电压放大器在非线性超声检测研究中的应用

实验名称：激励条件对于非线性超声检测的影响研究

研究方向：分析检测系统非线性的干扰机制、对比不同类型激励信号波形的检测适配性、探究激励信号周期数（能量）对非线性参量的影响

实验目的：通过系统探究激励条件相关变量对非线性超声检测结果的影响，排除干扰因素并筛选出能准确表征碳纤维复合材料损伤的最优激励条件，为后续非线性超声诊断成像研究奠定基础。

测试设备：函数发生器、ATA-2031高压放大器、空气耦合发射超声换能器、空气耦合接收换能器、宽带前置放大器、示波器、MATLAB频谱分析、直流电源、碳纤维板材。

实验过程：首先，激励信号经功率放大器放大后馈送至发射换能器，换能器通过压电效应将电信号转换为机械振动，产生超声波。超声波通过耦合层入射待测试样，在试样中传播时，因材料的弹性非线性而发生畸变，产生非线性响应。随后，超声波通过另一耦合层被接收换能器接收，并转换为电信号。对接收信号进行前置放大与模数转换后，通过频谱分析获取基波振幅与二次谐波振幅，进而计算非线性超声参量。在该检测系统中，由函数发生器(RigolDG4062)生成频率为200kHz，峰峰值电压为10V，发射间隔为200ms的脉冲信号。该信号经过功率放大器(AigtekATA2031)放大14倍，以提高信号能量，并馈送至发射端超声换能器。发射端换能器以固定角度发送超声波，接收端换能器接收超声波。随后，接收信号经过低噪声、宽带前置放大器(PXPA6)放大+60dB，并储存在示波器(RigolMSO5074)中。最终，数据被导入PC，并利用MATLAB对信号进行频谱分析。整个测量过程由函数发生器的触发信号同步控制。

图1影响非线性超声检测的各个环节

图2斜入射同侧式空气耦合超声检测系统

图3斜入射同侧式空气耦合超声检测系统各组成部分示意图

实验结果：

1、在单向碳纤维复合材料板中，不论是否存在裂纹，健康和损伤状态下的接收信号中均包含高次谐波分量。但损伤信号中的谐波分量更为明显，且根据基波幅度与高次谐波幅度计算出的相对非线性参量相比健康时明显增加；

2、单向碳纤维复合材料板中两个垂直方向上的非线性响应有差异，从平行于碳纤维排布的裂纹(90°)中获取的信号，所计算出的谐波幅度更大，损伤前后非线性参量的变化差异更为明显；

3、能量过低的激励信号无法引起明显的非线性响应，而增加激励能量也无法保证损伤后的非线性参量持续增加。

图4三种不同脉冲信号的时频分析

电压放大器推荐：ATA-2031

图：ATA-2031高压放大器指标参数

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