功率放大器驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片典型應(yīng)用——高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)名稱：基于時(shí)間反演法的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷片作為激勵(lì)器和傳感器，來激勵(lì)和接收超聲波信號(hào)，并將接收到的響應(yīng)信號(hào)，并將接收到的響應(yīng)信號(hào)做時(shí)間反演處理后，作為激勵(lì)信號(hào)再次從接收端發(fā)出，最后在初始激勵(lì)端獲得聚焦信號(hào)。通過改變螺栓預(yù)緊力，建立了聚焦信號(hào)峰值與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，聚焦信號(hào)的峰值隨預(yù)緊力的減小而減小。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：LabView計(jì)算機(jī)、NI采集卡、功率放大器、PZT

實(shí)驗(yàn)過程：

對(duì)于高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件，隨著預(yù)緊力的增加，螺栓與連接構(gòu)件貼合的越來越緊密。而且通過微觀角度分析，高強(qiáng)螺栓與被連構(gòu)件的表面是粗糙不平的，其實(shí)際接觸面積要小于名義上的接觸面積，超聲波在連接界面的傳播正是通過實(shí)際接觸面積進(jìn)行的。隨著預(yù)緊力的增加，高強(qiáng)螺栓與連接構(gòu)件的實(shí)際接觸面積增加，通過的超聲波能量也就越多。

在螺栓連接構(gòu)件表面布置壓電陶瓷PZT片，壓電陶瓷具有正逆壓電效應(yīng)，所以既可作為激勵(lì)器也可以作為感應(yīng)器。

實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)利用LabVIEW編寫的控制程序運(yùn)行，采用中心頻率150kHz，初始電壓為5V的激勵(lì)信號(hào)，NI-USB-6366數(shù)據(jù)采集儀將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大，經(jīng)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使粘貼在高強(qiáng)螺栓上的PZT1發(fā)生機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波通過鋼板與高強(qiáng)螺栓的連接界面抵達(dá)鋼板上的PZT2，經(jīng)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)可以被NI-USB-6366數(shù)據(jù)采集儀采集并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中作為響應(yīng)信號(hào)。將得到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反演處理得到時(shí)反信號(hào)，將時(shí)反信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，再次激勵(lì)PZT2，此時(shí)在PZT1采集到的信號(hào)即為聚焦信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

測(cè)得在不同預(yù)緊力條件下對(duì)應(yīng)的聚焦信號(hào)峰值，并建立聚焦信號(hào)峰值與高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相同的PZT間距，重復(fù)測(cè)量3次。當(dāng)PZT間距為5cm和10cm時(shí)，測(cè)試結(jié)果如下圖：

一般信號(hào)發(fā)生器最大輸出電壓都很小，功率都在mW級(jí)別，都無法滿足驅(qū)動(dòng)測(cè)試要求，因此需要一款高速、寬頻帶、高電壓輸出的功率放大器。ATA-2000系列功率放大器能處理從直流到1MHz的信號(hào)，是一種高速、寬頻帶、高電壓輸出的雙極性功率放大器。電壓和電流可以正負(fù)極性自由地四象限輸出，所以對(duì)于電容性負(fù)荷、電感性負(fù)荷都能夠穩(wěn)定動(dòng)作。