压电激励器

压电效应的两个方向

压电材料具有机电耦合特性，同一块材料可以工作在两个相反的方向上。

• 正压电效应：材料受到机械应力（应变）时，内部电偶极矩发生变化，表面出现与应力成比例的束缚电荷，可在外电路形成电荷或电压输出。这是压电的工作基础，把机械量转换为电信号。
• 逆压电效应：在压电材料上施加电场（电压）时，材料产生与电场成比例的机械应变，从而向外输出振动或声波。这是压电（换能器发射端）的工作基础，把电信号转换为机械振动。

两个方向互为逆过程，描述它们的压电方程中，正效应与逆效应的压电常数在数值上相互对应（同一材料、同一极化方向下）。因此压电元件既可作激励器，也可作传感器，取决于外部电路是施加电压还是测量电荷。

激励器的工作方式

激励器由信号源驱动：信号源输出交变电压加在压电元件电极上，元件随电压变化产生周期性形变，把电振荡转换为机械振动，并以弹性波的形式传入被测结构。激励信号的频率、幅度和波形由驱动电路决定；元件本身的谐振特性会影响振动输出的频率响应，因此实际使用中常工作在特定频段或谐振点附近。

传感器接收与波形对比

在结构检测中，激励器在一端激发弹性波，波在结构中传播后被另一端的压电传感器接收。传感器基于正压电效应，把到达的机械振动转换为电信号，形成接收波形。

• 无损状态：结构中无缺陷，弹性波主要沿结构传播，接收波形反映直达波与结构边界反射的叠加，波形特征相对稳定。
• 有损状态：结构中存在破损（如裂纹、脱粘、孔洞），波在缺陷处发生反射、散射和模式转换，传播路径和能量分配改变，接收波形的幅度、到达时间、相位或后续反射波组会相对无损波形出现差异。

因此，通过对比同一检测配置下测得的波形与无损参考波形，可以从波形差异判断结构是否存在损伤。

适用范围与条件

• 上述激励—接收关系成立的前提是压电元件具有压电性，且工作电场方向与材料极化方向配合，否则逆效应输出会显著减弱。对铁电压电陶瓷（如PZT），需先经强直流外电场极化以获得剩余极化才具有压电性；天然压电石英等本身即具有压电性的材料无需先进行铁电极化处理。
• 波形对比法要求检测配置（激励器与传感器位置、激励信号、耦合条件）在无损与有损测量中保持一致，否则波形差异不能单独归因于结构损伤。
• 压电元件既作激励器又作传感器时，其电端需分别接驱动电路与接收电路，两种工作模式的电路条件不同。