Page 52 - 无损检测2022年第九期

沈意平,等:
基于柔性压电材料传感器的法兰螺栓松动检测

图 5 PZT 粒径与复合材料 g 33 的关系
图 2 PZT / 环氧树脂复合材料 保持较好的稳定性。

PZT / 环氧树脂复合材料采用油浴极化, 极化电 ( 2 )随着 PZT 粒径增大, 压电复合材料的介电

压为 3kV / mm , 极 化 时 间 为 20 min , 极 化 温 度 为 常数ε r 增大, 介电损耗tanδ 增加, 采用 V 号 PZT

[ 12 ]
达到 65 。这是由
100 ℃ 。压电电压常数 g 33 能够表征压电复合材 粒径制备的复合材料介电常数ε r
料的传感性能, 直接关系到传感透射电压的灵敏度, 于 PZT 粒径增大, PZT 颗粒表面积与体积之比减
其表达式为 小, 其表面介电常数低于颗粒内部的介电常数, 复合
/ ( 1 ) 材料的介电常数增大。随着 PZT 粒径增大, 复合材
g 33 = d 33 ε r ε 0
分别为压电复合材料的压电应变常 料气孔增多, 介电损耗增加。
式中: d 33 和ε r

为真空介电常数。 ( 3 )随着 PZT 粒径增大, 压电电压常数 g 33 增
数和介电常数; ε o
采用 ZJ-6A 型准静态测量仪测试压电应变常 大。这是由于 PZT 粒径增大, 压电复合材料的压电
, 采用 TH-2838 型精密阻抗仪测试复合材料 应变常数d 33 与介电常数ε r 都增大, 且 d 33 的增长
数d 33

与 介 电 损 耗 tanδ 。 PZT 粒 径 与 率大于ε r 增长率, 两者共同作用使得 g 33 增大。
的介电 常 数 ε r
PZT / 环氧树脂压电复合材料压电应变常数和介电 根据 PZT 粒径与 PZT / 环氧树脂复合材料压电
性能的关系如图 3 和图 4 所示, 根据式( 1 ) 计算得到 电压常数 g 33 的关系, 选择 Ⅴ 号 PZT 粒径来制备压
的压电电压常数如图 5 所示。从图 3~5 可以得出 电复 合 材 料。 所 制 成 的 柔 性 压 电 材 料 g 33 达 到

以下结论。 117mV · N -1 , 能够更为灵敏地接收到法兰结构中
的超声波信号。
2 基 于 超 声 波 技 术 的 法 兰 螺 栓 松 动 检 测
原理

风电塔筒采用均布多个螺栓的法兰连接结构,
超声波在法兰结构中传播时, 在上下法兰连接界面
图 3 PZT 粒径与复合材料 d 33 的关系
处产生透射和反射波。随着螺栓连接松动程度的变
化, 界面接触状态将发生变化, 导致超声波在界面处
的透射和反射特性发生改变。超声波法的检测原理
为: 利用螺栓松动造成的法兰界面超声波透射信号
变化来表征螺栓松动程度。
取单个螺栓连接法兰结构为例( 见图 6 ), 上下法
兰界面间接触压力 p 与螺栓预紧力矩 T 的关系为
图 4 PZT 粒径与复合材料ε r 和tanδ 的关系

T
p = ( 2 )
( 1 )随着 PZT 粒径增大, PZT / 环氧树 脂复合 λd
增大, 采用 V 号 PZT 粒径
材料的压电应变常数d 33 式中: λ 为预紧力矩系数, 一般取为 0.2 ; d 为螺栓公

-1 。这是由于
达到 80p C · N 称直径。
制备的复合材料 d 33
PZT 粒径增大, 部分 PZT 颗粒接触概率增大, 形成 随着螺栓产生松动, 法兰界面接触压力将发生
局部电场导通, 能够提升 PZT 相的极化效果。压电 改变, 界面刚度也随之发生变化。 BIWA 等 [ 15 ] 通过

略有增大, 1d 后 大量试验建立了界面刚度 K 与压力的关系, 其表达
复合材料极化后压电应变常数d 33
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2022 年 第 44 卷 第 9 期

无损检测