射頻功率放大器基于縱向?qū)Рǖ臈U狀構(gòu)件腐蝕診斷方法的研究

實(shí)驗(yàn)名稱：基于縱向?qū)Рǖ臈U狀構(gòu)件腐蝕診斷方法

研究方向：無(wú)損探傷

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)號(hào)發(fā)生器、安泰ATA-8202功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡、直流電源、超聲探頭、鋼桿、前置放大器。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖3.2所示。監(jiān)測(cè)對(duì)象為加速腐蝕試驗(yàn)條件下的鋼桿，總長(zhǎng)約為103cm，其中腐蝕段長(zhǎng)度為94cm。電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)中，電解質(zhì)采用3.5%氯化鈉溶液，利用外接直流電源為腐蝕系統(tǒng)提供恒定電流(350mA)，將鋼筋與電源正極相連作為腐蝕原電池陽(yáng)極，四片等間隔放置的不銹鋼板與電源負(fù)極相連作為腐蝕原電池陰極。NI數(shù)據(jù)采集套件包含機(jī)箱、任意波形發(fā)生器及最大采樣頻率為60MS/s的8通道數(shù)字信號(hào)采集板卡，利用Lbview軟件實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制。采用Pitch-catch測(cè)量方式，傳感器使用頻響范圍在0.1MHz~1.5MHz的聲發(fā)射探頭用于激勵(lì)和接收純凈的縱向模態(tài)導(dǎo)波信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)采用射頻功率放大器(ATA-8202)放大，接收信號(hào)采用前置放大器放大。利用設(shè)計(jì)的夾具將探頭固定于待測(cè)鋼桿兩端，機(jī)油作為界面耦合劑以增加振動(dòng)能量的傳遞效率。執(zhí)行導(dǎo)波監(jiān)測(cè)時(shí)，利用塑鋼器皿上的水龍頭釋放電解液，使腐蝕段鋼桿完全置于空氣中。同時(shí)，監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)保留鋼桿表面隨試驗(yàn)進(jìn)程不斷積累的腐蝕產(chǎn)物以模擬構(gòu)件的真實(shí)腐蝕狀態(tài)。

激勵(lì)信號(hào)采用中心頻率為376kHz的4周期Hanning窗調(diào)制信號(hào)，小波基函數(shù)的相關(guān)參數(shù)經(jīng)調(diào)試后設(shè)定為F=5、F=6針對(duì)(D-7mm)的歸一化接收信號(hào)及其時(shí)頻分析結(jié)果如圖3.3所示，接收信號(hào)的頻散現(xiàn)象非常明顯且與L（0，1）模態(tài)的理論頻散曲線吻合良好。在L（0，1）模態(tài)之后還存著在頻率為376kHz，持續(xù)至780us的振動(dòng)這很可能是由于探頭的電磁震蕩所致。將小波系數(shù)最大值(小波基函數(shù)與接收信號(hào)的相關(guān)性最大值)所對(duì)應(yīng)的P點(diǎn)坐標(biāo)代入式后可求得鋼直的估計(jì)值為6.9943mm即估計(jì)值與理論結(jié)果高度一致。

圖：導(dǎo)波接收信號(hào)

圖3.8例舉了腐蝕試驗(yàn)前期失重率分別為0%，1.63%，2.89%及4.13%時(shí)導(dǎo)波接收信號(hào)及其局部的時(shí)頻分析結(jié)果。

圖：不同腐蝕狀態(tài)下導(dǎo)波接收信號(hào)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

基于GUM的鋼桿剩余直徑量隨腐蝕進(jìn)程的區(qū)間估計(jì)結(jié)果如圖3.9所示。當(dāng)腐蝕失重率在12%以內(nèi)時(shí)，直徑估計(jì)量與真實(shí)結(jié)果一致性較好，通過小波時(shí)頻分析所引入的不確定性可以很好地覆蓋并合理地解釋估計(jì)值與真實(shí)值的偏差。然而隨著腐蝕發(fā)展，剩余直徑量有被逐漸高估的趨勢(shì)，特別是在腐蝕失重率達(dá)到約13%后，區(qū)間估計(jì)結(jié)果無(wú)法覆蓋真實(shí)值，基于導(dǎo)波技術(shù)的剩余直徑評(píng)估已不可靠，評(píng)估結(jié)果可視為“異常值”。異常值的出現(xiàn)可能是由于腐蝕后期測(cè)量系統(tǒng)的改變而引入了新的不確定性，特別是鋼桿表面附著的腐蝕產(chǎn)物會(huì)改變導(dǎo)波的傳播特性。不斷累積并密實(shí)的腐蝕產(chǎn)物其聲阻抗增加114.這將導(dǎo)致更多的導(dǎo)波能量泄露至包裹于鋼桿基體表面的腐蝕產(chǎn)物層中，從而將單層柱狀波導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層柱狀波導(dǎo)，導(dǎo)波的頻散特性也會(huì)隨之改變。在腐蝕產(chǎn)物層中傳播的部分波波速較小，進(jìn)一步疊加后所形成的雙層柱狀波導(dǎo)中的導(dǎo)波波速將小于對(duì)應(yīng)的單層柱狀波導(dǎo)中的波速。此外，時(shí)頻分析中最佳的小波相關(guān)參數(shù)是基于鋼桿原始狀態(tài)下的直徑測(cè)量結(jié)果設(shè)置的，隨著鋼桿腐蝕加劇，接收信號(hào)較原始狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較大形變，這很有可能影響小波時(shí)頻分析的結(jié)果，繼而使剩余直徑估計(jì)值產(chǎn)生偏差。

測(cè)量過程中的不確定性降低了腐蝕評(píng)估的精度，甚至可能產(chǎn)生較大的偏差，從而在很大程度上低估了腐蝕評(píng)價(jià)中的風(fēng)險(xiǎn)。特別是對(duì)于均勻腐蝕量的評(píng)估問題，較小的腐蝕失重率很可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件剩余性能的大幅度下降。當(dāng)間接地利用均勻腐蝕量預(yù)測(cè)構(gòu)件的剩余性能時(shí)，微小的誤差會(huì)被放大。下文將進(jìn)一步通過時(shí)間序列分析方法來(lái)處理導(dǎo)波監(jiān)測(cè)結(jié)果，以便獲得更加精確、可靠的鋼桿剩余直徑估計(jì)值。

圖：基于導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)的剩余直徑區(qū)間估計(jì)結(jié)果

ATA-8202射頻功率放大器在本實(shí)驗(yàn)中的作用：提供一個(gè)可控電壓源，來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲探頭，以達(dá)到無(wú)損探傷的目的。

安泰ATA-8202射頻功率放大器（工作頻率100kHz~20MHz，額定輸出功率100W）：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

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