射频功率放大器在超声导波针对均匀腐蚀研究中的应用

实验名称：超声导波针对均匀腐蚀的无基准评定方法

研究方向：超声导波加速腐蚀

测试目的：

超声导波作为一种精准、高效的无损检测技术已被诸多学者运用于土木工程构件的腐蚀监测中。目前采用具有不同能量密度分布特征的导波进行钢筋混凝土构件剥离和坑蚀两种损伤模式的定性识别；将分形理论运用于腐蚀监测；运用缺陷回波的幅值信息对钢绞线外围钢丝及中心钢丝的缺陷深度进行识别；论证了缆索中钢丝间的接触会导致模态转换现象，并可将弯曲模态谱幅的变化作为评估损伤的指标。然而，考虑到长期的腐蚀监测过程中，换能器与构件界面的耦合性能将不可避免地发生改变，上述基于导波幅值信息测试结果尚缺乏可靠性，故研究人员尝试运用无基准的检测方法评估构件的性能。利用时间翻转法重构激励信号，通过一个用于刻画原始激励信号与重构信号畸变程度的指标来反映构件损伤的程度；利用波达时间的改变量识别混凝土梁的剥离程度。近年来，基于模型的损伤识别方法被运用于导波监测中，其突出的优点是可以准确地定量识别损伤。然而，腐蚀缺陷的形貌和位置具有随机性，用于模拟高频超声导波的数值模型往往难以兼顾计算效率和对缺陷的适应性，故并未见该方法在实际腐蚀工况下的运用。

测试设备：机箱、任意波形发生器、数字信号采集板卡、声发射探头、射频功率放大器(ATA-8202)、前置放大器(ATA-5620)。

实验过程：

监测对象为加速腐蚀试验条件下桥梁拉索用镀锌钢丝，直径为7mm，总长约为103cm，腐蚀段长度约为94cm。电解质采用3.5%氯化钠溶液，钢丝设定为加速腐蚀系统的阳极，四片等间隔放置的不锈钢板设定为阴极，由外接直流电源提供恒定电流。采集系统套件包含机箱，任意波形发生器及60MS/S、8通道数字信号采集板卡。测量方式采用一端激励、一端接收。传感器采用相同的声发射探头用于激励和接收纵向模态导波信号，其频率响应范围为0.1~1.5MHZ。激励信号采用射频功率放大器(ATA-8202)放大，接收信号采用前置放大器(ATA-5620)放大。采用夹具将探头固定于待测钢丝两端，机油作为界面耦合剂以增加振动能量的传递效率。试验装置如图。

图：实验装置

实验结果：

外接电流恒定为0.35A，每隔12h对钢丝剩余直径量进行监测，直径改变步长由法拉第定律控制，约为0.05mm。下图例举了在腐蚀监测初期(0-48h)，维持激励频率为377kHz不变的情况下接收信号的时频分析结果。接收信号的相关性峰值点频率会随着腐蚀进程而略有偏差，但波达时间仍明显地是现出单调减小趋势，证明导波群速度对钢丝直径的变化是极为敏感的。

误差小于0.157mm；其次，评估的剩余直径量随着腐蚀时间的增加单调递减，进一步说明了导波评价手段针对直径变化具有极高的分辨率:另外，绝对误差在腐蚀后段具有逐渐增大的趋势，分析原因为：D腐蚀速率与电极距有关，钢丝由于表面腐蚀速率不同，在发生均匀腐蚀的同时局部腐蚀效应也逐渐突显，表现为钢丝不同区段的直径差异增大；2表面逐渐积累的腐蚀产物会影响导波在钢丝中的传播特性，导致波速与理论值产生偏差；3后期表面积累的腐蚀产物会较大程度地影响导波在钢丝中的衰减特性，接收信号幅值衰减严重，信噪比明显下降。当腐蚀时长在250范围内，评估结果的随机性与分析结果吻合良好，但随着腐蚀时长的进一步增加，由于外界影响因素的介入将导致评估结果的误差增大，表现为置信区间外的异常值数量增多。

图：0-48h波达时间变化趋势

图：导波测试结果

安泰ATA-8202射频功率放大器：

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审核编辑：汤梓红