高壓放大器在孔道灌漿非線性超聲測試中的應(yīng)用
實驗名稱：高壓放大器在孔道灌漿非線性超聲測試中的應(yīng)用
研究方向：無損檢測
測試目的：
超聲波作為頻率高于20kHz的聲波被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的無損檢測中，以超聲波作為探傷波的無損檢測法稱為超聲波無損檢測法，簡稱超聲波法，該法在混凝土缺陷和損傷的檢測中具有獨特的優(yōu)越性。超聲波法包括線性超聲波法和非線性超聲波法。利用線性超聲法對混凝土缺陷和損傷進行識別時主要是依據(jù)包括衰減系數(shù)、振幅、波速在內(nèi)的線性參數(shù)的不同程度的變化規(guī)律，通常情況下較大缺陷的線性參數(shù)較無缺陷時的數(shù)值變化明顯。而非線性超聲法在對混凝土缺陷和損傷進行識別時則主要依據(jù)超聲波在入射到混凝土后產(chǎn)生的各種非線性超聲現(xiàn)象，此現(xiàn)象主要包括高階諧波、聲共振頻率漂移和混頻調(diào)幅下的旁頻等。目前已被很多研究學(xué)者證實非線性超聲法在檢測材料的微小缺陷方面的靈敏程度比常規(guī)線性超聲法更高，更容易識別。
測試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、信號發(fā)生器、超聲換能器、示波器。
圖：非線性超聲測試系統(tǒng)
實驗過程：
搭建非線性超聲測試系統(tǒng)，信號發(fā)生器作為信號源產(chǎn)生所需的電信號，然而此信號所蘊含的能量較低，因此需要將電信號先通過發(fā)射超聲換能器將之轉(zhuǎn)換為聲信號然后入射到混凝土試件中。聲信號在入射到混凝土試件后就會攜帶有混凝土試件內(nèi)部的損傷信息然后再被另一端的接收換能器所接收，接收換能器的作用與發(fā)射換能器的作用恰好相反，其是將接收到的攜帶有有效信息的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，最后此電信號被示波器所采集進行數(shù)據(jù)處理，示波器可以直觀顯示波形，方便觀察。
確定入射頻率、增益電壓等測試參數(shù)，本文的超聲試驗將根據(jù)二階幅值是否明顯來選取最優(yōu)的發(fā)射頻率。依據(jù)以往他人測試結(jié)論，試驗將從40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz頻率中優(yōu)選出適合不同試件尺寸的發(fā)射頻率。由于本次試驗測試過中一階諧波幅值在五種不同的入射頻率下均可以觀察到，因此其一階諧波幅值不具有對比性，主要是二階諧波幅值是否可以明顯的觀察到并且讀取到。基本觀察不到當(dāng)入射頻率為60kHz時的二階諧波幅值；當(dāng)改變?nèi)肷漕l率為55kHz時可以觀察到需要進行坐標(biāo)處理才能讀取具體數(shù)值的二階諧波幅值，數(shù)據(jù)處理不方便；而在將入射頻率降低到50kHz時，可以基本觀察到二階諧波幅值，但是數(shù)值顯示不明顯；因此繼續(xù)降低入射頻率為45kHz時，可以觀察到明顯的二階諧波幅值；作為嘗試又繼續(xù)將入射頻率降低為40kHz，不僅觀察到二階諧波幅值，亦觀察三階諧波幅值，而且二階諧波幅值出現(xiàn)的頻數(shù)不是很穩(wěn)定，根據(jù)相關(guān)文獻對于三階諧波幅值的研究還沒有成熟性的結(jié)論。因此為獲得穩(wěn)定的二階諧波幅值，本次試驗不選取入射頻率為40kHz的超聲波。
功率放大器的增益電壓的適用范圍會隨著超聲發(fā)射頻率的增大而減小，通常功率放大器可以放大接收到的信號發(fā)生器傳來的電信號，而幅值正是能量指標(biāo)的表征，據(jù)此可以推算增大增益電壓亦可增大求取相對非線性系數(shù)時所用到的一階諧波幅值和二階諧波幅值。鑒于此，下面對同配合比制備的尺寸為200*200*200mm3的立方體試件的實測數(shù)據(jù)進行頻譜分析，做出了依次增大的增益電壓下的頻譜圖，見下圖。測試過程中采用的增益電壓分別為7V、8V、9V、10V、11V。為了使觀察的圖形更加形象直觀，下圖對二階諧波幅值處的具體數(shù)值進行了放大處理，以期得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論。
圖：不同增益電壓下的諧波幅值變化圖
隨著增益電壓從7V逐漸增加到11V，均會在45kHz處出現(xiàn)一階諧波幅值和在90kHz處出現(xiàn)二階諧波幅值，頻率不會發(fā)生改變；從兩幅圖中均可以觀察到，隨著增益電壓的不斷增加，一階諧波幅值和二階諧波幅值都不斷增大。因此可以通過不斷增加增益電壓而獲取不同的一階和二階諧波幅值，借此來擬合求非線性系數(shù)。為了進一步驗證此方法的可行性，下面對于入射頻率為45kH的不同增益電壓下一階和二階諧波幅值進行擬合，如下圖所示。
圖：輸入頻率為45kHz的基波幅值與二階幅值擬合圖
由上圖可知，基波幅值的平方與二階諧波幅值在45kHz的入射頻率下經(jīng)不同的增益電壓后所擬合處的相對非線性系數(shù)形狀較好，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.923，因此采用此種方法可以獲得較為準(zhǔn)確的相對非線性系數(shù)值。
實驗結(jié)果：
（1）基于同配合比制備的尺寸為200*200*200mm3的立方體試件的實測數(shù)據(jù)，在進行預(yù)應(yīng)力混凝土梁試件的非線性超聲測試時可將超聲波的入射頻率確定為45kHz，波形選取為正弦波；
（2）采用利用不斷增加增益電壓所獲得的一階諧波幅值和二階諧波幅值，然后將二者通過最小二乘法進行擬合進一步求取的相對非線性系數(shù)值的方法是可行的，并且線性相關(guān)系數(shù)可以達到0.9以上。
圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)
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本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道灌漿非線性超聲檢測試驗研究》
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