ATA-2031高壓放大器、空氣耦合發射超聲換能器、空氣耦合接收換能器、寬帶前置放大器、示波器、MATLAB頻譜分析、直流電源、碳纖維板材。

　　實驗過程：首先，激勵信號經功率放大器放大后饋送至發射換能器，換能器通過壓電效應將電信號轉換為機械振動，產生超聲波。超聲波通過耦合層入射待測試樣，在試樣中傳播時，因材料的彈性非線性而發生畸變，產生非線性響應。隨后，超聲波通過另一耦合層被接收換能器接收，并轉換為電信號。對接收信號進行前置放大與模數轉換后，通過頻譜分析獲取基波振幅與二次諧波振幅，進而計算非線性超聲參量。在該檢測系統中，由函數發生器(RigolDG4062)生成頻率為200kHz，峰峰值電壓為10V，發射間隔為200ms的脈沖信號。該信號經過功率放大器(AigtekATA2031)放大14倍，以提高信號能量，并饋送至發射端超聲換能器。發射端換能器以固定角度發送超聲波，接收端換能器接收超聲波。隨后，接收信號經過低噪聲、寬帶前置放大器(PXPA6)放大+60dB，并儲存在示波器(RigolMSO5074)中。最終，數據被導入PC，并利用MATLAB對信號進行頻譜分析。整個測量過程由函數發生器的觸發信號同步控制。

圖1影響非線性超聲檢測的各個環節

圖2斜入射同側式空氣耦合超聲檢測系統

圖3斜入射同側式空氣耦合超聲檢測系統各組成部分示意圖

　　實驗結果：

　　1、在單向碳纖維復合材料板中，不論是否存在裂紋，健康和損傷狀態下的接收信號中均包含高次諧波分量。但損傷信號中的諧波分量更為明顯，且根據基波幅度與高次諧波幅度計算出的相對非線性參量相比健康時明顯增加；

　　2、單向碳纖維復合材料板中兩個垂直方向上的非線性響應有差異，從平行于碳纖維排布的裂紋(90°)中獲取的信號，所計算出的諧波幅度更大，損傷前后非線性參量的變化差異更為明顯；

　　3、能量過低的激勵信號無法引起明顯的非線性響應，而增加激勵能量也無法保證損傷后的非線性參量持續增加。

圖4三種不同脈沖信號的時頻分析

　　?電壓放大器推薦：ATA-2031

圖：ATA-2031高壓放大器指標參數

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