實驗名稱:基于非線性超聲波法的混凝土碳化無損檢測技術(shù)研究
實驗?zāi)康模何恼绿岢霾崿F(xiàn)了一種用于混凝土無損檢測的非線性超聲技術(shù)。該方法的原理是利用PZT傳感器檢測脈沖傳播過程中的二次諧波。根據(jù)碳化過程中的混凝土密實度變化,引起超聲波穿透混凝土過程中非線性超聲波參數(shù)改變的特性。通過FFT變換獲得二次諧波非線性參數(shù),評估混凝土碳化狀況。實驗結(jié)果表明,在混凝土碳化過程中,所測得的非線性參數(shù)變化明顯。因此,基于非線性超聲波特性的檢測技術(shù),檢測混凝土碳化是可行的。
測試設(shè)備:電壓放大器、數(shù)字示波器等。
實驗過程:
根據(jù)配合比澆筑100mm×100mm×100mm的立方體試樣,用于對比超聲波入射頻率對非線性參數(shù)的影響。將試樣養(yǎng)護28d后,進行快速碳化實驗。利用任意波形發(fā)生器激發(fā)3個周期長的脈沖波電信號并輸出至電壓功率放大器中,由功率放大器將該電信號峰值電壓放大為56V。放大后的電信號激勵介質(zhì)(試樣)發(fā)射端的PZT壓電瓷片,使PZT壓電瓷片經(jīng)“逆壓電效應(yīng)”后發(fā)出超聲波。試樣封裝示意圖如圖1所示。

圖1:混凝土試樣封裝示意圖
介質(zhì)(試樣)接收端的PZT壓電瓷片接收超聲波信號,經(jīng)PZT壓電瓷片的“直接壓電效應(yīng)”后,機械超聲波信號變?yōu)殡娦盘?,放?6db并傳入數(shù)字示波器中。對于3個試樣分別采用入射頻率為50kHz、75kHz、100kHz,幅值為10Vpp的3個周期長的脈沖信號,在平均模式下進行256平均采集,數(shù)據(jù)結(jié)果取平均值。將數(shù)據(jù)錄入計算機并通過FFT轉(zhuǎn)換成頻域圖,獲得基波(A1)和二次諧波(A2)的幅值,計算得到相對非線性參數(shù)βr,探究非線性參數(shù)隨著碳化時間的變化規(guī)律。
實驗結(jié)果:
圖2顯示了非線性參數(shù)的變化情況。隨著碳化天數(shù)的不斷增加,首波幅值A(chǔ)1也在不斷增加,二次諧波幅值A(chǔ)2在不斷減小,所得的非線性參數(shù)相應(yīng)的也在不斷減小。當(dāng)脈沖超聲波的非線性參數(shù)的入射頻率為75kHz時,其非線性參數(shù)值高于入射頻率為50kHz與100kHz時。但入射頻率為75kHz前后非線性參數(shù)的變化程度相對于入射頻率為50kHz與100kHz的非線性參數(shù)要小。這可能是由于入射頻率為50kHz,超聲波產(chǎn)生了嚴(yán)重的散射與衰減;當(dāng)超聲波入射頻率為100kHz時,超聲波衰減太快,二次諧波幅值迅速下降。

圖2:試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時間變化的非線性參數(shù)值
圖3顯示了使用50kHz、75kHz、100kHz為入射頻率的脈沖超聲波在碳化進程中的非線性參數(shù)的變化程度。入射頻率為50kHz時,非線性參數(shù)的最大變化為89.4%;入射頻率為75kHz時,非線性參數(shù)的最大變化為67.1%;入射頻率為100kHz時,非線性參數(shù)的最大變化為95.2%。超聲波入射頻率為50kHz與100kHz時的非線性參數(shù)敏感程度高于入射頻率為75kHz時。

圖3:試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時間改變的非線性參數(shù)前后變化
由于入射頻率為75kHz時的非線性參數(shù)值最大,非線性參數(shù)衰減相對于入射頻率為50kHz與100kHz時要小,可以選擇入射頻率75kHz為基頻測量非線性超聲波參數(shù)。結(jié)果表明,在混凝土碳化過程中,所測得的非線性參數(shù)變化明顯。因此,基于非線性超聲波特性的檢測技術(shù),檢測混凝土碳化是可行的。
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圖:ATA-2048高壓放大器指標(biāo)參數(shù)
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