基于PVDF壓電薄膜的超聲波測厚技術(shù)探究

申曉月

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,030051)

0 引言

本文以壓力管道為研究對象，壓力管道是輸送有毒、可燃、易爆氣體或者液體介質(zhì)的關(guān)鍵組成部分，其安全運行關(guān)系到整個企業(yè)的安全生產(chǎn)，隨著壓力管道的逐年老化及管道內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，管道安全事故頻繁發(fā)生，因此對壓力管道進行腐蝕檢測非常重要。筆者通過檢測壓力管道的壁厚來判斷管道的腐蝕情況，常用的超聲波管道測量方法主要是水浸法，由于諸多的條件限制，水浸法測量管材壁厚的過程十分復(fù)雜繁瑣，不利于方便快捷地進行現(xiàn)場檢測。此外，水浸法只能檢測一點的厚度值，耦合裝置復(fù)雜，也無法實現(xiàn)壓力管道一定區(qū)域內(nèi)實時監(jiān)測的目的。

本文中將采用PVDF壓電薄膜設(shè)計柔性超聲傳感器，該傳感器具有PVDF壓電薄膜的柔韌性，可以克服常用超聲波傳感器在測量曲面試件時的限制與困難，從而方便地檢測管材等曲面試件。從而為檢測腐蝕方法提供了一種方便快捷有效的方法。

1 基于PVDF壓電薄膜的超聲測厚法

PVDF具有較高的壓電性能，在1880年J.居里和P.居里兩兄弟在晶體中最早發(fā)現(xiàn)了壓電現(xiàn)象。20世紀早期，壓電材料陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，但其很低的壓電性能阻礙了壓電材料的實際應(yīng)用。直至1969年，日本科學(xué)家H.Kawai 發(fā)現(xiàn)在高溫及高電壓下極化后，PVDF具有較高的壓電性能，證明了壓電材料具有極高的實際應(yīng)用價值。關(guān)于壓電聚合物及應(yīng)用的研究發(fā)生了突破性的進步和飛速的發(fā)展。

超聲波測厚有共振式、Lamb波式和脈沖反射式三種。共振法測厚具有精度高的優(yōu)點，但要求被測試件的表面光滑程度較高，該方法的實現(xiàn)裝置復(fù)雜。Lamb波法測厚無論是被測對象還是實驗條件都較其他的方法更為苛刻，實驗研究的意義遠大于實際應(yīng)用。脈沖發(fā)射式測厚方法是目前發(fā)展最完善、應(yīng)用最廣泛的測厚方法。雖然難以對厚度很薄的試件進行測厚檢測，精度較差，但其對被測試件的表面粗糙程度的要求不高，可以實現(xiàn)自動檢測、控制等功能，并且以脈沖激勵的方式產(chǎn)生超聲波可以較便捷地用儀器實現(xiàn)。目前，為滿足測厚需求，超聲波測厚儀以脈沖式測厚方法為基礎(chǔ)向小型化、智能化、高精度、多功能方向發(fā)展。

2 脈沖發(fā)射式超聲測厚基本原理

本文是基于PVDF壓電薄膜的脈沖發(fā)射式超聲測量方法，PVDF壓電薄膜較其它壓電材料具有更突出的壓電性能，當(dāng)PVDF壓電薄膜發(fā)生形變時，在其兩個表面會形成極性相反、大小相等的電荷，所以可以將PVDF壓電薄膜看作類似于電容性質(zhì)的電荷發(fā)生器。系統(tǒng)主要有脈沖信號發(fā)生器，PVDF壓電薄膜傳感器，電荷放大器，低通濾波器，電壓放大器及顯示設(shè)備組成。如圖一所示：

圖一 脈沖反射式測厚法原理圖

3 試驗研究

3.1 壓電效應(yīng)

某些材料被施加機械應(yīng)力的條件下會在表面產(chǎn)生電荷，并且電荷的多少與施加應(yīng)力的大小成一定的關(guān)系，這樣的材料就是壓電材料。壓電材料表現(xiàn)的這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。其本質(zhì)是實現(xiàn)機械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。通常被廣泛使用的壓電材料如壓電陶瓷、石英晶體、壓電高分子聚合物等。

壓電效應(yīng)是雙向可逆的，分別為正壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)。壓電材料在一定方向上受到應(yīng)力作用，在其內(nèi)部會發(fā)生極化，相對的表面上會產(chǎn)生極性相反的電荷。一旦應(yīng)力消失后，壓電材料又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象就是正壓電效應(yīng)。相反，沿著壓電材料的極化方向施加電場，材料會發(fā)生形變，撤掉電場后，形變消失，材料恢復(fù)成初始狀態(tài)。這種現(xiàn)象是逆壓電效應(yīng)。圖二是正、逆壓電效應(yīng)的示意圖。

圖二 正、逆壓電效應(yīng)示意圖

3.2 試驗方法

試驗系統(tǒng)框圖見圖三。按圖三連接系統(tǒng)，并將PVDF壓電薄膜在實驗上貼好。根據(jù)實驗流程搭建試驗臺，對試驗臺架上的不同厚度的試樣進行測試。

圖三 試驗系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由脈沖信號發(fā)生器發(fā)出周期性窄帶脈沖信號到PVDF壓電薄膜傳感器上，傳感器受到信號發(fā)出超聲波，在上、下表面發(fā)生反射，反射波分別被傳感器接收，轉(zhuǎn)換成為電信號。電信號經(jīng)過多次信號處理，可以直接通過示波器觀測或者再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入上位機作進一步的軟件分析。

壓力管道試樣測試如圖四所示試驗激勵由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過反射信號轉(zhuǎn)換，信號處理最后由示波器直接顯示，方便直觀看。同時經(jīng)過pci8606數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到電腦中，用于以后的分析。

圖四 管道試樣測試

大量的實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，此方法可以方便便捷的檢測出結(jié)構(gòu)的厚度大小，并且不受結(jié)構(gòu)表面粗糙程度的限制，但是難以對厚度很薄的試件進行測厚檢測，因此有待進一步分析研究。

4 結(jié)語

壓力管道、壓力容器是輸送和儲備有毒、可燃、易爆氣體或者液體介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備，開展對受腐蝕的承壓設(shè)備厚度檢測技術(shù)研究具有十分重要的工程應(yīng)用價值。筆者采用基于PVDF壓電薄膜的超聲測量技術(shù)，通過選擇恰當(dāng)?shù)某暅y量方法，有效的避開共振式和Lamb式的缺點，利用粘貼在結(jié)構(gòu)表面的PVDF壓電薄膜激發(fā)出超聲信號，通過發(fā)出信號到接受反射信號的傳播間隔時間與被測厚度值成正比關(guān)系，采用簡單的算法計算出從被測結(jié)構(gòu)的厚度值，從而確定結(jié)構(gòu)的腐蝕程度加以維護或更換。基于PVDF壓電薄膜的超聲測量技術(shù)將為快速便捷測厚提供一種新的結(jié)構(gòu)方式，推進結(jié)構(gòu)向小型化、智能化、高精度、多功能方向發(fā)展，具有可開發(fā)性和先進性。

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