實驗名稱：基于壓電波動法的裝配式橋梁灌漿套筒缺陷檢測實驗

　　研究方向：土木工程/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、裝配式橋梁灌漿套筒施工質(zhì)量的無損檢測技術(shù)、壓電陶瓷傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用、壓電波動法與小波包能量分析。

　　實驗?zāi)康模?/strong>設(shè)計了無灌漿質(zhì)量缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試驗組和有不同缺陷的灌漿套筒，在灌漿套筒內(nèi)布置壓電陶瓷驅(qū)動器與傳感器。將信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號通過功率放大器放大100倍之后作用在壓電陶瓷驅(qū)動器上，轉(zhuǎn)換后的應(yīng)力波經(jīng)灌漿料與鋼筋傳播后被傳感器壓電陶瓷接收，并最終由示波器接收并顯示。通過對健康試件與缺陷試件的信號峰峰值以及小波包能量進行對比可得出灌漿套筒的缺陷程度。

　　測試設(shè)備：壓電陶瓷片（PZT5A，直徑5mm，厚度2mm，驅(qū)動器與傳感器，實現(xiàn)電-機械信號轉(zhuǎn)換）、灌漿套筒試件（GTJB4-20半灌漿套筒，模擬實際工程中的缺陷場景）、灌漿料強度（60Mpa，試件填充材料）、信號發(fā)生器（產(chǎn)生40kHz正弦激勵信號）、高壓放大器（放大倍數(shù)100倍，將信號電壓放大至500V）、示波器（采集并顯示接收信號，采樣時間240μs）等。

圖：實驗框圖

　　實驗過程：

　　1.試件制備

　　（1）制作健康試件（H1-H3）及4類缺陷試件（密實度、空氣腔、水料比、錨固缺陷），具體參數(shù)（見表1）。

  

　　（2）壓電陶瓷布置（見圖2）試驗現(xiàn)場照片：

　　驅(qū)動器：粘貼于錨固段鋼筋頂端光滑斷面中心點。

　　傳感器：埋入套筒進漿口以下1mm處的灌漿料中，用環(huán)氧樹脂制作0.1mm厚防水層，并用鋼絲固定，測試絕緣性（電阻無窮大）。

　　2.灌漿與養(yǎng)護

　　（1）采用電動注漿機從進漿口注漿,出漿口出漿后封堵,持續(xù)注漿至砂漿體積不再減少,封堵注漿口。

　　（2）標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28天。

　　3.信號采集

　　（1）通過信號發(fā)生器產(chǎn)生40kHz正弦波，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動壓電陶瓷。

　　（2）傳感器接收應(yīng)力波信號，示波器記錄時域數(shù)據(jù)。

　　4.信號處理

　　（1）時域分析：對比健康與缺陷試件的峰峰值（見圖3、圖4）。

　　圖3：不同試件的時域信號

　　圖4：各試件峰峰值

　　（2）小波包能量分析：采用Python進行3層分解，計算總能量（圖5）。

　　圖5：不同缺陷試件小波包總能量

　　實驗結(jié)果：使用壓電陶瓷在灌漿套筒內(nèi)部進行檢測能夠?qū)Υ嬖诓煌潭热毕莸墓酀{套筒進行有效識別，且信號的峰峰值能夠初步判斷該灌漿套筒內(nèi)部是否存在缺陷

　　1.時域信號：

　　缺陷試件峰峰值顯著高于健康試件（如M68試件峰峰值為健康試件的2.3倍）。

　　缺陷體積占比越大，信號幅值越高（密實度缺陷10%時增幅達(dá)1.9倍）。

　　2.小波包能量：

　　空氣腔缺陷（M68）能量為健康試件的3.3倍，密實度缺陷（D30）為1.9倍。

　　能量變化與缺陷程度呈正相關(guān)（見圖5）。

　　3.缺陷評價指標(biāo)（DI）

　　提出基于小波包能量的定量指標(biāo)（式1），建議DI≥0.10為缺陷臨界值（見表2）。

　　式1

　　表2：各試件的DI值

　　放大器在該實驗中發(fā)揮的效能：在該實驗中放大器將信號發(fā)生器輸出的低電壓信號放大至500V高壓，確保壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生足夠強度的應(yīng)力波。且放大器的高增益（100倍）保障信號穿透灌漿料介質(zhì)。低噪聲避免信號失真，提升缺陷檢測靈敏度。

　　安泰ATA-2161高壓放大器：

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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