實(shí)驗(yàn)名稱：超聲導(dǎo)波針對(duì)均勻腐蝕的無基準(zhǔn)評(píng)定方法

研究方向：超聲導(dǎo)波加速腐蝕

測(cè)試目的：

超聲導(dǎo)波作為一種精準(zhǔn)、高效的無損檢測(cè)技術(shù)已被諸多學(xué)者運(yùn)用于土木工程構(gòu)件的腐蝕監(jiān)測(cè)中。目前采用具有不同能量密度分布特征的導(dǎo)波進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)件剝離和坑蝕兩種損傷模式的定性識(shí)別；將分形理論運(yùn)用于腐蝕監(jiān)測(cè)；運(yùn)用缺陷回波的幅值信息對(duì)鋼絞線外圍鋼絲及中心鋼絲的缺陷深度進(jìn)行識(shí)別；論證了纜索中鋼絲間的接觸會(huì)導(dǎo)致模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并可將彎曲模態(tài)譜幅的變化作為評(píng)估損傷的指標(biāo)。然而，考慮到長(zhǎng)期的腐蝕監(jiān)測(cè)過程中，換能器與構(gòu)件界面的耦合性能將不可避免地發(fā)生改變，上述基于導(dǎo)波幅值信息測(cè)試結(jié)果尚缺乏可靠性，故研究人員嘗試運(yùn)用無基準(zhǔn)的檢測(cè)方法評(píng)估構(gòu)件的性能。利用時(shí)間翻轉(zhuǎn)法重構(gòu)激勵(lì)信號(hào)，通過一個(gè)用于刻畫原始激勵(lì)信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)畸變程度的指標(biāo)來反映構(gòu)件損傷的程度；利用波達(dá)時(shí)間的改變量識(shí)別混凝土梁的剝離程度。近年來，基于模型的損傷識(shí)別方法被運(yùn)用于導(dǎo)波監(jiān)測(cè)中，其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地定量識(shí)別損傷。然而，腐蝕缺陷的形貌和位置具有隨機(jī)性，用于模擬高頻超聲導(dǎo)波的數(shù)值模型往往難以兼顧計(jì)算效率和對(duì)缺陷的適應(yīng)性，故并未見該方法在實(shí)際腐蝕工況下的運(yùn)用。

測(cè)試設(shè)備：機(jī)箱、任意波形發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)采集板卡、聲發(fā)射探頭、射頻功率放大器(ATA-8202)、前置放大器(ATA-5620)。

實(shí)驗(yàn)過程：

監(jiān)測(cè)對(duì)象為加速腐蝕試驗(yàn)條件下橋梁拉索用鍍鋅鋼絲，直徑為7mm，總長(zhǎng)約為103cm，腐蝕段長(zhǎng)度約為94cm。電解質(zhì)采用3.5%氯化鈉溶液，鋼絲設(shè)定為加速腐蝕系統(tǒng)的陽(yáng)極，四片等間隔放置的不銹鋼板設(shè)定為陰極，由外接直流電源提供恒定電流。采集系統(tǒng)套件包含機(jī)箱，任意波形發(fā)生器及60MS/S、8通道數(shù)字信號(hào)采集板卡。測(cè)量方式采用一端激勵(lì)、一端接收。傳感器采用相同的聲發(fā)射探頭用于激勵(lì)和接收縱向模態(tài)導(dǎo)波信號(hào)，其頻率響應(yīng)范圍為0.1~1.5MHZ。激勵(lì)信號(hào)采用射頻功率放大器(ATA-8202)放大，接收信號(hào)采用前置放大器(ATA-5620)放大。采用夾具將探頭固定于待測(cè)鋼絲兩端，機(jī)油作為界面耦合劑以增加振動(dòng)能量的傳遞效率。試驗(yàn)裝置如圖。

圖：實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

外接電流恒定為0.35A，每隔12h對(duì)鋼絲剩余直徑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直徑改變步長(zhǎng)由法拉第定律控制，約為0.05mm。下圖例舉了在腐蝕監(jiān)測(cè)初期(0-48h)，維持激勵(lì)頻率為377kHz不變的情況下接收信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果。接收信號(hào)的相關(guān)性峰值點(diǎn)頻率會(huì)隨著腐蝕進(jìn)程而略有偏差，但波達(dá)時(shí)間仍明顯地是現(xiàn)出單調(diào)減小趨勢(shì)，證明導(dǎo)波群速度對(duì)鋼絲直徑的變化是極為敏感的。

誤差小于0.157mm；其次，評(píng)估的剩余直徑量隨著腐蝕時(shí)間的增加單調(diào)遞減，進(jìn)一步說明了導(dǎo)波評(píng)價(jià)手段針對(duì)直徑變化具有極高的分辨率:另外，絕對(duì)誤差在腐蝕后段具有逐漸增大的趨勢(shì)，分析原因?yàn)椋篋腐蝕速率與電極距有關(guān)，鋼絲由于表面腐蝕速率不同，在發(fā)生均勻腐蝕的同時(shí)局部腐蝕效應(yīng)也逐漸突顯，表現(xiàn)為鋼絲不同區(qū)段的直徑差異增大；2表面逐漸積累的腐蝕產(chǎn)物會(huì)影響導(dǎo)波在鋼絲中的傳播特性，導(dǎo)致波速與理論值產(chǎn)生偏差；3后期表面積累的腐蝕產(chǎn)物會(huì)較大程度地影響導(dǎo)波在鋼絲中的衰減特性，接收信號(hào)幅值衰減嚴(yán)重，信噪比明顯下降。當(dāng)腐蝕時(shí)長(zhǎng)在250范圍內(nèi)，評(píng)估結(jié)果的隨機(jī)性與分析結(jié)果吻合良好，但隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的進(jìn)一步增加，由于外界影響因素的介入將導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的誤差增大，表現(xiàn)為置信區(qū)間外的異常值數(shù)量增多。

圖：0-48h波達(dá)時(shí)間變化趨勢(shì)

圖：導(dǎo)波測(cè)試結(jié)果

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯：湯梓紅