實驗名稱：基(ji)于(yu)壓電(dian)波動法的裝配(pei)式橋梁灌漿套筒缺陷檢(jian)測實(shi)驗

　　研究方向：土木工(gong)程/結(jie)構健康監測(ce)、裝配式橋梁灌漿套筒施工(gong)質量的(de)無損(sun)檢(jian)測(ce)技(ji)術、壓電陶瓷傳感器在混凝(ning)土結(jie)構無損(sun)檢(jian)測(ce)中的(de)應用、壓電波動法與(yu)小波包(bao)能量分析。

　　實驗目的：設計了無(wu)灌(guan)漿(jiang)質(zhi)量缺陷的標準試(shi)驗組和有不同(tong)缺陷的灌(guan)漿(jiang)套(tao)筒，在(zai)灌(guan)漿(jiang)套(tao)筒內布置壓(ya)電陶瓷驅動器(qi)(qi)與傳感器(qi)(qi)。將信(xin)號(hao)發(fa)生器(qi)(qi)產生的信(xin)號(hao)通(tong)過功(gong)率放(fang)大器(qi)(qi)放(fang)大100倍(bei)之后作用在(zai)壓(ya)電陶瓷驅動器(qi)(qi)上，轉(zhuan)換后的應力波經灌(guan)漿(jiang)料與鋼筋(jin)傳播后被傳感器(qi)(qi)壓(ya)電陶瓷接(jie)收，并最終由示(shi)波器(qi)(qi)接(jie)收并顯示(shi)。通(tong)過對(dui)健(jian)康試(shi)件(jian)與缺陷試(shi)件(jian)的信(xin)號(hao)峰峰值以及(ji)小波包能量進(jin)行對(dui)比可得出灌(guan)漿(jiang)套(tao)筒的缺陷程度(du)。

　　測試設備：壓(ya)電(dian)陶瓷片(pian)（PZT5A，直徑5mm，厚度(du)2mm，驅動器(qi)與傳感器(qi)，實現(xian)電(dian)-機械信號轉換）、灌漿套(tao)筒試(shi)件(jian)（GTJB4-20半灌漿套(tao)筒，模擬(ni)實際工程(cheng)中的缺陷場景）、灌漿料強度(du)（60Mpa，試(shi)件(jian)填充材(cai)料）、信號發生(sheng)器(qi)（產生(sheng)40kHz正弦激勵信號）、高壓(ya)放大器(qi)（放大倍數(shu)100倍，將信號電(dian)壓(ya)放大至(zhi)500V）、示(shi)波器(qi)（采集并顯示(shi)接收信號，采樣時間240μs）等。

圖：實驗框圖

　　實驗過程：

　　1.試件制備

　　（1）制作健康試(shi)件(jian)（H1-H3）及4類缺陷試(shi)件(jian)（密(mi)實度、空氣腔、水料比(bi)、錨固缺陷），具體參數（見(jian)表1）。

  

　　（2）壓電陶瓷布置（見(jian)圖(tu)2）試驗(yan)現場照片：

　　驅(qu)動器：粘貼于錨固段(duan)鋼筋頂(ding)端光(guang)滑斷面中心點。

　　傳感器：埋(mai)入(ru)套筒進漿口以下1mm處的灌漿料中(zhong)，用環(huan)氧樹脂制作0.1mm厚防水(shui)層，并用鋼絲固定(ding)，測試絕緣性（電阻無窮大）。

　　2.灌漿與養護

　　（1）采用電(dian)動注漿(jiang)(jiang)機從(cong)進漿(jiang)(jiang)口注漿(jiang)(jiang),出漿(jiang)(jiang)口出漿(jiang)(jiang)后(hou)封(feng)堵,持續注漿(jiang)(jiang)至砂(sha)漿(jiang)(jiang)體積不再減(jian)少,封(feng)堵注漿(jiang)(jiang)口。

　　（2）標準條件下養護28天。

　　3.信號采集

　　（1）通過信號發(fa)生器產生40kHz正弦波，經放大器放大后(hou)驅動壓(ya)電(dian)陶瓷。

　　（2）傳(chuan)感器(qi)接收應力波(bo)信號，示波(bo)器(qi)記錄時域數據。

　　4.信號處理

　　（1）時域分析：對比(bi)健康與缺(que)陷(xian)試(shi)件的峰峰值（見圖3、圖4）。

　　圖3：不(bu)同試件(jian)的時域(yu)信號

　　圖4：各試件峰(feng)峰(feng)值(zhi)

　　（2）小波包能量(liang)分析：采(cai)用Python進行3層分解，計(ji)算總(zong)能量(liang)（圖5）。

　　圖(tu)5：不同缺陷試件小波(bo)包總(zong)能(neng)量(liang)

　　實驗結果：使用壓(ya)電(dian)陶瓷在(zai)灌漿(jiang)套筒(tong)內(nei)部進行(xing)檢測能夠(gou)對存(cun)在(zai)不(bu)同(tong)程度缺陷的灌漿(jiang)套筒(tong)進行(xing)有效識別，且(qie)信號的峰(feng)峰(feng)值能夠(gou)初步判斷該灌漿(jiang)套筒(tong)內(nei)部是否存(cun)在(zai)缺陷

　　1.時域信號：

　　缺陷(xian)試件(jian)峰(feng)峰(feng)值顯(xian)著(zhu)高于健康(kang)試件(jian)（如M68試件(jian)峰(feng)峰(feng)值為健康(kang)試件(jian)的2.3倍）。

　　缺陷體積占比越大，信號幅(fu)值越高(gao)（密實度缺陷10%時(shi)增(zeng)幅(fu)達(da)1.9倍）。

　　2.小波包(bao)能量：

　　空氣腔缺陷（M68）能量為健康試件的3.3倍(bei)，密(mi)實度缺陷（D30）為1.9倍(bei)。

　　能量變(bian)化與缺(que)陷程度呈正相關(guan)（見(jian)圖5）。

　　3.缺陷評價指(zhi)標（DI）

　　提(ti)出(chu)基于小波包能量(liang)的定量(liang)指標（式1），建議DI≥0.10為缺陷(xian)臨界值（見表2）。

　　式1

　　表2：各試件的DI值

　　放(fang)大(da)器(qi)在該(gai)實驗中發揮的(de)(de)(de)效能：在該(gai)實驗中放(fang)大(da)器(qi)將信(xin)(xin)號(hao)發生(sheng)器(qi)輸出的(de)(de)(de)低(di)電壓信(xin)(xin)號(hao)放(fang)大(da)至(zhi)500V高壓，確保(bao)壓電陶瓷驅(qu)動器(qi)產(chan)生(sheng)足夠(gou)強度的(de)(de)(de)應力(li)波。且(qie)放(fang)大(da)器(qi)的(de)(de)(de)高增益（100倍）保(bao)障信(xin)(xin)號(hao)穿透灌漿料介質。低(di)噪(zao)聲避免信(xin)(xin)號(hao)失真，提升缺陷檢測靈敏(min)度。

　　安泰(tai)ATA-2161高壓(ya)放大(da)器：

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

　　本文實驗素材(cai)由(you)西(xi)安(an)安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)整理(li)發(fa)布。Aigtek已(yi)(yi)經(jing)成為(wei)在業(ye)界擁(yong)有(you)廣泛(fan)產(chan)品線(xian)，且具有(you)相當(dang)規模的儀器(qi)設備供(gong)應商，樣(yang)機(ji)都支(zhi)持免費試用。西(xi)安(an)安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)是(shi)專(zhuan)業(ye)從(cong)事功率(lv)(lv)放大器(qi)、高壓放大器(qi)、功率(lv)(lv)信號(hao)(hao)源(yuan)(yuan)、前置微小信號(hao)(hao)放大器(qi)、高精度(du)(du)電(dian)壓源(yuan)(yuan)、高精度(du)(du)電(dian)流源(yuan)(yuan)等(deng)電(dian)子(zi)測(ce)量儀器(qi)研(yan)發(fa)、生(sheng)產(chan)和銷售(shou)的高科技企業(ye)。公(gong)司致力(li)(li)于功率(lv)(lv)放大器(qi)、功率(lv)(lv)信號(hao)(hao)源(yuan)(yuan)、計量校準(zhun)源(yuan)(yuan)等(deng)產(chan)品為(wei)核(he)心的相關行(xing)業(ye)測(ce)試解(jie)決(jue)方案的研(yan)究(jiu)，為(wei)用戶提供(gong)具有(you)競爭(zheng)力(li)(li)的測(ce)試方案，Aigtek已(yi)(yi)經(jing)成為(wei)在業(ye)界擁(yong)有(you)廣泛(fan)產(chan)品線(xian)，且具有(you)相當(dang)規模的儀器(qi)設備供(gong)應商，樣(yang)機(ji)都支(zhi)持免費試用。如想了(le)解(jie)更(geng)多功率(lv)(lv)放大器(qi)等(deng)產(chan)品，請持續關注安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)官網hkdyw.cn或(huo)撥打029-88865020。