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北京大學發表研究成果 開啟結構健康監測新時代

儀表研發儀表網2019年05月27日 09:22:36人氣:2887

  【儀表網 儀表研發】近日,國際超聲雜志Ultrasonics發表了北京大學工學院李法新課題組的題為“A practical omni-directional SH wave transducer for structural health monitoring based on two thickness-poled piezoelectric half-rings”的論文(Q. Huan et.al, Ultrasonics,2019(94): 342-349)。該文提出了一種結構簡單、可廣泛應用于結構健康監測領域的水平剪切(SH)波壓電換能器。它由兩個極化相反的半圓環組成,施加環向電場,可方便地激勵出各向同性的非頻散水平剪切波SH0。這項工作的發表標志著李法新課題組在超聲導波檢測/監測領域取得國際領先地位,開辟了SH波基礎研究及應用研究的新時代。論文第一作者是北大工學院2015級博士生宦強。
 

 
圖1. 雙半圓環SH波換能器及其激勵的全向性SH波
 
  近年來結構健康監測(SHM)在現代工業中變得越來越重要,對于管道、板殼等大型結構來說,超聲導波監測方法具有傳播距離長、定位準確等獨有的優勢。然而,目前普遍采用的Lamb導波由于多模態、頻散等問題,在實際應用中受到諸多限制。相比之下,零階SH導波是完全非頻散的,而且只有一個位移分量,在計算分析和信號處理方面具有明顯優勢,但純的SH波很難用壓電換能器激勵出來。
 
  早在上世紀70年代末,美國學者Thompson等已經采用電磁超聲換能器(EMAT)在平板中激勵出較純的SH波。但EMAT的最大問題是能量轉換效率太低,因此必須采用大功率的發射裝置和信號放大接收電路才能工作,其檢測距離受到限制,難以發揮導波長距離檢測的優勢,而且設備笨重無法用于結構健康監測(SHM)。無損檢測領域領軍學者、英國皇家兩院院士、帝國理工學院的Peter Cawley教授在其論文(IEEE. UFFC., 2011)中指出:“平板中的SH導波和管道中的扭轉導波難以用常規的壓電換能器激勵”。電磁超聲領域領軍學者、日本大阪大學Ogi教授在論文(NDT&E International., 2012)中評論:“當前SH波的研究主要集中在理論和數值模擬,原因在于SH波難以用壓電換能器激勵”。因此,采用壓電換能器激勵出純的SH波一直是該領域的一個難題,這嚴重制約了SH波基礎研究和應用研究的進展。
 
  李法新課題組從2015年開始從事SH波激勵方法的研究,由于在鐵電壓電領域的多年積累,在三年多時間內就取得了突破性進展,先后研制出三代剪切型SH波壓電換能器,可方便地用于SH波的基礎研究及檢測監測應用研究。
 
  第一代:面內剪切d36型及合成d36型SH波壓電換能器
 
  常規的PZT壓電陶瓷由于極化后為橫觀各向同性,不存在d36面內剪切的變形模式。課題組通過應力誘導鐵彈疇變,首次在PZT陶瓷中開發出d36面內剪切的變形模式(APL2015)(見圖2左)。采用d36型PZT陶瓷可以激勵出SH波(Miaoet al, JAP 2016),但同時也激勵出Lamb波。他們改進設計,采用二維反向極化的方法制備了合成d36型壓電陶瓷(Li, Miao, JAP 2016)(見圖2中),它激勵SH0波的效果要好一些,但仍然無法激勵出純的SH0波。他們提出對厚度極化PZT陶瓷分割電極、施加二維反向電場的方法(見圖2右),可在較窄頻帶內激勵和接收SH0波(Huanet al, Ultrasonics 2018)。這種方法可采用商用的厚度極化PZT,適合實驗室研究,但因引線麻煩,不適合大范圍應用。
 
  第二代:面內剪切d24型SH波壓電換能器
 
  2016年他們提出了新型面內剪切d24模式(圖3左),采用d24型壓電換能器在平板中激勵出單模態非頻散的零階SH波,同時還可以有選擇性地接收SH波(濾掉Lamb波)。這項工作于2016年11月發表在領域權威期刊Smart Mater Struct,并入選該期刊2016年度23篇亮點論文(Highlights)之一(全年540余篇論文)。他們進而采用一對尺寸優化的d24型壓電片(圖3中),制備出雙向聚焦型SH波換能器,適于研究SH波的基本性質和激勵大口徑管道中的周向SH導波(Miao et al, Ultrasonics 2018)。同時,他們采用指環形d24壓電片陣列(圖3右),在圓管中激勵出非頻散的零階扭轉波T(0,1) (Miao et al,Smart Mater Struct2017),為長距離管道的結構健康監測提供了方便可行的技術方案。
 
  第三代:全向型SH波壓電換能器
 
  前面的第一代和第二代SH波換能器均是方向型(十字指向)或雙向(聚焦)型,而在板殼結構檢測/監測中需要全向型SH波換能器。課題組采用d24型壓電片平面圓環陣列合成周向極化(圖4左),實現了全向型的SH波換能器(Miao et al, Ultrasonics 2017),其各方向靈敏度偏差約為15%,可接受但不理想。他們進一步提出基于新型厚度極化、厚度剪切d15模式壓電圓環12等分的全向型SH波換能器(Huanet al, Smart Mater Struct 2017)(見圖4中),該換能器信噪比高(~24dB)、均勻性好(靈敏度偏差6-7%),已經在稀疏陣列結構健康監測中得到應用驗證。相比于基于Lamb波的結構健康監測系統,基于非頻散SH0導波的監測系統具有缺陷定位精度高、信號處理簡單、可變頻工作等明顯優勢。然而,這種12陣元的換能器在大規模應用中還是不太方便。
 
  最新發表的基于雙壓電半圓環的全向型SH波換能器,結構簡單,性能優良,徹底解決了SH波用于結構健康監測中的技術問題??梢灶A見在不久的將來,導波檢測/監測領域的研究格局將發生改變,基于SH波的檢測/監測方法將得到迅速發展。而且,這種雙半圓環的SH波壓電換能器同時還是一個完美的扭轉振動換能器,可以在圓棒或圓管中激勵出非頻散的扭轉導波T(0,1),因此必將在超聲和振動相關領域得到廣泛應用。
 
  上述發展的SH波換能器已經在美國Tufts大學、北京理工大學、廈門大學、大連理工大學等單位得到應用,反響很好。相關工作先后獲得第一屆和第二屆軌道交通結構健康監測國際研討會一等獎(2016、2018,均唯一)、中國鐵道學會最佳論文一等獎(2019)等獎項。
 
  (原文標題:工學院李法新課題組發表SH超聲導波換能器研究成果 開啟結構健康監測新時代)
(本文來源:北京大學,轉載請注明出處
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