文摘
具有重要意义,掌握材料的超声衰减特性的无损检测材料。压电复合材料的动态属性(OPCM)自主研发的横向各向异性分析使用的实验工作。OPCM传感器连接到铁板和混凝土结构表面的意义生成的表面波声发射(AE)。实验结果表明,OPCM传感元素相比有独特的优势压电陶瓷材料(压电)。此外,通过比较各向同性和各向异性材料的信号,在不同材料表面波传播的衰减特性进行了研究,以及测量表面波的衰减系数的新方法。
1。介绍
表面波已被广泛应用于许多工程结构损伤检测(1- - - - - -3]。接收表面波传感器,在损伤诊断发挥着重要的作用。1885年,瑞利勋爵发现声表面波在半无限各向同性固体和已经被用于信号处理技术4),包括过滤(5),延迟6),脉冲压缩(7)、相关和卷积(8]。它被用于雷达等领域,航天、通信、和损伤检测9,10]。此外,随着看到技术的发展,各种新的低损耗传感器如Rayleigh-type看到滑移看到,和BG波。各种传感器仿真理论的产生和出现的条件新油田的开发和应用了传感器的性能优良(11]。看到的基本特征是由于声波传播沿衬底表面,使看到敏感的物理、化学、或其他机械扰动的表面,从而使它可以产生各种各样的高度敏感的传感器(12]。物理或化学的基本原理是,当看到传感器的表面参数的行为改变,看到传播的扰动会引起的变化速度和幅度。将记录相应的损伤检测信号传感器。
除了良好的灵活性、高强度、极限应变大,重量轻,由压电材料和其他优势,OPCM传感元素有一个平cross-anisotropic特征可以区分各种组件的平面结构的应力波(13- - - - - -15]。在这项研究中,频率选择的可行性,试验结果验证了AE折断铅笔信号固有频率范围的传感器。AE所产生的表面波的衰减特征模拟源在铁和混凝土板是由破碎的铅测试实验。当样品厚度超过2到3的波长,样品的表面应力波兴奋主要是瑞利波,传播更远的距离。这是因为波衰减的传播远小于纵向和横向波。因此,瑞利波产生的破碎的铅可以用来评估传感元件的性能,并分析了有效衰减特征。
2。1 - 1 OPCM传感元素的动态性能分析
构建OPCM元件的第一步是设计元素的压电阶段。此外,体积比的压电复合应该考虑,包括高分子材料的弹性常数的影响影响OPCM元件的机械和电气特性。考虑到上述因素,OPCM传感元件开发(16,17),如图1。的长度OPCM传感元件l是13.8毫米,宽b是4毫米,厚度吗h是0.7毫米。电极间隔一个1毫米,电极宽度d是0.1毫米。OPCM传感器的压电阶段已经从相同的单片和极化P-51压电陶瓷板,以确保压电材料特性是一致的。表1显示P-51压电材料的特性。DAD-40的衬底材料是导电环氧胶粘剂。抗剪强度在正常温度是14.7 MPa,和体积电阻率小于1.0×10−3Ω厘米。互相交叉电极被显示在图1,双方的电极能产生电极性相反。两个电极的制造过程相反的极性。它可以形成一个良好的绝缘胶带,防止漏电。绝缘电阻的地区,在两个电极之间,测量,发现超过200 MΩ。
为了获得的频率响应OPCM传感元件和设置的频率范围,使用示波器来记录实验波形从两个不同的方向。逐点激发频率改变时,相应的电压变化是由示波器记录,然后两个组件的共振频率电压方向x和y可以得到与OPCM传感元件。当测试频率变化从20千赫到400 kHz, OPCM传感元素接收到振幅和加密测点当振幅突然增加。频率的共振响应频率敏感元件在这个方向。图2显示了幅频特性曲线得到的频率和电压测试实验。
的共振频率OPCM传感方向3是173千赫。共振频率的最大振幅是41 mV,虽然1-direction振幅低,这显示了正交的性能。
3所示。衰减特性实验
3.1。样品制备
在实验中使用的铁板是大小为1000毫米×1000毫米×20毫米密度为7.8×103公斤/米3,而标准养护混凝土试件的大小是700 mm×700 mm×200 mm,密度是2452公斤/米3。混凝土标本准备质量混合比例(水泥:砾石砂:水)1:2.86:1.25:0.49,和砾石的最大大小是16毫米,和水灰比是0.49。
OPCM元素在粘贴之前应该首先抛光的表面与AB胶厚钢板和混凝土标本。边界的区间是200毫米。HB铅笔直径0.5毫米和2.5毫米的长度用于破碎导致实验。铅笔断了的信号在每个测点30°模拟了AE信号的结构。
3.2。实验设备和实验内容
图3给出了实验装置用于这项工作。虚线表示测试线OPCM传感元素的极化方向的传感器。pencile-broken点的时间间隔为10毫米。第一个OPCM传感器用于测试定向极化和波衰减特性的性能。通过使用第二个OPCM传感,两种材料的表面波速度可以测量时差的计算。在这个实验中,速度误差取决于取样长度。Agilent54820A波形发生器,其采样长度设置为32768分,采样频率设置为2.5 MHz,是用来打破的铅笔带从50千赫至400千赫频率18)在给定的点沿着OPCM传感的方向。两种板的实验测试设置如图4。
(一)衰减特性测试实验装置的金属板
(b)衰减特性测试实验装置的混凝土板
收集的测试中,信号是铁板和混凝土的极化方向OPCM传感元件和在每15°方向从0°- 90°为不同的长度。表面波的速度测试在铁板和混凝土,另行规定。
4所示。实验结果和讨论
4.1。在不同材料表面波传播特性
图5显示了生成的波形从铁的表面和混凝土标本看到传感器,分别。三种典型波形测试OPCM看到传感器选择分析。结果表明,波振幅衰减在铁板上比这更经常混凝土。这是由于混凝土是一种各向异性材料和反射和散射粒子大小不同的原因。接下来,混凝土的振幅小于铁板,这表明波的衰减在混凝土更快。图6显示了典型的光谱波在混凝土板进行了分析,在铁板是类似的。谐振频率测试结果表明,看到传感器可以与它的特殊频率接收pencil-broken信号。看到的速度可以计算从信号传播时间的差异。发现表面速度是2958米/秒的铁板和2103 m / s的混凝土材料。表面速度值验证正确性和可行性测试瑞利波速度。记录的信号之前,铅笔核心必须打破了至少三次获得稳定的信号。实验重复次数,每次运行和表面速度值获得符合瑞利波的nondispersion特点,和记录的信号被认为是主要是瑞利波。
(一)不同的波形在金属板的距离
(b)不同波形在混凝土板的距离
OPCM传感器被困铁板和混凝土表面的标本。信号从不同的角点可以收集200毫米远离先生的中心。只能收到20 mV振幅峰值在极化方向上(90°),在其他方向,没有收到信号。这种现象进一步验证好cross-anisotropy发达OPCM传感元素。
4.2。不同材料的波衰减特征
在实验中,产生的信号由碎铅笔很弱。导致信号测量每10毫米远离中心的传感元件在极化方向上的传感元件,和相应的表面波振幅计算。图7显示了distance-amplitude曲线。结果表明,铁板的最大传播距离测量是460毫米,衰减是观察距离pf 260毫米。混凝土试件,测量的最大距离是300毫米,衰减观察到的最大距离150 mm。结果表明,波的振幅随传播距离对混凝土和铁盘子。然而,波迅速变弱,传播距离,在混凝土相比,铁。为了研究表面波的衰减性能,数学从振幅图的数据获得7和传播距离。结果表明,振幅峰值显示了一个与传播距离指数下降x如图7。表面波的衰减法是一个指数衰减,这可以表示为 ,在那里一个常数相关材料,n是控制表面波的衰减系数衰减率。图7表明,看到的衰减系数是0.0403和0.3064在铁和混凝土试件,分别。它提供了一个方法来测试衰减系数。
(一)铁板的衰减曲线
(b)混凝土样品的衰减曲线
5。结论
发达AE测试是成功地进行了研究铁板的波传播现象和具体使用1 - 1 OPCM传感标本。单点frequency-amplitude测试结果在其共振频率,这证明了AE破铅笔信号测试的可行性和可用于后续试验提供激励频率的选择。实验进行多次在同一材料使用不同OPCM表。的衰减特征波和表面波速度得到的实验。表面波的衰减特征生成的AE模拟源在铁和混凝土材料进行了研究。表面波的特征及其传播速度不同的材料进行了分析。波形记录在铁和混凝土板不同位置显示,增加表面波的高峰值偏离了传感元件快速下降指数和在混凝土迅速衰退。根据试验得到的材料衰减系数,它可以提供指导研究振幅补偿和多元素传感器的阻抗匹配。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号11402101和11402101)和江苏大学基金会(14 jdg022)。