基于PVDF压电薄膜传感器的超声检测试验

樊程广;潘孟春;罗飞路;罗诗途;谭项林

【摘 要】The ultrasonic non-destructive testing method based on the PVDF piezoelectric film sensor was introduced. Firstly, the mechanism and element of the PVDF piezoelectric film sensor were illuminated in detail, and the signal processing circuit was designed according to the signal feature. Secondly, the ultrasonic non- destructive testing system based on the ultrasonoscope and PVDF piezoelectric film sensor was built. At last, the method was verified through the detection of aluminum specimen. The results show that the detection signal through the method has a high SNR, and it can locate the internal flaw of specimen exactly, and is suitable for flaw detection.%基于PVDF聚偏氟乙烯压电薄膜传感器进行了超声检测方法研究。首先详细介绍了PVDF压电薄膜传感器的传感机理和组成，并根据检测信号的特点设计了信号调理电路；其次利用超声波探伤仪和PVDF压电薄膜传感器搭建了超声无损检测系统；最后，利用检测系统对铝试件进行了检测，验证了该检测方法的可行性。试验结果表明，该检测方法得到的检测信号信噪比高，能够准确定位试件内部的缺陷，适用于缺陷检测。 【期刊名称】《无损检测》 【年(卷),期】2012(034)001 【总页数】4页(P27-30)

【关键词】超声检测;PVDF压电薄膜;内部缺陷

【作 者】樊程广;潘孟春;罗飞路;罗诗途;谭项林

【作者单位】国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073 【正文语种】中 文 【中图分类】TG115.28

超声检测是目前应用最为广泛的无损检测技术之一。由于超声检测具有检测对象范围广；适用于金属、非金属以及复合材料；穿透能力强；缺陷定位准确；对人体和材料无损害以及便于在线检测等优点，因此广泛应用于现代工业领域以及高科技领域，如航空航天、铁路、石油化工、电厂、桥梁以及矿山等［1－3］。 在超声的非光学检测方法中，利用PVDF压电薄膜（聚偏氟乙烯）传感器接收超声信号是一种常用的方法。国内外学者针对不同的检测需求，设计出了不同的PVDF压电薄膜传感器。J Siivola提出利用PVDF压电薄膜传感器测量人体的呼吸、心率等，对人体的身体状况进行监控［4］；Gerald R Harris等详细介绍了PVDF压电薄膜传感器用于医学超声领域［5］；Audran等使用PVDF压电薄膜传感器测量梁结构的应变［6］；Yi Lu等利用PVDF压电薄膜传感器对结构损伤进行检测［7］。在国内，王代华等提出用PVDF压电薄膜作为传感元件，通过监测应变得到柔性结构的振动参量［8］；具典淑等利用PVDF压电薄膜，对金属构件的裂纹萌生与扩展、断裂全过程进行了监测试验研究［9］；杜颜良等基于PVDF压电薄膜建立了应变监测系统，推动了大型结构健康监测的研究［10］。

笔者利用PVDF压电薄膜传感器对超声无损检测方法进行研究。设计了PVDF压电薄膜传感器，搭建了超声检测系统，利用超声波探伤仪激发超声波，对铝试件的内部缺陷进行了检测。 1 PVDF压电薄膜传感器 1.1 PVDF压电薄膜

PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电换能材料。自从1969年，日本科学家Kawai发现PVDF独特的压电效应以来，人们对其的研究一直没有中断［11］。表1给出了PVDF压电薄膜和PZT的部分性能参数比较。

表1 PVDF压电薄膜和PZT的性能参数比较性能参数压电电压常数／（V·m·N－1）密度／（kg·m－3）相对介电常数声阻抗PVDF压电薄膜 0.216 1780 8.5～10.52.5～3 PZT 0.01 7500 1200 30

从表1可以看出，PVDF压电薄膜具有以下优点：压电电压常数高，是PZT的20多倍，压电电压常数是衡量压电材料传感性能的重要指标，因此将PVDF压电薄膜用于传感器时，灵敏度高；质量轻，密度只有PZT的四分之一，将其粘贴在物体表面对原结构产生影响较小；介电强度高，可以耐受强电场作用，此时大部分陶瓷已退极化；声阻抗低，仅为PZT的十分之一，与水以及粘胶体相接近。此外，PVDF压电薄膜的柔性和加工性能好，可根据实际需要制成厚度不等、形状不同的薄膜；频响宽，可在10－5～109 Hz范围内响应；化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性低，并有良好的热稳定性［12－14］。 1.2 PVDF压电薄膜的传感机理

PVDF压电薄膜具有优越的传感性能，为了能够很好地描述PVDF压电薄膜的输出电荷与应变之间的关系，需要对其传感机理进行研究［10，15］。选用第一类压电方程，在外加电场为零的情况下，压电方程可以表示为：

式中Di为电位移；dij为压电常数；Tj为应力（i＝1，2，3；j＝1，2，3，…，6）。PVDF压电薄膜的输出电荷是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应，即：

式中Q为输出电荷；E为PVDF压电薄膜的弹性模量；εj 为应变（j＝1，2，3）；S为PVDF压电薄膜所覆盖的面积。

PVDF压电薄膜在一维受力的情况下，输出电荷可表示为：

因此，将PVDF压电薄膜用于传感功能时是一个电荷发生器，其产生的电荷必须经过电荷放大器变成电压信号，才能进行后续处理。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其与PVDF压电薄膜连接后的等效电路如图1所示［16］。其中，Ca为PVDF压电薄膜的等效电容，Cc为连接电缆电容，Ci为电荷放大器的输入电容，Cf为电荷放大器的反馈电容，Rf为反馈电阻。 图1 等效电路

由于反馈电阻Rf相当大，因此视为开路。因此可得：

当（K＋1）Cf≥Ca＋Cc＋Ci时，则有：

由式（3）和（5）可知：

因此，电荷放大器的电压输出与被测结构的应变成线性关系。 1.3 PVDF压电薄膜传感器

基于PVDF压电薄膜良好的传感特性，制作了PVDF压电薄膜传感器，包括PVDF压电薄膜、电荷放大器、陷波电路、电压放大电路。

首先将PVDF压电薄膜裁剪成30mm×12mm的矩形，为了避免在试验中损伤和污染PVDF压电薄膜，在PVDF压电薄膜表面增加一层保护膜；其次，由于PVDF压电薄膜是高分子材料，所以没有直接焊接电极，而是采用铆接的方式在PVDF压电薄膜上引出电极。选用的PVDF压电薄膜来自锦州科信电子材料有限公司。图2是PVDF压电薄膜的结构示意图和实物图。

PVDF压电薄膜输出的电荷信号被输入电荷放大器，转换为电压信号。试验中使用OPA128实现电荷放大器的功能。OPA128是一款美国TI公司生产的超低偏置电流芯片，输入级采用几何形状改进的介质隔离场效应管，其主要性能指标如下：输入偏置电流75fA，输入失调电压140μV，开环电压增益128dB。

由于PVDF压电薄膜本身容易受到电磁干扰，其中以50Hz的工频干扰最为明显，工频干扰的存在，容易造成信号失真，因此设计陷波电路来消除工频干扰的影响，陷波电路采用双T带阻滤波电路实现。PVDF压电薄膜输出的电荷信号经过电荷放大器和陷波电路处理后，通过电压放大电路得到电压检测信号。 2 试验与分析

试验选用常州新区大平超声波仪器有限公司生产的CUT－2007型超声波探伤仪激发超声波，CUT－2007型超声波探伤仪为A型脉冲反射式超声波探伤仪，探伤灵敏度高并且功率大，适用于板材探伤，图3是CUT－2007型超声波探伤仪和直探头实物图。超声波在试件中传播，会引起试件表面发生微小的形变，对PVDF压电薄膜产生机械应力，并转换为电荷信号，电荷信号经过电荷放大器、陷波电路以及电压放大电路的作用，接入到TDS1002数字示波器显示。图4是检测系统原理图。

图4 检测系统原理图

试验中制作了材料和尺寸相同的铝试件作为检测对象，其中一个铝试件内部带有人工缺陷。利用超声波探伤仪在试件中激发超声波，PVDF压电薄膜传感器接收超声波，接收的超声波信号如图5所示。图5（a）是试件无缺陷时的检测结果，图5（b）是试件内部有人工缺陷时的检测结果。其中L代表直达的超声波信号，RL代表经缺陷反射的回波信号。由图5可知，利用PVDF压电薄膜传感器接收到的超声波信号具有很高的信噪比；同时根据超声波在铝试件中的传播速度和到达时间，可以确定试件内部缺陷的位置。

图6 不同检测位置的超声波信号

进一步研究超声传播与缺陷之间的相互作用，针对同一缺陷，改变检测位置，可以得到一系列的反射回波信号，检测结果如图6所示。由图6可知，伴随着检测位置和缺陷之间间隔的减小，超声波信号和反射回波信号之间的时间间隔呈线性缩小的趋势。由它们的到达时间以及超声波在铝试件中的传播速度，可以准确计算出缺陷的位置，从而可以用于缺陷检测。 3 结论

（1）基于PVDF压电薄膜制作了PVDF压电薄膜传感器。传感器具有体积小、便于携带以及对试件表面无特殊要求等特点。

（2）利用PVDF压电薄膜传感器，搭建了超声无损检测系统。系统具有结构简单、调节方便以及检测信号信噪比高等特点。

（3）对铝试件进行检测的结果表明，基于PVDF压电薄膜传感器的超声检测方法可以有效检测试件内部缺陷，检测结果信噪比高。

（4）试验结果为进一步研究超声传播和缺陷相互作用机理提供了依据。 参考文献：

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