高压放大器在孔道灌浆非线性超声测试中的应用

实验名称：高压放大器在孔道灌浆非线性超声测试中的应用

研究方向：无损检测

测试目的：

超声波作为频率高于20kHz的声波被广泛应用于各类结构的无损检测中，以超声波作为探伤波的无损检测法称为超声波无损检测法，简称超声波法，该法在混凝土缺陷和损伤的检测中具有独特的优越性。超声波法包括线性超声波法和非线性超声波法。利用线性超声法对混凝土缺陷和损伤进行识别时主要是依据包括衰减系数、振幅、波速在内的线性参数的不同程度的变化规律，通常情况下较大缺陷的线性参数较无缺陷时的数值变化明显。而非线性超声法在对混凝土缺陷和损伤进行识别时则主要依据超声波在入射到混凝土后产生的各种非线性超声现象，此现象主要包括高阶谐波、声共振频率漂移和混频调幅下的旁频等。目前已被很多研究学者证实非线性超声法在检测材料的微小缺陷方面的灵敏程度比常规线性超声法更高，更容易识别。

测试设备：ATA-2042高压放大器、信号发生器、超声换能器、示波器。

图：非线性超声测试系统

实验过程：

搭建非线性超声测试系统，信号发生器作为信号源产生所需的电信号，然而此信号所蕴含的能量较低，因此需要将电信号先通过发射超声换能器将之转换为声信号然后入射到混凝土试件中。声信号在入射到混凝土试件后就会携带有混凝土试件内部的损伤信息然后再被另一端的接收换能器所接收，接收换能器的作用与发射换能器的作用恰好相反，其是将接收到的携带有有效信息的声信号转换成电信号，最后此电信号被示波器所采集进行数据处理，示波器可以直观显示波形，方便观察。

确定入射频率、增益电压等测试参数，本文的超声试验将根据二阶幅值是否明显来选取最优的发射频率。依据以往他人测试结论，试验将从40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz频率中优选出适合不同试件尺寸的发射频率。由于本次试验测试过中一阶谐波幅值在五种不同的入射频率下均可以观察到，因此其一阶谐波幅值不具有对比性，主要是二阶谐波幅值是否可以明显的观察到并且读取到。基本观察不到当入射频率为60kHz时的二阶谐波幅值；当改变入射频率为55kHz时可以观察到需要进行坐标处理才能读取具体数值的二阶谐波幅值，数据处理不方便；而在将入射频率降低到50kHz时，可以基本观察到二阶谐波幅值，但是数值显示不明显；因此继续降低入射频率为45kHz时，可以观察到明显的二阶谐波幅值；作为尝试又继续将入射频率降低为40kHz，不仅观察到二阶谐波幅值，亦观察三阶谐波幅值，而且二阶谐波幅值出现的频数不是很稳定，根据相关文献对于三阶谐波幅值的研究还没有成熟性的结论。因此为获得稳定的二阶谐波幅值，本次试验不选取入射频率为40kHz的超声波。

功率放大器的增益电压的适用范围会随着超声发射频率的增大而减小，通常功率放大器可以放大接收到的信号发生器传来的电信号，而幅值正是能量指标的表征，据此可以推算增大增益电压亦可增大求取相对非线性系数时所用到的一阶谐波幅值和二阶谐波幅值。鉴于此，下面对同配合比制备的尺寸为200*200*200mm3的立方体试件的实测数据进行频谱分析，做出了依次增大的增益电压下的频谱图，见下图。测试过程中采用的增益电压分别为7V、8V、9V、10V、11V。为了使观察的图形更加形象直观，下图对二阶谐波幅值处的具体数值进行了放大处理，以期得到更加准确的结论。

图：不同增益电压下的谐波幅值变化图

随着增益电压从7V逐渐增加到11V，均会在45kHz处出现一阶谐波幅值和在90kHz处出现二阶谐波幅值，频率不会发生改变；从两幅图中均可以观察到，随着增益电压的不断增加，一阶谐波幅值和二阶谐波幅值都不断增大。因此可以通过不断增加增益电压而获取不同的一阶和二阶谐波幅值，借此来拟合求非线性系数。为了进一步验证此方法的可行性，下面对于入射频率为45kH的不同增益电压下一阶和二阶谐波幅值进行拟合，如下图所示。

图：输入频率为45kHz的基波幅值与二阶幅值拟合图

由上图可知，基波幅值的平方与二阶谐波幅值在45kHz的入射频率下经不同的增益电压后所拟合处的相对非线性系数形状较好，线性相关系数R2=0.923，因此采用此种方法可以获得较为准确的相对非线性系数值。

实验结果：

（1）基于同配合比制备的尺寸为200*200*200mm3的立方体试件的实测数据，在进行预应力混凝土梁试件的非线性超声测试时可将超声波的入射频率确定为45kHz，波形选取为正弦波；

（2）采用利用不断增加增益电压所获得的一阶谐波幅值和二阶谐波幅值，然后将二者通过最小二乘法进行拟合进一步求取的相对非线性系数值的方法是可行的，并且线性相关系数可以达到0.9以上。

安泰ATA-2042高压放大器：

图：ATA-2042高压放大器指标参数

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本文实验案例参考自知网论文《预应力混凝土梁孔道灌浆非线性超声检测试验研究》