一种测量液体声速的兰姆波传感器

在分析现有液体声速测量方法的基础上,提出了一种新的兰姆渡传感器.以部分波理论和表面有效介电常数方法为基础,建立了兰姆波传感器的数学模型.制作了采用铌酸锂为压电材料的延迟线型兰姆波传感器,并得到了在给定液体密度时传感器输出频率与液体声速的对应关系.以不同比例的水和酒精的混合溶液为研究对象,取得了良好的实验结果.与其他传感器相比,该传感器具有灵敏度高、结构尺寸小、所需液体量少等优点.     

非线性Lamb波结构疲劳损伤层析成像研究

由于现有的基于线性Lamb波的结构损伤监测方法对于疲劳微裂纹等微尺度损伤不敏感,近几年来对非线性Lamb波损伤监测技术的关注越来越多.对非线性Lamb波的基本理论进行了分析,根据具有累加效应的非线性Lamb波传播特点,研究了结构微尺度损伤的非线性Lamb波特征分析和提取方法,结合压电阵列方法,研究基于非线性Lamb波特征参数的结构损伤层析成像方法.在T6061铝合板材料上进行了实验验证,实验结果表明,当结构发生损伤时,非线性特征参数会显著增大,以此为特征可实现对模拟疲劳损伤的成像、定位和评估.     

基于波包能量的裂纹扩展监测实验研究

采用主动Lamb波监测技术对铝板结构中的疲劳裂纹扩展进行了实验研究.首先通过布置在结构中的压电片激发并采集Lamb波信号.然后分别把Lamb波信号的原始信号、信号包络及其特定尺度上的小波系数模值定义为波包,并建立了不同定义下波包能量的计算公式.将结构在裂纹扩展过程中传感器所接收的Lamb波So模式波包能量与健康状态下所得到的波包能量进行对比,得到每个裂纹扩展阶段的能量差,将其归一化后得到相应的裂纹损伤特征参数.最后通过实验分析得到该损伤特征参数与裂纹扩展程度之间的对应关系,从而揭示出Lamb波随裂纹扩展的变化规律.实验结果表明,利用上述方法所得到的裂纹损伤特征参数随裂纹扩展表现出特定的变化规律.该规律对于裂纹监测的进一步研究具有促进作用.     

基于缓冲波导的T(0,1)模态导波激励方法实验研究

缓冲波导是解决超声传感器在高温管道在线检测中失效问题的重要途径。针对已提出的通过在缓冲波导内产生S0模态的Lamb波,并利用缓冲波导与管道的连接耦合,间接激励出T(0,1)模态导波的方法,本文进行了实验研究,设计并研制了用于激励S0模态Lamb波的曲折型线圈电磁超声换能器和用于接收T(0,1)模态导波的周期性永磁铁阵列式电磁超声换能器。结果表明:S0模态的Lamb波通过缓冲波导后能够激励出T(0,1)模态的导波对管道进行检测,从而验证了该方法的有效性,并为该方法的工程应用奠定了基础。     

碳纤维层合板Lamb波损伤检测的加权块稀疏成像法

针对Lamb波稀疏阵列损伤成像方法中存在的成像分辨率低、伪点干扰大的问题,基于损伤在被测结构中的稀疏先验,提出了一种加权块稀疏重构的Lamb波损伤成像方法。首先通过Lamb波在薄板类结构中的线性传播模型,结合稀疏传感器阵列信息,构造过完备Lamb波散射的块稀疏字典;其次将测量得到的Lamb波散射信号在所构建的过完备字典下进行稀疏表示,将Lamb波损伤成像问题转化为加权l_1范数最小化的凸优化问题;最后通过谱梯度投影法,求解所建立的加权块稀疏凸优化模型,得到损伤散射信号在该字典下的稀疏表示系数并以此作为损伤指标,实现对被测结构的损伤成像。碳纤维层合板上的模拟损伤成像结果表明:所提方法在单损伤成像中的定位误差为3.16 mm,在双损伤成像中的最大定位误差为4.24 mm。实验验证了所提方法的有效性,与传统延迟叠加成像法的对比表明,所得损伤成像结果具有更高的分辨率,更小的伪点干扰,但同时也需要更大的计算量。     

Zeeman效应对d波超导特性及其正常金属/d波超导结中隧道谱的影响

通过外加Zeeman磁场在d波超导中, 研究磁场对d波超导及其正常金属/d波超导结中隧道谱的影响. 研究表明: (i) Zeeman磁场能使能隙变小, 且随着磁场变大, 超导态会变为正常态, 产生一级相变; (ii)Zeeman磁场可导致零偏压电导峰劈裂, 劈裂宽度为2h₀(h₀为Zeeman能); (iii)界面势垒强度与温度都能降低劈裂的电导峰的数值, 其中界面散射势会使电导峰变得尖锐, 温度可抹平其电导 峰, 但它们并不影响Zeeman效应.     

与黏性电介质液体接触的压电材料中B-G波的传播

采用严格的界面电学边界条件导出了显式形式的频散关系,并对PZT-5H压电陶瓷进行了数值计算.计算结果表明:衰减随着液体的黏性系数、液体密度和波的频率的增加而增大;当液体的介电常数较大时,穿透深度变小,衰减变大.     

主动Lamb波结构健康监测集成化系统研究

文中针对目前研究中广泛采用的分立式系统设备在应用中存在的实时性、互联性以及效率等方面的诸多问题,研究提出了基于标准化通用总线平台的模块化集成主动Lamb波结构健康监测系统.用总线平台的开放性,集成系统运行所需的硬件设备,并构建监测系统的软件平台;同时,研究了标准化压电传感器及其网络控制技术.对系统设计方案进行了设计验证和实验研究,实验结果表明,该系统具备良好的开放性、实时性和兼容性,基本满足在线主动Lamb波结构健康监测应用化要求.     

用于液相检测的横向场激励模式压电传感器

与传统基于石英晶体微天平的压电传感器相比,横向场激励模式压电传感器具有更优异的性能。该文基于微声波理论,分析了横向场激励模式压电体声波器件的声传播机理,计算了石英晶体在任意切型及横向电场方向上的压电耦合系数,并根据计算结果设计了新型的传感器结构。3种不同浓度的水溶液用于测试传感器对液体粘度、介电常数和电导率等变化的响应。结果表明,横向场激励压电传感器不仅具有较好的质量敏感效应,还对被测液体电特性参数变化具有较高的灵敏度,可用于研制复合型压电生物传感器。     

压电晶片激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波

基于流固耦合理论,采用有限元方法,建立压电激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波的数值模型.数值模拟研究单向纤维增强复合材料中的泄漏Lamb波的色散和衰减特征,得到了全波场数值解,进而分析了不同激励频率,不同纤维取向对波形的影响.结果表明:理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波可存在非色散,衰减较小的So模态和色散,衰减较大的Ao模态;通过选择激励频率可以选择合适的传播模态.材料纤维取向不同会影响泄漏波形的传播速度以及色散和衰减特性.数值模拟建立了激励源、材料参数以及相应波形之间的定量关系,可为泄漏Lamb波技术应用于NDE和NDT提供理论参考.     

用于液相检测的横向场激励模式压电传感器

与传统基于石英晶体微天平的压电传感器相比,横向场激励模式压电传感器具有更优异的性能。该文基于微声波理论,分析了横向场激励模式压电体声波器件的声传播机理,计算了石英晶体在任意切型及横向电场方向上的压电耦合系数,并根据计算结果设计了新型的传感器结构。3种不同浓度的水溶液用于测试传感器对液体粘度、介电常数和电导率等变化的响应。结果表明,横向场激励压电传感器不仅具有较好的质量敏感效应,还对被测液体电特性参数变化具有较高的灵敏度,可用于研制复合型压电生物传感器。     

铌铁酸铅-钛酸铅铁电陶瓷的结构相变

 通过钨锰铁矿预合成法制备了铌铁酸铅-钛酸铅(1-x)Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃ (PFN-PT)铁电陶瓷。X-ray衍射（XRD）测量和密度测试表明,1150 ℃烧结2.5 h制备的PFN-PT陶瓷呈现纯钙钛矿结构和较高的致密度。随着PbTiO₃（PT）质量含量的增加,PFN-PT的晶体结构从三方相向四方相转变,伴随着晶胞体积的减小和钙钛矿结构四方性因子（c/a）的增大。PFN-PT陶瓷呈现明显的介电频率色散现象,随着PT含量的增加,介电常数最大值温度T_m/T_C升高,介电响应从弥散、宽化的介电峰变得相对尖锐,介电损耗减小,频率色散现象减弱。MnO₂掺杂有效地改善了PFN-PT陶瓷的介电性能。w=0.25% MnO₂掺杂的0.66PFN-0.34PT陶瓷100 kHz的最大介电常数ε_m为13254,室温介电损耗tanδ为0.003 63,饱和极化强度P_s为6.18μC/cm2,矫顽场E_c为1.1 kV/mm,压电应变常量d₃₃为98pC/N。     

板状结构中的导波相控阵损伤成像技术

基于延迟-叠加原理,提出了在金属薄板中导波相控阵的波束形成公式及其损伤成像方法。该相控阵列的波束形成及其成像算法是在频率域上进行的,考虑了超声兰姆(Lamb)波的频散效应。数值仿真研究表明:本文提出的损伤识别技术能够有效定位损伤区域。为了验证该方法的有效性,实验中搭建了压电陶瓷传感器(PZT)-激光多普勒测振仪(SLDV)混合系统,对金属铝板进行损伤检测。该系统包括用于激励超声Lamb波的PZT和获取导波波场数据的SLDV。通过提出的导波相控阵成像算法实现对铝板的损伤成像。实验结果表明:基于频率域上相位延迟的导波相控阵成像方法,与传统时间延迟方法相比,能够提高损伤成像精度,有效定位损伤存在的区域。     

压力波在充满液体的弹性管道内传播的集肤效应

本文考虑到弹性管壁的弯曲应力,流向获得压力波在充满液体的弹性管道内传播的普遍的波数方程。并证明,在特定的简化假设下,该方程与 Lamb Morgan以及 Womersley 曾经得到的方程一致。然而,由波数方程的渐近解析解及数值解可知,对于长波,系统中有两族波,即 Moens 波(又称可膨胀波)和 Lamb 波(又称轴向波)。而对于短波,仅存在 Lamb 波。跟导体中的电磁波相似,在这类系统中传播的短波也存在集肤效应。并可估计集肤深度为 C_e/wR,其中 C_e 为轴向波速。     

PZT/PVDF柔性复合材料用于ISM天线研究

采用溶液混合法制备PZT/PVDF (Pb (Zr_xTi_1-x) O₃/Polyvinylidene Fluoride) 复合材料.对复合材料的介电特性和介质损耗特性进行了测试,设计了用于ISM波段的复合材料微带天线,由于复合材料具备高介电常数、低损耗和柔性的特点,实现了天线的小型化,并应用于高速公路自动收费系统.     

横向电场激励的剪切波AlN薄膜体声波谐振器

为了检测液体中的微量物质,研究了横向电场激励的剪切波固体装配型AlN薄膜体声波谐振器.器件以c轴择优取向的AlN薄膜作为压电层,电场由平行于压电薄膜表面的平行电极激发,三周期的1/4波长SiO2/W层交替排列构成了布拉格反射层.通过有限元分析计算了电场分布,设计了平行电极参数.结果表明：AlN薄膜具有良好的c轴择优取向,器件实现了稳定的2 GHz频率的单纯剪切波谐振,器件的品质因数Qs和Qp分别为434和393,等效机电耦合系数K2eff为0.97%,有效的横向电场激励和布拉格反射层的选频作用对纵波的抑制明显.这种谐振器非常有利于作为在液体环境中工作的生化传感器.     

离散解析互相关的Lamb波频散特性估计方法

针对实验估计Lamb波频散特性需要借助传感器阵列或空间密集采样的问题,提出了一种基于离散解析互相关的频散特性估计方法。采用一发一收法,移动接收换能器在两个相邻位置采集Lamb波响应信号;计算两组响应信号之间以及原始激励信号与响应信号之间的离散解析互相关、估计欲知模态的群延迟和相延迟;在此基础上,求得该模态的群速度和相速度频散曲线。数值仿真和实验结果表明:当信噪比在15 dB以上时,离散解析互相关法估计A_0模态和S_0模态频散特性的最大相对误差在1%左右。该方法在待测结构几何参数和材料属性未知的情况下,仅需经过两次测试就可实现Lamb波频散特性的精确估计,测试和计算效率高,能够满足实际工程应用。     

基于Lamb波混合成像算法的薄板结构损伤定位

针对传统椭圆法和双曲线法对结构损伤定位不精确的问题,提出了一种基于Lamb波的混合成像算法。该算法将椭圆法和双曲线法相结合,在使用相同数量传感器的条件下提高对信号数据的利用率,从而提高损伤定位的精度。通过有限元仿真对该算法进行验证,即建立一个无损伤模型和多个有损伤模型,模拟压电传感器以双面同相的激励方式获得单一模态的Lamb波,从而获得损伤的反射信号。用混合成像算法和传统椭圆法对仿真模型分别进行损伤定位。成像结果对比表明,混合成像算法对损伤的定位更精确,而且在结构有多处缺陷的情况下能检测到传统椭圆法无法识别出的损伤。     

缝类缺陷对Lamb波的影响研究

为了对金属薄板中缝缺陷进行Lamb波无损检测,采用短时傅里叶变换(STFT)和经验模态分解(EMD)方法,对ST12冷轧板中有无缺陷时采用一发一收方式激励出的Lamb波时域信号进行研究.结果表明,时频分析方法可有效地识别Lamb波模式以及模式转换现象,并且与Lamb波信号相关系数最高的固有模态信号(IMF)的平均瞬时频率的变化量和缺陷程度(缝深和缝长)也有较好的对应关系.     

压电石英晶体在有机液体—水混合体系中的特性

用晶体振荡器研究了压电石英晶体在一系列有机液体与水混合体系中的振荡性能,确定:在此类体系中的晶体频移与纯有机液体或电解质水溶液中的晶体频移变化规律不一致,系与液体的密度、粘度及介电常数有关,符合下一通式:△F=c_1d~(1/2)+c_2η~(1/2)-c_3ε_0+c_0,但电导率无显著影响.检测池外壁接地可显著降低介电常数的影响并提高频率稳定性.温度对频移的影响与体系的含水量有关.