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  實驗名(ming)稱：混凝土(tu)中超聲衰減(jian)試驗(yan)研究

  研究方向：無損檢測

  測(ce)試(shi)目的：

  要(yao)利(li)用(yong)壓(ya)電智(zhi)能(neng)骨(gu)料對(dui)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)材(cai)(cai)(cai)料進(jin)行健(jian)康監測，首(shou)先要(yao)研究(jiu)基(ji)(ji)于(yu)埋入(ru)式壓(ya)電智(zhi)能(neng)骨(gu)料下(xia)聲(sheng)波(bo)在混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)傳播(bo)規律(lv)。由于(yu)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)組分較為復(fu)雜(za)，包(bao)括(kuo)水泥(ni)、細骨(gu)料和粗骨(gu)料，因(yin)此(ci)應(ying)力波(bo)在其中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)傳播(bo)具有(you)(you)衰減(jian)(jian)大、傳播(bo)方向性(xing)差(cha)、傳播(bo)路徑復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)(de)特點(dian)，在混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)材(cai)(cai)(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)應(ying)用(yong)聲(sheng)波(bo)進(jin)行健(jian)康監測要(yao)比金屬等均質材(cai)(cai)(cai)料復(fu)雜(za)得(de)多(duo)(duo)，所以需要(yao)對(dui)應(ying)力波(bo)在混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)傳播(bo)規律(lv)作(zuo)研究(jiu)。目(mu)前對(dui)于(yu)超聲(sheng)衰減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)大多(duo)(duo)基(ji)(ji)于(yu)外貼(tie)式傳感器，但是(shi)不可控的(de)(de)(de)(de)耦合界面(mian)質量會(hui)在超聲(sheng)衰減(jian)(jian)測量中(zhong)(zhong)(zhong)引起(qi)很大的(de)(de)(de)(de)誤差(cha)，且超聲(sheng)聲(sheng)場(chang)特性(xing)與傳感器的(de)(de)(de)(de)形狀也有(you)(you)關系，因(yin)此(ci)，需要(yao)對(dui)基(ji)(ji)于(yu)埋入(ru)式壓(ya)電智(zhi)能(neng)骨(gu)料的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)下(xia)聲(sheng)波(bo)在混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)材(cai)(cai)(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)衰減(jian)(jian)規律(lv)做研究(jiu)。

  測試設(she)備：ATA-2041高壓放大(da)器(qi)、波形發(fa)生器(qi)、電(dian)荷放大(da)器(qi)、數據采集卡、筆(bi)記本電(dian)腦。

  實驗過程(cheng)：

  先(xian)制(zhi)作(zuo)一根(gen)混凝(ning)土梁(liang)試件，其(qi)尺(chi)寸為2000mm×250mm×250mm，同時為了承受(shou)移動時產生的(de)(de)荷(he)載及自身重力，設置(zhi)了縱向(xiang)鋼筋。壓(ya)電(dian)智(zhi)能骨料(liao)（SA）陣(zhen)列布置(zhi)在(zai)梁(liang)截面的(de)(de)中心(xin)位置(zhi)，與四(si)周的(de)(de)距離(li)均為125mm，并按順(shun)序(xu)從1到(dao)7進行編號(hao)。SA1與SA2是一對(dui)緊貼的(de)(de)傳(chuan)感裝(zhuang)置(zhi)，兩個(ge)傳(chuan)感器通過膠(jiao)粘(zhan)結在(zai)一起，主要作(zuo)為衰減信號(hao)的(de)(de)分析基準(zhun)。SA2~SA7方面的(de)(de)換能器的(de)(de)縱向(xiang)間距是400mm、400mm、400mm、200mm和200mm。試件的(de)(de)具體尺(chi)寸及傳(chuan)感器的(de)(de)位置(zhi)參(can)考(kao)圖(tu)如(ru)下圖(tu)。

圖：試件規格

  實驗(yan)所使(shi)用(yong)的(de)(de)超聲(sheng)脈沖(chong)中(zhong)心頻率(lv)f取(qu)為(wei)30kHz，50kHz，70kHz，90kHz，100kHz，110kHz，130kHz，170kHz，190kHz九個(ge)值。由于混凝土梁(liang)中(zhong)埋有6個(ge)接(jie)收傳(chuan)感(gan)器，而試(shi)驗(yan)使(shi)用(yong)的(de)(de)為(wei)窄(zhai)帶脈沖(chong)，因此，整(zheng)個(ge)試(shi)驗(yan)過程中(zhong)需要調整(zheng)9次不同的(de)(de)激勵頻率(lv)，每次激勵可以獲得不同距離處傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)6組(zu)數(shu)(shu)據(ju)。就不同的(de)(de)頻率(lv)點而言，激勵SA1，每次處理獲取(qu)8列(lie)(lie)數(shu)(shu)據(ju)信息。對于每一次采(cai)集(ji)(ji)的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)，共包括8列(lie)(lie)2×106行。第一列(lie)(lie)為(wei)時間序列(lie)(lie)，其他(ta)7列(lie)(lie)均為(wei)采(cai)集(ji)(ji)信號(hao)數(shu)(shu)據(ju)，其中(zhong)包括第一列(lie)(lie)的(de)(de)原(yuan)始激勵信號(hao)直接(jie)采(cai)集(ji)(ji)的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)，及其他(ta)6個(ge)通道經過混凝土內部(bu)的(de)(de)收發接(jie)收的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)。這(zhe)個(ge)數(shu)(shu)據(ju)量可以通過數(shu)(shu)據(ju)采(cai)集(ji)(ji)卡、Labview程序及Matlab進行快(kuai)速(su)采(cai)集(ji)(ji)和處理。

  以100kHz激勵頻率為例(li)詳細描述試(shi)驗的過(guo)程(cheng)。首先按照(zhao)下圖所(suo)示的線路連(lian)接(jie)好各個SA及其他儀器(qi)，其中，功率放(fang)大(da)(da)器(qi)與SA1進行連(lian)接(jie)，而SA2-SA7則連(lian)接(jie)到電荷放(fang)大(da)(da)器(qi)的不(bu)(bu)同通(tong)(tong)道(dao)，同時，電荷放(fang)大(da)(da)器(qi)不(bu)(bu)同輸(shu)出通(tong)(tong)道(dao)又分別連(lian)接(jie)數據采集卡的不(bu)(bu)同輸(shu)入通(tong)(tong)道(dao)中，各個通(tong)(tong)道(dao)數據分別獨(du)立。

圖(tu)：試(shi)驗系統圖(tu)

  調節任意(yi)波(bo)形發生(sheng)器按鈕(niu)，讀(du)(du)取高(gao)斯脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)，由于(yu)該任意(yi)波(bo)形發生(sheng)器沒有(you)內置的高(gao)斯脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)信號，所(suo)以需要通過Matlab函數進行編(bian)寫，并(bing)以tfw文件(jian)的格式(shi)輸(shu)(shu)入(ru)到任意(yi)波(bo)形發生(sheng)器中(zhong)。讀(du)(du)取寫入(ru)的高(gao)斯脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)信號，調整(zheng)波(bo)形頻(pin)率(lv)為100kHz，并(bing)以單脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)的形式(shi)輸(shu)(shu)出(chu)。調整(zheng)輸(shu)(shu)出(chu)電壓至最大值±5v。

  隨后調節(jie)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)(da)器，由于(yu)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)(da)器輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)和功(gong)率(lv)較大(da)(da)，若直接(jie)連(lian)接(jie)數(shu)據采(cai)集卡則容易造(zao)成(cheng)損壞，因(yin)此必須保證(zheng)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)(da)器的輸(shu)出(chu)(chu)端只與壓(ya)(ya)電(dian)智能(neng)骨(gu)料(liao)連(lian)接(jie)。首(shou)先調節(jie)電(dian)阻匹配，再對電(dian)壓(ya)(ya)增(zeng)益(yi)(yi)倍(bei)數(shu)進行調節(jie)，本研究將增(zeng)益(yi)(yi)倍(bei)數(shu)調至40倍(bei)，即輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)為±200v。

  檢查電荷放大器的端口連(lian)接，SA作(zuo)為電荷放大器的輸入端，輸出端則(ze)通過(guo)BNC線一一連(lian)接到數據采(cai)集卡上。電路觸發(fa)(fa)(fa)能(neng)更(geng)精確地控制信(xin)號發(fa)(fa)(fa)射的時機，有利于節省計(ji)算空間(jian)，因此需要在數據采(cai)集卡PFI0端子處(chu)引(yin)出一線與(yu)任意波(bo)形發(fa)(fa)(fa)生器連(lian)接，以便于通過(guo)Labview程序進行觸發(fa)(fa)(fa)控制。數據采(cai)集卡通過(guo)USB線與(yu)電腦連(lian)接，通過(guo)自編寫的Labview程序可實(shi)現信(xin)號的收發(fa)(fa)(fa)控制。

  以上連接配置(zhi)好后即可(ke)開始(shi)進行信(xin)(xin)號采(cai)集。通過Labview程(cheng)序控制信(xin)(xin)號的(de)觸發，任(ren)意波形發生器隨即發射100kHz的(de)高斯脈(mo)沖。將采(cai)樣(yang)率設置(zhi)到最(zui)大2M/s，采(cai)樣(yang)數設置(zhi)為1200，則每個通道可(ke)以獲得600μs時(shi)間長度的(de)信(xin)(xin)號。Labview程(cheng)序自(zi)動保存(cun)時(shi)間，單(dan)次(ci)采(cai)集即可(ke)獲得如下圖所(suo)示的(de)6通道數據(ju)。

圖：100kHz激(ji)勵信(xin)號下各個(ge)距離(li)位置處傳感器的接收信(xin)號

  實驗(yan)結果：

  制作了1個(ge)(ge)混凝土梁試件(jian)(jian)，在試件(jian)(jian)中(zhong)埋(mai)入了7個(ge)(ge)壓電傳感器。因為要(yao)研(yan)究不同距離(li)位置處(chu)的衰(shuai)(shuai)減系數(shu)(shu)及衰(shuai)(shuai)減率情況，傳感器的布置需要(yao)滿(man)足位置精確及方(fang)(fang)向性。采用(yong)的激(ji)勵方(fang)(fang)案為：通(tong)過(guo)SA1進(jin)行信號激(ji)勵，SA2-SA7進(jin)行接收(shou)，激(ji)勵頻(pin)率在30kHz-190kHz之(zhi)間選(xuan)取了9個(ge)(ge)頻(pin)率，使用(yong)的波(bo)形為高斯窄(zhai)帶脈沖(chong)。通(tong)過(guo)6個(ge)(ge)位置與9個(ge)(ge)頻(pin)率可(ke)得(de)到(dao)54個(ge)(ge)頻(pin)率-位置組合的數(shu)(shu)據，通(tong)過(guo)這些數(shu)(shu)據，可(ke)以得(de)到(dao)如(ru)下結論：

  （1）在(zai)(zai)(zai)30kHz至190kHz頻(pin)率(lv)區間中，整體(ti)衰減(jian)率(lv)和激(ji)勵頻(pin)率(lv)滿足二次(ci)多(duo)項式的(de)關系。同(tong)時在(zai)(zai)(zai)100kHz頻(pin)率(lv)位置(zhi)處存(cun)在(zai)(zai)(zai)局(ju)部衰減(jian)最小(xiao)值。衰減(jian)與頻(pin)率(lv)關系的(de)研(yan)究，對于監測頻(pin)率(lv)的(de)選取(qu)具有指導意義(yi)。信號的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)在(zai)(zai)(zai)100kHz附近達到(dao)最佳，這(zhe)為后續激(ji)勵頻(pin)率(lv)的(de)選取(qu)提供了(le)參考依據。

  （2）衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)系數隨著(zhu)距(ju)離的增大(da)而(er)增大(da)，衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)率(lv)隨著(zhu)距(ju)離的增大(da)而(er)減(jian)(jian)(jian)小。在某一距(ju)離位置處，總衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)率(lv)隨著(zhu)頻(pin)率(lv)的改變而(er)改變，總衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)率(lv)只與擴散衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)有(you)關，而(er)與材料(liao)衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)無關。

  （3）在(zai)30kHz至190kHz的頻率范圍內(nei)，波形(xing)的相關性系數呈現先增(zeng)大(da)后減小(xiao)的趨勢，在(zai)100kHz附近(jin)存在(zai)著局部相關系數的最(zui)(zui)大(da)值(zhi)，用100kHz的信(xin)號進行激勵(li)波形(xing)相關性最(zui)(zui)好。

  安泰ATA-2041高(gao)壓放大器：

圖：ATA-2041高(gao)壓放大器指標參數(shu)

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