基于PVDF压电薄膜的超声波测厚技术探究

申晓月

（中北大学信息与通信工程学院,030051)

0 引言

本文以压力管道为研究对象，压力管道是输送有毒、可燃、易爆气体或者液体介质的关键组成部分，其安全运行关系到整个企业的安全生产，随着压力管道的逐年老化及管道内化学物质的腐蚀，管道安全事故频繁发生，因此对压力管道进行腐蚀检测非常重要。笔者通过检测压力管道的壁厚来判断管道的腐蚀情况，常用的超声波管道测量方法主要是水浸法，由于诸多的条件限制，水浸法测量管材壁厚的过程十分复杂繁琐，不利于方便快捷地进行现场检测。此外，水浸法只能检测一点的厚度值，耦合装置复杂，也无法实现压力管道一定区域内实时监测的目的。

本文中将采用PVDF压电薄膜设计柔性超声传感器，该传感器具有PVDF压电薄膜的柔韧性，可以克服常用超声波传感器在测量曲面试件时的限制与困难，从而方便地检测管材等曲面试件。从而为检测腐蚀方法提供了一种方便快捷有效的方法。

1 基于PVDF压电薄膜的超声测厚法

PVDF具有较高的压电性能，在1880年J.居里和P.居里两兄弟在晶体中最早发现了压电现象。20世纪早期，压电材料陆续被发现，但其很低的压电性能阻碍了压电材料的实际应用。直至1969年，日本科学家H.Kawai 发现在高温及高电压下极化后，PVDF具有较高的压电性能，证明了压电材料具有极高的实际应用价值。关于压电聚合物及应用的研究发生了突破性的进步和飞速的发展。

超声波测厚有共振式、Lamb波式和脉冲反射式三种。共振法测厚具有精度高的优点，但要求被测试件的表面光滑程度较高，该方法的实现装置复杂。Lamb波法测厚无论是被测对象还是实验条件都较其他的方法更为苛刻，实验研究的意义远大于实际应用。脉冲发射式测厚方法是目前发展最完善、应用最广泛的测厚方法。虽然难以对厚度很薄的试件进行测厚检测，精度较差，但其对被测试件的表面粗糙程度的要求不高，可以实现自动检测、控制等功能，并且以脉冲激励的方式产生超声波可以较便捷地用仪器实现。目前，为满足测厚需求，超声波测厚仪以脉冲式测厚方法为基础向小型化、智能化、高精度、多功能方向发展。

2 脉冲发射式超声测厚基本原理

本文是基于PVDF压电薄膜的脉冲发射式超声测量方法，PVDF压电薄膜较其它压电材料具有更突出的压电性能，当PVDF压电薄膜发生形变时，在其两个表面会形成极性相反、大小相等的电荷，所以可以将PVDF压电薄膜看作类似于电容性质的电荷发生器。系统主要有脉冲信号发生器，PVDF压电薄膜传感器，电荷放大器，低通滤波器，电压放大器及显示设备组成。如图一所示：

图一 脉冲反射式测厚法原理图

3 试验研究

3.1 压电效应

某些材料被施加机械应力的条件下会在表面产生电荷，并且电荷的多少与施加应力的大小成一定的关系，这样的材料就是压电材料。压电材料表现的这种现象被称为压电效应。其本质是实现机械能和电能之间的相互转化。通常被广泛使用的压电材料如压电陶瓷、石英晶体、压电高分子聚合物等。

压电效应是双向可逆的，分别为正压电效应及逆压电效应。压电材料在一定方向上受到应力作用，在其内部会发生极化，相对的表面上会产生极性相反的电荷。一旦应力消失后，压电材料又重新回到不带电的状态。这种现象就是正压电效应。相反，沿着压电材料的极化方向施加电场，材料会发生形变，撤掉电场后，形变消失，材料恢复成初始状态。这种现象是逆压电效应。图二是正、逆压电效应的示意图。

图二 正、逆压电效应示意图

3.2 试验方法

试验系统框图见图三。按图三连接系统，并将PVDF压电薄膜在实验上贴好。根据实验流程搭建试验台，对试验台架上的不同厚度的试样进行测试。

图三 试验系统框图

系统主要由脉冲信号发生器发出周期性窄带脉冲信号到PVDF压电薄膜传感器上，传感器受到信号发出超声波，在上、下表面发生反射，反射波分别被传感器接收，转换成为电信号。电信号经过多次信号处理，可以直接通过示波器观测或者再由A/D转换器转换成数字信号进入上位机作进一步的软件分析。

压力管道试样测试如图四所示试验激励由脉冲信号发生器产生，经过反射信号转换，信号处理最后由示波器直接显示，方便直观看。同时经过pci8606数据采集卡将数据采集到电脑中，用于以后的分析。

图四 管道试样测试

大量的实验数据分析结果表明，此方法可以方便便捷的检测出结构的厚度大小，并且不受结构表面粗糙程度的限制，但是难以对厚度很薄的试件进行测厚检测，因此有待进一步分析研究。

4 结语

压力管道、压力容器是输送和储备有毒、可燃、易爆气体或者液体介质的关键设备，开展对受腐蚀的承压设备厚度检测技术研究具有十分重要的工程应用价值。笔者采用基于PVDF压电薄膜的超声测量技术，通过选择恰当的超声测量方法，有效的避开共振式和Lamb式的缺点，利用粘贴在结构表面的PVDF压电薄膜激发出超声信号，通过发出信号到接受反射信号的传播间隔时间与被测厚度值成正比关系，采用简单的算法计算出从被测结构的厚度值，从而确定结构的腐蚀程度加以维护或更换。基于PVDF压电薄膜的超声测量技术将为快速便捷测厚提供一种新的结构方式，推进结构向小型化、智能化、高精度、多功能方向发展，具有可开发性和先进性。

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