實驗名稱：鋼軌接頭缺陷的非線性超聲檢測

　　實驗原理：本實驗通過(guo)(guo)對(dui)(dui)(dui)螺孔裂紋(wen)進行檢(jian)測，利用了(le)非線(xian)性系統對(dui)(dui)(dui)于初始條(tiao)件的(de)(de)敏感(gan)性，當材料、或(huo)結構有很小的(de)(de)改變時(shi)(shi)，也可以通過(guo)(guo)非線(xian)性超(chao)聲指標進行識別(bie)，大(da)大(da)提高了(le)對(dui)(dui)(dui)于微小缺陷的(de)(de)識別(bie)精度。本實驗將(jiang)采用PZT材料作(zuo)為(wei)信(xin)號(hao)的(de)(de)激勵(li)(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)器和接收(shou)傳(chuan)(chuan)感(gan)器，激勵(li)(li)信(xin)號(hao)經功(gong)率放大(da)器放大(da)后(hou)，驅動壓(ya)電片(pian)(pian)(pian)在鋼(gang)軌(gui)中(zhong)產生超(chao)聲波，同(tong)(tong)時(shi)(shi)在激發壓(ya)電片(pian)(pian)(pian)附近粘(zhan)貼獨立的(de)(de)壓(ya)電片(pian)(pian)(pian)作(zuo)為(wei)接收(shou)傳(chuan)(chuan)感(gan)器。其(qi)中(zhong)，PZT-2為(wei)激勵(li)(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)器，PZT-1和PZT-3為(wei)接收(shou)傳(chuan)(chuan)感(gan)器，分別(bie)接收(shou)水平方(fang)向和豎直(zhi)方(fang)向的(de)(de)諧振信(xin)號(hao)，以便(bian)更好(hao)觀察響應信(xin)號(hao)不同(tong)(tong)位面的(de)(de)區別(bie)三個(ge)壓(ya)電片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)參數。

　　測試設備：信號(hao)發生器、ATA-8202射頻(pin)功率放大器、PZT、試(shi)件等(deng)。

　　圖(tu)一：實驗系(xi)統原理圖(tu)

圖二：鋼軌試件

　　實驗過程：首先(xian)(xian)需檢(jian)測在(zai)無激勵信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)輸(shu)入(ru)時，示波(bo)器(qi)上的(de)時域(yu)響應，這是(shi)因為(wei)實驗中(zhong)不(bu)可避免會出現噪(zao)聲，需提(ti)前(qian)對(dui)噪(zao)聲的(de)大(da)小及影響程度有一個大(da)致(zhi)的(de)估量。先(xian)(xian)將(jiang)生成的(de)正弦調制(zhi)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)放(fang)大(da)器(qi)，調整輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)長(chang)度，因為(wei)要(yao)保證(zheng)輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)不(bu)要(yao)和(he)響應信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)混(hun)雜(za)在(zai)一起，需盡可能的(de)擴大(da)輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)零輸(shu)入(ru)的(de)長(chang)度，在(zai)此，調制(zhi)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)輸(shu)入(ru)長(chang)度設(she)置為(wei)兩千，總輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)設(she)置為(wei)一萬。需要(yao)注意的(de)是(shi)，當變換輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)后，需徹底刪(shan)除前(qian)一次輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)殘留(liu)，否則新(xin)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)會是(shi)前(qian)后兩次輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)混(hun)疊或(huo)交雜(za)。信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)發生器(qi)的(de)額定電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)10V，壓(ya)電(dian)(dian)材料如果利用其產生電(dian)(dian)壓(ya)，則必須(xu)使通過(guo)電(dian)(dian)壓(ya)差不(bu)多為(wei)兩百伏，很明顯單憑信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)發生器(qi)不(bu)能直接(jie)使用，所以需要(yao)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)通過(guo)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)放(fang)大(da)。信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)通過(guo)放(fang)大(da)后，在(zai)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)上方輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao),在(zai)激勵壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)旁設(she)置接(jie)收壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)來接(jie)收響應信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao),并(bing)接(jie)入(ru)示波(bo)器(qi)。再從示波(bo)器(qi)中(zhong)提(ti)取(qu)響應信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)并(bing)處理，得到時域(yu)、頻域(yu)圖，最后借(jie)此提(ti)取(qu)對(dui)損傷敏感的(de)非線性(xing)參數。

圖三：無裂紋時域信(xin)號(hao)對比(bi)

圖四：有無裂(lie)紋頻域信號對比

　　本實(shi)驗(yan)選用周期數(shu)為(wei)(wei)10，頻率為(wei)(wei)0.5MHz的(de)(de)激勵信(xin)(xin)號。圖(tu)(tu)三a為(wei)(wei)完好(hao)鋼(gang)軌所(suo)接收到(dao)的(de)(de)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)號，圖(tu)(tu)三b為(wei)(wei)螺孔(kong)孔(kong)邊預(yu)制(zhi)1mm紋(wen)后(hou)的(de)(de)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)號。可(ke)(ke)以看出，與無裂紋(wen)的(de)(de)相比(bi)，信(xin)(xin)號變(bian)化(hua)雖有不同(tong)，但難以直接從時(shi)域(yu)信(xin)(xin)號分析出缺(que)陷信(xin)(xin)息(xi)。圖(tu)(tu)四是響應信(xin)(xin)號經傅(fu)里葉變(bian)換、再取對數(shu)后(hou)得(de)(de)到(dao)的(de)(de)頻譜圖(tu)(tu)。可(ke)(ke)以發(fa)(fa)現(xian)缺(que)陷使波形發(fa)(fa)生(sheng)了畸變(bian)，輸出信(xin)(xin)號中二次諧波成(cheng)分變(bian)得(de)(de)更加明顯。

　　實驗結果：在對(dui)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)進行(xing)平(ping)滑(hua)(hua)分析中(zhong)，所取(qu)點數是(shi)一個關鍵(jian)指標，當點數太少時(shi)(shi)，起不(bu)到平(ping)滑(hua)(hua)的(de)效(xiao)果(guo)，但(dan)(dan)點數太多，可(ke)能讓頻(pin)幅曲線(xian)(xian)失(shi)去局部特征。圖(tu)五給出(chu)了含1mm孔邊裂紋鋼軌試樣的(de)原始(shi)頻(pin)幅曲線(xian)(xian)和5、15、25、50點平(ping)滑(hua)(hua)的(de)結(jie)果(guo)對(dui)比(bi)圖(tu)，從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)，5點平(ping)滑(hua)(hua)結(jie)果(guo)與(yu)原始(shi)頻(pin)幅曲線(xian)(xian)并無明(ming)顯(xian)差異，當平(ping)滑(hua)(hua)點數逐漸增加(jia)時(shi)(shi)，噪(zao)(zao)聲影響降低(di)，可(ke)以看出(chu)，50點平(ping)滑(hua)(hua)時(shi)(shi)有較好的(de)降噪(zao)(zao)效(xiao)果(guo)，但(dan)(dan)同時(shi)(shi)也保留了二次諧波的(de)局部特征。因此，我(wo)們(men)對(dui)所有工況(kuang)，都進行(xing)50點平(ping)滑(hua)(hua)，再(zai)進行(xing)非線(xian)(xian)性(xing)參數提取(qu)。

圖五：經(jing)不同點數平滑(hua)處理的(de)頻譜結果(guo)

圖六(liu)：線(xian)性參數β隨損傷程(cheng)度的變化關系

　　這里(li)a,b分別為圖(tu)五中所示(shi)基波(bo)和(he)二次(ci)諧波(bo)頻幅峰值的(de)對數(shu)結果。求解各工況的(de)β，并(bing)將其繪制在(zai)圖(tu)六(liu)中。可見(jian)非線(xian)性(xing)(xing)參數(shu)β，隨螺(luo)孔裂紋長度的(de)增(zeng)加(jia)近似(si)呈線(xian)性(xing)(xing)關系，這表明(ming)所定義(yi)的(de)非線(xian)性(xing)(xing)參數(shu)β可以作為表征鋼軌螺(luo)孔裂紋損傷(shang)程度的(de)指標，也為裂紋大小評估(gu)提供了依(yi)據。

　　本文實驗素材由(you)西安安泰電子整理發(fa)布，如想了(le)解更多(duo)實驗方案(an)，請(qing)持(chi)續關(guan)注安泰官網hkdyw.cn。Aigtek是國內專業從事測量儀器研發(fa)、生產(chan)和銷售的(de)高(gao)科(ke)技企業，一直專注于高(gao)壓放(fang)大(da)器、電壓放(fang)大(da)器、功率放(fang)大(da)模塊、高(gao)精度電流源等測試儀器產(chan)品的(de)研發(fa)與(yu)制造。