實驗名稱：混凝(ning)土中超聲衰減(jian)試驗(yan)研究

　　研究方向：無損檢測

　　測試目的：

　　要(yao)利用(yong)壓(ya)電智(zhi)能骨(gu)(gu)料(liao)(liao)(liao)對(dui)混凝(ning)土材(cai)料(liao)(liao)(liao)進(jin)行健康監測，首(shou)先要(yao)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)基于(yu)埋入式壓(ya)電智(zhi)能骨(gu)(gu)料(liao)(liao)(liao)下(xia)聲(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)(zai)混凝(ning)土中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)規律。由于(yu)混凝(ning)土材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)組分較為復(fu)(fu)雜，包括(kuo)水泥(ni)、細骨(gu)(gu)料(liao)(liao)(liao)和粗骨(gu)(gu)料(liao)(liao)(liao)，因此應(ying)(ying)力波(bo)在(zai)(zai)其中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)具有衰(shuai)(shuai)減(jian)大(da)(da)、傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)方(fang)向(xiang)性(xing)差(cha)、傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)路徑復(fu)(fu)雜的(de)(de)(de)特點，在(zai)(zai)混凝(ning)土材(cai)料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)應(ying)(ying)用(yong)聲(sheng)(sheng)波(bo)進(jin)行健康監測要(yao)比金屬等均質材(cai)料(liao)(liao)(liao)復(fu)(fu)雜得多(duo)，所(suo)以需(xu)要(yao)對(dui)應(ying)(ying)力波(bo)在(zai)(zai)混凝(ning)土中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)規律作研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。目前對(dui)于(yu)超聲(sheng)(sheng)衰(shuai)(shuai)減(jian)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)大(da)(da)多(duo)基于(yu)外貼式傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，但是不可(ke)控的(de)(de)(de)耦(ou)合界面質量(liang)會在(zai)(zai)超聲(sheng)(sheng)衰(shuai)(shuai)減(jian)測量(liang)中(zhong)(zhong)引(yin)起很(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)誤(wu)差(cha)，且超聲(sheng)(sheng)聲(sheng)(sheng)場特性(xing)與傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)形(xing)狀也(ye)有關系，因此，需(xu)要(yao)對(dui)基于(yu)埋入式壓(ya)電智(zhi)能骨(gu)(gu)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)下(xia)聲(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)(zai)混凝(ning)土材(cai)料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)衰(shuai)(shuai)減(jian)規律做研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。

　　測試設備：ATA-2041高壓放大器、波形發生器、電荷放大器、數據采集卡、筆記本電腦。

　　實(shi)驗過程：

　　先(xian)制作(zuo)一(yi)根混凝土梁試件，其(qi)尺寸為2000mm×250mm×250mm，同時為了承受移動時產生的荷載及自身重力，設置了縱向鋼筋。壓電智能骨料（SA）陣列布置在梁截面的中心位置，與四周的距離均為125mm，并按順序從1到7進行編號。SA1與SA2是一對緊貼的傳感裝置，兩個傳感器通過膠粘結在一起，主要作為衰減信號的分析基準。SA2~SA7方面的換能器的縱向間距是400mm、400mm、400mm、200mm和200mm。試件的具體尺寸及傳感器的位置參考圖如下圖。

圖：試(shi)件規格

　　實(shi)驗所使用(yong)的超(chao)聲脈(mo)沖中(zhong)心(xin)頻率f取為30kHz，50kHz，70kHz，90kHz，100kHz，110kHz，130kHz，170kHz，190kHz九個值。由于混凝土梁中埋有6個接收傳感器，而試驗使用的為窄帶脈沖，因此，整個試驗過程中需要調整9次不同的激勵頻率，每次激勵可以獲得不同距離處傳感器的6組數據。就不同的頻率點而言，激勵SA1，每次處理獲取8列數據信息。對于每一次采集的數據，共包括8列2×106行。第一列為時間序列，其他7列均為采集信號數據，其中包括第一列的原始激勵信號直接采集的數據，及其他6個通道經過混凝土內部的收發接收的數據。這個數據量可以通過數據采集卡、Labview程序及Matlab進行快速采集和處理。

　　以100kHz激勵頻率為例詳細描述試驗的過程。首先按照下圖所示的線路連接好各個SA及其他儀器，其中，功率放大器與SA1進行連接，而SA2-SA7則連接到電荷放大器的不同通道，同時，電荷放大器不同輸出通道又分別連接數據采集卡的不同輸入通道中，各個通道數據分別獨立。

圖(tu)：試驗(yan)系統圖(tu)

　　調節任意(yi)波形發生器(qi)按鈕，讀(du)取高斯(si)脈沖(chong)，由于該任意(yi)波形發生器(qi)沒有內置的高斯(si)脈沖(chong)信號(hao)，所以需要通過Matlab函數進行編寫，并以tfw文件的格式輸入到任意波形發生器中。讀取寫入的高斯脈沖信號，調整波形頻率為100kHz，并以單脈沖的形式輸出。調整輸出電壓至最大值±5v。

　　隨后調節功(gong)(gong)(gong)率(lv)放大器(qi)，由于功(gong)(gong)(gong)率(lv)放大器(qi)輸出電壓和功(gong)(gong)(gong)率(lv)較(jiao)大，若直接(jie)連接(jie)數據采集卡則容易(yi)造成損壞，因此(ci)必須保證功(gong)(gong)(gong)率(lv)放大器(qi)的輸出端只與壓電智能(neng)骨料連接(jie)。首先(xian)調節電阻匹配，再對電壓增益倍數進行調節，本研究(jiu)將增益倍數調至40倍，即輸出電壓為±200v。

　　檢查電荷(he)放大器(qi)的(de)端口(kou)連接，SA作為電荷放大器的輸入端，輸出端則通過BNC線一一連接到數據采集卡上。電路觸發能更精確地控制信號發射的時機，有利于節省計算空間，因此需要在數據采集卡PFI0端子處引出一線與任意波形發生器連接，以便于通過Labview程序進行觸發控制。數據采集卡通過USB線與電腦連接，通過自編寫的Labview程序可實現信號的收發控制。

　　以上連(lian)接(jie)配置好(hao)后(hou)即可開(kai)始進(jin)行(xing)信(xin)號(hao)采集。通過Labview程序控制信號的觸發，任意波形發生器隨即發射100kHz的高斯脈沖。將采樣率設置到最大2M/s，采樣數設置為1200，則每個通道可以獲得600μs時間長度的信號。Labview程序自動保存時間，單次采集即可獲得如下圖所示的6通道數據。

圖：100kHz激勵信號下各個距離位置處傳感器的接收信號

　　實驗結果(guo)：

　　制作了1個混凝土梁試件，在試件中埋入了7個壓電傳感器。因為要研究不同距離位置處的衰減系數及衰減率情況，傳感器的布置需要滿足位置精確及方向性。采用的激勵方案為：通過SA1進行信號激勵，SA2-SA7進行接收，激勵頻率在30kHz-190kHz之間選取了9個頻率，使用的波形為高斯窄帶脈沖。通過6個位置與9個頻率可得到54個頻率-位置組合的數據，通過這些數據，可以得到如下結論：

　　（1）在30kHz至190kHz頻率區間中，整體衰減率和激勵頻率滿足二次多項式的關系。同時在100kHz頻率位置處存在局部衰減最小值。衰減與頻率關系的研究，對于監測頻率的選取具有指導意義。信號的分辨率在100kHz附近達到最佳，這為后續激勵頻率的選取提供了參考依據。

　　（2）衰減系數隨著距離的增大而增大，衰減率隨著距離的增大而減小。在某一距離位置處，總衰減率隨著頻率的改變而改變，總衰減率只與擴散衰減有關，而與材料衰減無關。

　　（3）在30kHz至190kHz的頻率范圍內，波形的相關性系數呈現先增大后減小的趨勢，在100kHz附近存在著局部相關系數的最大值，用100kHz的信號進行激勵波形相關性最好。

　　安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數

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　　本文實驗案例參考自知(zhi)網(wang)論(lun)文《抗(kang)干擾PZT主動傳感監測系統設計與基于HHT譜的混凝土健康監測分析》