高压放大器在混凝土中超声衰减试验研究中的应用

实验名称：混凝土中超声衰减试验研究

研究方向：无损检测

测试目的：

要利用压电智能骨料对混凝土材料进行健康监测，首先要研究基于埋入式压电智能骨料下声波在混凝土中的传播规律。由于混凝土材料的组分较为复杂，包括水泥、细骨料和粗骨料，因此应力波在其中的传播具有衰减大、传播方向性差、传播路径复杂的特点，在混凝土材料中应用声波进行健康监测要比金属等均质材料复杂得多，所以需要对应力波在混凝土中的传播规律作研究。目前对于超声衰减的研究大多基于外贴式传感器，但是不可控的耦合界面质量会在超声衰减测量中引起很大的误差，且超声声场特性与传感器的形状也有关系，因此，需要对基于埋入式压电智能骨料的应用下声波在混凝土材料中的衰减规律做研究。

测试设备：ATA-2041高压放大器、波形发生器、电荷放大器、数据采集卡、笔记本电脑。

实验过程：

先制作一根混凝土梁试件，其尺寸为2000mm×250mm×250mm，同时为了承受移动时产生的荷载及自身重力，设置了纵向钢筋。压电智能骨料（SA）阵列布置在梁截面的中心位置，与四周的距离均为125mm，并按顺序从1到7进行编号。SA1与SA2是一对紧贴的传感装置，两个传感器通过胶粘结在一起，主要作为衰减信号的分析基准。SA2~SA7方面的换能器的纵向间距是400mm、400mm、400mm、200mm和200mm。试件的具体尺寸及传感器的位置参考图如下图。

图：试件规格

实验所使用的超声脉冲中心频率f取为30kHz，50kHz，70kHz，90kHz，100kHz，110kHz，130kHz，170kHz，190kHz九个值。由于混凝土梁中埋有6个接收传感器，而试验使用的为窄带脉冲，因此，整个试验过程中需要调整9次不同的激励频率，每次激励可以获得不同距离处传感器的6组数据。就不同的频率点而言，激励SA1，每次处理获取8列数据信息。对于每一次采集的数据，共包括8列2×106行。第一列为时间序列，其他7列均为采集信号数据，其中包括第一列的原始激励信号直接采集的数据，及其他6个通道经过混凝土内部的收发接收的数据。这个数据量可以通过数据采集卡、Labview程序及Matlab进行快速采集和处理。

以100kHz激励频率为例详细描述试验的过程。首先按照下图所示的线路连接好各个SA及其他仪器，其中，功率放大器与SA1进行连接，而SA2-SA7则连接到电荷放大器的不同通道，同时，电荷放大器不同输出通道又分别连接数据采集卡的不同输入通道中，各个通道数据分别独立。

图：试验系统图

调节任意波形发生器按钮，读取高斯脉冲，由于该任意波形发生器没有内置的高斯脉冲信号，所以需要通过Matlab函数进行编写，并以tfw文件的格式输入到任意波形发生器中。读取写入的高斯脉冲信号，调整波形频率为100kHz，并以单脉冲的形式输出。调整输出电压至最大值±5v。

随后调节功率放大器，由于功率放大器输出电压和功率较大，若直接连接数据采集卡则容易造成损坏，因此必须保证功率放大器的输出端只与压电智能骨料连接。首先调节电阻匹配，再对电压增益倍数进行调节，本研究将增益倍数调至40倍，即输出电压为±200v。

检查电荷放大器的端口连接，SA作为电荷放大器的输入端，输出端则通过BNC线一一连接到数据采集卡上。电路触发能更精确地控制信号发射的时机，有利于节省计算空间，因此需要在数据采集卡PFI0端子处引出一线与任意波形发生器连接，以便于通过Labview程序进行触发控制。数据采集卡通过USB线与电脑连接，通过自编写的Labview程序可实现信号的收发控制。

以上连接配置好后即可开始进行信号采集。通过Labview程序控制信号的触发，任意波形发生器随即发射100kHz的高斯脉冲。将采样率设置到最大2M/s，采样数设置为1200，则每个通道可以获得600μs时间长度的信号。Labview程序自动保存时间，单次采集即可获得如下图所示的6通道数据。

图：100kHz激励信号下各个距离位置处传感器的接收信号

实验结果：

制作了1个混凝土梁试件，在试件中埋入了7个压电传感器。因为要研究不同距离位置处的衰减系数及衰减率情况，传感器的布置需要满足位置精确及方向性。采用的激励方案为：通过SA1进行信号激励，SA2-SA7进行接收，激励频率在30kHz-190kHz之间选取了9个频率，使用的波形为高斯窄带脉冲。通过6个位置与9个频率可得到54个频率-位置组合的数据，通过这些数据，可以得到如下结论：

（1）在30kHz至190kHz频率区间中，整体衰减率和激励频率满足二次多项式的关系。同时在100kHz频率位置处存在局部衰减最小值。衰减与频率关系的研究，对于监测频率的选取具有指导意义。信号的分辨率在100kHz附近达到最佳，这为后续激励频率的选取提供了参考依据。

（2）衰减系数随着距离的增大而增大，衰减率随着距离的增大而减小。在某一距离位置处，总衰减率随着频率的改变而改变，总衰减率只与扩散衰减有关，而与材料衰减无关。

（3）在30kHz至190kHz的频率范围内，波形的相关性系数呈现先增大后减小的趋势，在100kHz附近存在着局部相关系数的最大值，用100kHz的信号进行激励波形相关性最好。

安泰ATA-2041高压放大器：

图：ATA-2041高压放大器指标参数

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审核编辑黄宇