文摘

Interdigital传感器用piezopolymer制作的电影已经意识到激励超声兰姆波在复合层压板受纯弯曲应力。兰姆波生成和检测到正交铺设(0°、90°)4毫米厚的碳纤维复合材料,通过使用两个指状组合型传感器pitch-catch配置。我们证明piezopolymer传感器技术的选择是适合这种类型的调查,提出了传感器装配和焊接的优点。全设置描述之间的关系来确定记录的飞行时间信号和应用弯矩。Interdigital传感器被设计根据模拟的色散曲线,为了在一个中央450 kHz的频率。这个频率对应于16毫米的中心波长和群速度约6000 m / s第一对称导波模式。飞行时间的变化记录的超声波信号测量弯矩的变化的函数。静态和动态负载测试是在良好的协议与应变计测量进行微变形范围(0 - 1400µm / m)。

1。介绍

最近的事态发展在技术材料导致的增加复合材料的使用,用于飞机、太空飞行器,船,桥梁,建筑修复,和许多其他工程应用。的关键功能碳纤维(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)复合材料强度和刚度性能,可以满足设计要求的CAD工具。在许多应用程序中,复合材料用于构建复杂的结构和部分地区受到弯曲和/或抗拉应力。正常的拉伸应力应变可以通过监控测量。过分强调会导致损伤的起始和现有的增长空间和小裂缝的形成宏观裂纹。损坏起始过程是由于局部应力在纤维和强化矩阵接口。因此,重要的是要制定原位监测方法的应变和应力测量复合材料的状态,包括弯曲应力。拉伸应力,存在着两种无损检测技术,适用于实验调查:超声波方法(1,2)和光纤布拉格光栅(3,4]。这两种方法也可以与标准应变计方法灵敏度相比,精度,适用于大型复合材料结构或组件。用于生成兰姆波传感器技术和他们的相对优势在5]。

选定的导波模式的生成是特别重要的提高测量的灵敏度与特定机械应力条件。在我们的经验中柔性传感器制成的电极和指状组合型piezopolymer电影是一个有效的解决方案为破坏和影响检测飞机可重用的组件(6,7]。对于这个应用程序,我们调查的另一个重要功能灵活的传感器,是可移动的声学耦合胶带。与这些类型的传感器我们研究这个特殊的机械负荷条件,因为它在文献中尚未全面调查。安排了试验装置(见部分2)为了获得一个好的近似纯弯曲加载条件。

在之前的文献[2),我们表明,年轻的单向碳纤维的动态模量,用超声波测量方法,与拉应力显著增加。实验测量的飞行时间(TOF)下进行拉伸载荷被用来推导应变之间的关系和TOF领先的对称的兰姆波模式 。加强效果观察通过TOF观察单向和多向碳纤维增强塑料层压制品。

使用超声兰姆波的特征弯曲应力有很大潜力的无损评价(NDE)大面积复合材料,因为他们可以在一个巨大的传播距离与可接受的信号衰减。然而,的问题估计TOF的弯曲应力通过测量需要仔细分析,因为每个复合层压板可以维持多个兰姆波模式,进而的相速度取决于传感器操作频率和laminate-thickness产品。Interdigital传感器(IDT)通常使用,因为他们可以选择特定的传播模式,可以有效地传播复合层压板。兰姆波模式的频率调谐范围,我们选择通过适当设计的手指宽度和间距(8]。

在这项研究中,一个4毫米厚的对称正交铺设(0°、90°)采用碳纤维增强塑料层压板。的相位和群速度色散曲线估计兰姆波模式。节2我们报告的条件获得纯弯曲应力。复合材料层压板的建模和计算的阶段和群速度图在频域中换能器设计报告部分3。我们开发的模型,是阿德勒提出的基于传递矩阵法(9]。节4,我们描述了试验装置实现对碳纤维增强塑料样品的表征和指状组合型piezopolymer传感器,和部分5我们比较获得的结果与应变计测量安装在相同的样本。

2。潜在的复合材料层合板理论的纯弯曲应力

在我们的工作中,我们假定一个复合层压板,受纯弯曲四分理想没有摩擦。这种情况成为可能与一个常数层压板的一部分变形为了确定之间的关系应用弯矩和TOF和压力。我们假设如下:(我)层厚度是 ,前后双方确定的坐标 和 ,分别。(2)厚度( )是最小的尺寸。(3)不存在应力和应变 方向。(iv) 和 弯矩沿 和 方向,分别是等于零。

通过考虑平面波的传播理论在薄层压板指的我们可以定义三大方程三个笛卡尔正交方向(见图1(一)): 在哪里 层压板的密度, , 部队应用吗 的方向, , 位移向量, 和 分别为剪切和纵向应力。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
(一)纯弯曲4分(a, B, C, D)应用于薄板: 毫米, 毫米, 毫米, 应用力吗 方向;(b)弯矩 和纵向变形 。我们假设 是成正比的 。

力被认为只适用于 方向,表示 (见图1(一))。由此产生的力量应用于两个点(B和C)等于层压板 唯一的弯矩, ,是 设在有分布在图1 (b)。

条件(1)、(2)和(3)导致压力组件下列条件: 基于先前的假设,剪切压力 和纵向应变 可以被视为零,由此产生的压力吗 只有在纵向方向上。在小变形范围内, 与弯矩成比例吗 。这是观察到的弯矩 和纵向应变 两者之间是常数负载应用程序B和C点(在吗 段)。在这个地区,通过考虑 A和D点之间的距离,理想的弯矩 是常数,等于什么 。基于这些假设(4分折弯没有摩擦)我们的实验进行了纯弯曲应力测量超声波TOF和应变计测量方法只使用一个方向。

3所示。叉指式换能器设计群速度分析碳纤维增强塑料层压板正交铺设(0°、90°)

4毫米厚碳纤维增强塑料正交铺设(0°、90°)样本被认为是为了计算阶段和超声导波的群速度色散曲线。模式计算的参考系统图所示2。


图2
参考系统采用引导的模式分析碳纤维增强塑料层压板正交铺设(0°、90°)。

我们计算阶段和群速度色散曲线的纵向导波传播正交铺设(0°、90°)碳纤维增强塑料层压板(见图3(一个)和3 (b))通过开发一个分散模式在MATLAB计算项目。剪切水平(SH)和垂直(SV)模式的计算没有考虑配置采用TOF测量。来验证开发模型的准确性,我们首先比较阶段和群速度色散曲线的解析解的均质材料:铝、铜、镍。后来,我们比较两者的色散曲线单向和正交铺设(0°、90°)复合材料与我们的模型中,获得比文献中报道的类似的复合材料(10]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
(a)为4毫米厚的碳纤维增强塑料相速度色散曲线正交铺设层压(0°、90°)与叠加叉指式换能器特性和工作频率;(b)群速度色散曲线为4毫米厚的碳纤维增强塑料层压板正交铺设(0°、90°)。

使用TOF测量为了描述复合材料的纯弯曲应力使我们考虑群速度的测量在对应不同的弯曲条件下接收到的信号。分析TOF测量可以由使用互相关方法或通过延迟信号的估计最大的信封最大振幅的50%。初步测量进行复合材料试样在无压力条件下显示的互相关方法对TOF的变化更加敏感。

3.1。叉指式换能器的激励模式通过

我们用一双interdigital传感器在pitch-catch配置为发送和接收兰姆波模式(11]。

考虑interdigital传感器我们可以定义以下关系: 在哪里 超声波的相速度, 驱动信号的中心频率, 碳纤维增强塑料的厚度是正交铺设(0°、90°)的样本,然后呢 叉指式换能器的波长。在我们案例研究 毫米(见表1),操作频率 是450千赫, 毫米(见图3(一个))。

表1
踊跃参与设计参数:宽度( ),长度( ),手指分离( ),手指的数量( ), , 。

此外,传感器的手指的尺寸可以选择覆盖范围的波长,在我们的案例中 kHz和 kHz。设计的传感器将在这两个值之间的对应的频率范围,与选择两种quasi-non-dispersive模式的优势 和 。特别是,考虑图3 (b),中央频率的驱动信号 kHz对应于一个群速度约6000 m / s。这两个模式的群速度非常接近,所以我们有实验验证这一特点运用两个信号之间的互相关方法得到两种不同距离的IDT收到群速度的计算。相同的测量进行了复合材料在无压力条件和使用报告的初步设置(12]。的数量在中央频率突然开车信号的周期 实验评估。类似的方法是在13]。

图4显示了一个典型的信号在4毫米厚的无应力路径发现碳纤维增强塑料复合在通信距离160 mm之间的传输和接收踊跃参与。我们可以观察到两种模式 和 在小波重叠和不区分。驱动信号的特点是四个周期的正弦波 kHz,也是同样的图所示。


图4
驱动信号(浅灰色)和接收信号(黑)在无应力路径发现4毫米厚的碳纤维增强塑料复合,当考虑距离160 mm之间的传输和接收踊跃参与。
3.2。在碳纤维增强塑料层压板Piezopolymer idt耦合

试验装置的一个重要阶段准备的耦合piezopolymer传感器在碳纤维增强塑料层压板。压电陶瓷超声换能器的标准解决方案与一个刚性的情况下是声学耦合凝胶;测试了这方法也与我们灵活的踊跃参与,但不保证可重复的测量,因为非均匀层下面大传感器表面(25毫米×40毫米)和缺乏保持位置由于粘附力的变化由于温度变化的声耦合凝胶和干燥。更可重复和听觉上有效的解决方案是永久固定的粘结碳纤维增强塑料的传感器通过选择一个合适的环氧胶粘剂。焊接过程,标准的环氧胶粘剂,进行了在环境条件(养护需要12小时),因为腌制温度升高时(> 80°C)可能会失去piezopolymer传感器的压电效应。这种方法已经被拿来和另一种方法提出了基于移动解决方案工作用胶带粘合。这部小说的方法有很大的优势,并不影响永久测试样品的表面,使最终的传感器更换简单;此外在传感器实验方向和定位可以改变来获得优化超声导波传播的特性。然而移动解决方案需要插入piezopolymer电影之间的一个额外的层和表面能改变声波耦合piezopolymer外延长度变形的材料。这两个解决方案进行了比较,在这一节中描述。

第一个解决方案实现了精心部署的环氧树脂层的厚度与piezopolymer电影(100μ米)。

在数据5(一个)- - - - - -5 (b)和6(一)- - - - - -6 (b)所示的两个阶段,结合在一个单向碳纤维增强塑料样品的踊跃参与。解决方案采用IDT的同轴电缆的连接是使用PCB技术与压力确保低接触电阻之间的铜垫的多氯联苯和金电极的金属化;通过微铆钉的压力。IDT是沿着碳纤维方向保持一致。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
(一)第一阶段结合的单向碳纤维增强塑料样品的踊跃参与。第二阶段(b)结合的单向碳纤维增强塑料样品的踊跃参与。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
(一)特定的IDT保税单向碳纤维增强塑料。(b)特定IDT保税的单向碳纤维增强塑料电缆。

idt的粘结biadhesive磁带进行选择不同类型和选择一个较低的遵从性和大的温度范围内保持附着力。

在实践中我们选择biadhesive带模型Eurocell厚度28μm的声阻抗匹配piezopolymer电影和碳纤维增强塑料之间的耦合。这种技术研究表明,耦合与biadhesive idt可重用的标准对环氧胶粘剂(12]。

这两个传感器一直还与一块细的白色胶密封的保护环境。这种疲软并不改变声波传感器的响应。

比较的两种解决方案我们安装两对piezopolymer idt在同一距离270 mm的pitch-catch配置,如图7。


图7
两双piezopolymer idt在同一距离270 mm的pitch-catch配置。

前端电子驱动两个发射换能器的破裂4周期在180 kHz的频率与振幅96 H桥功率放大器 。低噪声放大器的增益为60 dB和−3 dB的带宽500千赫。在这个频率 模式也是传播。

在图8报道了两个接收信号传播路径很和b如图7。


图8
接收到的两个信号沿传播路径一和b如图7。

比较指出,永久和环氧树脂提供了更好的声学耦合成键+ 6 dB和移动解决方案不改变频率超声信号的内容和保证足够的信噪比。小两个信号之间的延迟是由于不同长度的路径很和b。

4所示。试验装置

在我们的实验中,我们设计了一个试验装置组成的五个主要项目:(我)碳纤维增强塑料样品。(2)一个机械为纯弯曲应力应用程序设置。(3)电子设置踊跃参与的激励信号采集和信号处理。(iv)一双piezopolymer踊跃参与。(v)一个应变计米。

碳纤维增强塑料样品是4毫米厚的正交铺设层压(0°、90°)。碳纤维增强塑料样品的面积(176×500毫米2)是大到足以把idt在音高和捕获配置直接路径长度, 毫米。两个量规被放置在超声波的传输路径,为了测量纵向和遍历表面应变(见图5)。包括横向规是为了验证实际变形沿这个方向是微不足道的,被认为在部分2。此外,计补偿温度梯度是安装在一小块相同的碳纤维增强塑料材料和被接近另计保税碳纤维增强塑料样品表面。

应用程序的试验装置的纯弯曲应力报告在图9。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
试验装置;(一)样本的底视图传感器;(b)横截面样本;1:纵向计,2:横向计,3:计用于补偿热漂移,4:碳纤维增强塑料无压力样本,5:功率放大器,和6:低噪声放大器。

机械安装生成纯弯曲应力如图10由一个金属结构包含两个刚性铝棒放置在一个相对的距离, 毫米,对碳纤维增强塑料层压板,暂停在某个高度, 毫米,从板凳上飞机。力应用于碳纤维增强塑料层压板通过两个钢瓶的假定为完全刚性,每个直径15毫米。两缸放置在远处 毫米。力 应用垂直于这个平面的层压板在中央区域分隔的一部分吗 (见图10)。近似一个点状的应用程序,我们使用一个螺栓球型终止。通过拧紧螺栓,力量逐步应用,导致碳纤维增强塑料样品正在测试弯曲。这主要沿着弯曲了x z层压板的横截面,并导致一个几乎恒定的变形在碳纤维增强塑料样品 。


图10
机械/实验的照片设置为纯弯曲应力应用4分; 毫米, 5毫米, 毫米。

对采集的信号中,我们使用一个美国泰克TDS模型3013 b数字示波器9-bit决议和2 ns采样时间。驾驶破裂产生的安捷伦33220 - 20 MHz任意函数发生器模型,这是连接到一个定制的线性功率放大器(获得45分贝,−3 dB带宽80 kHz-1 MHz)驱动发射换能器。激励信号是突然有四个正弦周期与振幅1.5 和频率450 kHz,导致峰电压267 V应用于发射换能器。接收换能器是连接到一个低噪声测量放大器−3 dB 1 MHz带宽和电压增益为56 dB。这个前置放大器设计匹配piezopolymer电阻抗获取高信噪比。这些数字化的信号被转移到个人电脑和离线处理。

两个piezopolymer idt报道在表与设计参数1被用于pitch-catch配置放在碳纤维增强塑料,如图10。传感器设计使用的材料是一个商业共聚物P (VDF-TrFE)电影(PiezoTech S.A.与厚度、圣路易斯、法国)t= 100μm和一枚金属化的近似厚度0.1μ米,质量密度 = 1780公斤/米,纵向速度 m / s。

IDT电极几何形状,如图所示11,被转移到金属化piezopolymer电影通过专利激光打标过程(14]。


图11
几何的指状组合型的黄金镀金属电极传感器piezopolymer电影(不是在比例尺绘图)特征表1。

一个交错电极配置。这个传感器配置很差,因为这两个系列的电极(也称为手指)和反相驱动信号(V+和V−)和有同样的参考地线(接地)。基本的传感器宽度的设计参数包括( ),长度( ),piezopolymer膜厚度( 手指)、分离( )和手指的数量( )。交错配置要求手指分离 应该是波长的一半吗 相对于导波模式选择。参数 改变了有效IDT区域,影响声波响应在波数域。长度 定义了换能器的指向性根据分层近似关系(9]。

由威世地表形变测量模型p - 3500应变计米,具有以下特点:(我)电阻@ 24°C: 350.0Ω±0.15%。(2)计因素@ 24°C: %。(3)横向灵敏度系数( ):+ %。

两个应变式,结合碳纤维增强塑料样品在纵向和横向的方向,如图所示12。第三个被用于其他两个的热漂移进行补偿。纵向和横向表面压力读的情况下显示 决议。


图12
变焦传感器应用于碳纤维增强塑料的样本。1:纵向计,2:横向计,3:计的热漂移补偿使用另外两个,4:部分相同的碳纤维增强塑料样品用于补偿没有机械应力计,5:IDT的信号传输(Tx-IDT) 6: IDT的信号检测(Rx-IDT)和7:碳纤维增强塑料样品。

纵向计,我们测量变形 方向( );相反,与横向计,我们测量变形 方向( )。从初步测量证实,变形 方向是两个数量级低于变形 方向,在报告的测试部分5我们只考虑纵向变形。在前面( )和背面( ), 假定的值 和 ,分别。纵向计如图14,我们认为 价值。 值测量时是那些使用复合层压板的弯曲状态通过计保税表面上。

5。结果与静态和动态负载

使用部分中描述的设置4,我们进行了一些测试在不同纯弯曲加载条件。我们的初步测量涉及到一些信号在介质和最大弯曲应力自由弯曲的条件和环境。三个获得信号如图13。前七峰上的时间窗口被接收的信号。传播信号在频率是四个周期的正弦破裂 kHz。在图13,我们表明,该信封的三个信号都是平等的在一个时间窗口的20倍μ年代。


图13
三个信号在介质和最大弯曲条件和在无压力的环境。20μ年代时间窗口是放在第一个接收到的信号的七座山峰。
(一)
(一)
(b)
(b)
图14
5系列的数据获取与分配负载在静态条件。地表变形和应用负载报道(a),虽然TOF的变化和应用负载报道(b)。

从这些初步测试的结果,我们成功地建立以下测量协议为了可重复的测量:(我)热身的仪器以恒定室温,30分钟。(2)校准的定义计的因素,和惠斯通电桥平衡的应变计米。(3)装卸3/4弯曲的复合材料层压板完整周期。(iv)参考信号的采集Rx-IDT在无压力状态。(v)收购的第一个7的峰值信号接收时间窗的20倍μ年代在不同弯曲位置,如在图报道13。

TOF变化( )是对获得的信号之间的互相关计算在不同加载使用脚本基于MATLAB的互相关函数”xcorr”:特别是所有接收信号的时间窗口20μ在不同弯曲位置(见,例如,信号如图13)阐述了参考信号从Rx-IDT无应力状态,并由此产生TOF变异值记录。

5.1。静荷载试验与力的分配值

在这个实验中,我们应用已知的力量, ,通过铸铁砝码从0增加到300 N;对于每个力值,表面应变 和TOF变化( )收集在静态条件下,休息之后的60年代时期。5收集数据系列。

每个系列的数据块和相应的线性拟合图所示14。连续线代表表达的线性拟合 由此产生的标准差 和 ns。

5.2。动态负载测试

在这些实验中,我们应用越来越弯曲荷载单调连续的方式慢慢拧紧螺栓。然后,我们测量了表面应变 和TOF变化( 同时)。超声波信号和应变计测量记录为每个负荷值。全负荷的动态测试应用程序持续了4分钟。超声信号之间的时间差和应变计收购,这是由于应变计米的设置时间显示输出,还不到9。

在这些实验条件,我们策划 值和表面应变 。这两个数据系列图和相应的二次相吻合15。


图15
两个系列的数据在动态条件下获得的。实线表示二次拟合。

二次拟合曲线,用(ns)表示 在[ ] 评估在 范围从0到1400μm / m。连续线是二次的两个数据系列。它被发现 标准偏差为2.9 ns。

5.3。静态负载测试

类似于之前的实验我们测量表面张力 和 在静态加载条件 范围从0到1400μm / m。八个数据的相对策划系列报道在图16。


图16
在静态条件下八个系列的数据获得。实线表示二次拟合。

二次(ns) 在[ ] 据报道在图16作为一个连续的线。这是表示为 据估计标准偏差3.6 ns。

在这种情况下,标准偏差大于获得的一个在动态测试中,可能由于机械滞后的影响,发达国家由于连续八个静态加载应用程序的影响。

5.4。静态加载/卸载测试

这些测试进行一系列的四个重复装卸层压板的周期。测量过程是一样的,之前的测试。

装卸测量结果所示,分别在数字(17日)和17 (b)。类似于前面的测试中,我们还发现适合这个微变形的两个二次回归: 估计标准差是3.1 ns和3.7 ns (7)和(8),分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
图17
(一)四个系列的数据在静态条件下获得的。测量相对于纯弯曲应力的加载阶段。连续线显示了二次拟合。(b)四大系列的数据在静态条件下获得的。测量相对于纯弯曲应力的加载阶段。连续线显示了二次拟合。

6。结论

工作证明piezopolymer传感器适合选择导波模式的测量TOF变异在复合材料与纯弯曲应力。通过实验表征或模拟复合材料层压板的兰姆波,可以设计piezopolymer idt操作与调整中心频率和带宽。在特定的测试样品我们设计和制造piezopolymer interdigital传感器 mm操作在450 kHz相应的对称模式群速度6000米/秒。实验测试提供了一个估计TOF变化之间的关系和微观变形与应变测量如下:(我)为 ,有一个TOF变异之间的线性关系( )和表面应变( )。(2)为 、TOF变化之间的关系和表面应变近似的二次拟合。

从这些测量,我们可以估计的弯曲负荷标准差超声波TOF法应变计的五倍。TOF变化( )记录都是负的,也观察到在另一个出版工作。我们测量一个碳纤维,增加使用与应用拉伸载荷的动态杨氏模量也通过超声方法。这个非线性应力-应变响应也观察到单向和多向层的碳纤维增强塑料层压制品。

的优势piezopolymer idt,应变计相比,似乎当我们调查大型复合材料层压板的压力区域。此外,我们开发和测试一个简单而可靠的方法的声学耦合piezopolymer idt在样品表面基于biadhesive胶带,促进了传感器安装和拆除的项目测试。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢博士的贡献Edgardo Rosi提供的碳纤维增强塑料样品和滨玛博士群速度模拟。