功率放大器驱动压电陶瓷片—高强螺栓监测技术

实验名称：基于时间反演法的高强螺栓预紧力监测

实验内容：

实验采用压电陶瓷片作为激励器和传感器，使用功率放大器来放大器信号，激励和接收超声波信号，并将接收到的响应信号，并将接收到的响应信号做时间反演处理后，作为激励信号再次从接收端发出，最后在初始激励端获得聚焦信号。通过改变螺栓预紧力，建立了聚焦信号峰值与预紧力的对应关系。结果表明，聚焦信号的峰值随预紧力的减小而减小。

实验设备：LabView计算机、NI采集卡、功率放大器、PZT

实验过程：

对于高强螺栓连接构件，随着预紧力的增加，螺栓与连接构件贴合的越来越紧密。而且通过微观角度分析，高强螺栓与被连构件的表面是粗糙不平的，其实际接触面积要小于名义上的接触面积，超声波在连接界面的传播正是通过实际接触面积进行的。随着预紧力的增加，高强螺栓与连接构件的实际接触面积增加，通过的超声波能量也就越多。

在螺栓连接构件表面布置压电陶瓷PZT片，压电陶瓷具有正逆压电效应，所以既可作为激励器也可以作为感应器。

实验通过计算机利用LabVIEW编写的控制程序运行，采用中心频率150kHz，初始电压为5V的激励信号，NI-USB-6366数据采集仪将数字信号转换为电压信号，电压信号再经过功率放大器进行放大，经压电陶瓷的逆压电效应使粘贴在高强螺栓上的PZT1发生机械振动产生超声波。超声波通过钢板与高强螺栓的连接界面抵达钢板上的PZT2，经压电陶瓷的正压电效应转化为电压信号，该电压信号可以被NI-USB-6366数据采集仪采集并储存于计算机中作为响应信号。将得到的响应信号进行时间反演处理得到时反信号，将时反信号作为激励信号，再次激励PZT2，此时在PZT1采集到的信号即为聚焦信号。

实验结果：

测得在不同预紧力条件下对应的聚焦信号峰值，并建立聚焦信号峰值与高强螺栓预紧力的对应关系，相同的PZT间距，重复测量3次。当PZT间距为5cm和10cm时，测试结果如下图：

一般信号发生器最大输出电压都很小，功率都在mW级别，都无法满足驱动测试要求，因此需要一款高速、宽频带、高电压输出的功率放大器。ATA-2000系列功率放大器能处理从直流到最高1MHz的信号，是一种高速、宽频带、高电压输出的双极性功率放大器。电压和电流可以正负极性自由地四象限输出，所以对于电容性负荷、电感性负荷都能够稳定动作。