實驗名稱：超聲導波針對均勻腐蝕的無基準評定方法

研究方向：超聲導波加速腐蝕

測試目的：

超聲導波作為一種精準、高效的無損檢測技術已被諸多學者運用于土木工程構件的腐蝕監測中。目前采用具有不同能量密度分布特征的導波進行鋼筋混凝土構件剝離和坑蝕兩種損傷模式的定性識別；將分形理論運用于腐蝕監測；運用缺陷回波的幅值信息對鋼絞線外圍鋼絲及中心鋼絲的缺陷深度進行識別；論證了纜索中鋼絲間的接觸會導致模態轉換現象，并可將彎曲模態譜幅的變化作為評估損傷的指標。然而，考慮到長期的腐蝕監測過程中，換能器與構件界面的耦合性能將不可避免地發生改變，上述基于導波幅值信息測試結果尚缺乏可靠性，故研究人員嘗試運用無基準的檢測方法評估構件的性能。利用時間翻轉法重構激勵信號，通過一個用于刻畫原始激勵信號與重構信號畸變程度的指標來反映構件損傷的程度；利用波達時間的改變量識別混凝土梁的剝離程度。近年來，基于模型的損傷識別方法被運用于導波監測中，其突出的優點是可以準確地定量識別損傷。然而，腐蝕缺陷的形貌和位置具有隨機性，用于模擬高頻超聲導波的數值模型往往難以兼顧計算效率和對缺陷的適應性，故并未見該方法在實際腐蝕工況下的運用。

測試設備：機箱、任意波形發生器、數字信號采集板卡、聲發射探頭、射頻功率放大器(ATA-8202)、前置放大器(ATA-5620)。

實驗過程：

監測對象為加速腐蝕試驗條件下橋梁拉索用鍍鋅鋼絲，直徑為7mm，總長約為103cm，腐蝕段長度約為94cm。電解質采用3.5%氯化鈉溶液，鋼絲設定為加速腐蝕系統的陽極，四片等間隔放置的不銹鋼板設定為陰極，由外接直流電源提供恒定電流。采集系統套件包含機箱，任意波形發生器及60MS/S、8通道數字信號采集板卡。測量方式采用一端激勵、一端接收。傳感器采用相同的聲發射探頭用于激勵和接收縱向模態導波信號，其頻率響應范圍為0.1~1.5MHZ。激勵信號采用射頻功率放大器(ATA-8202)放大，接收信號采用前置放大器(ATA-5620)放大。采用夾具將探頭固定于待測鋼絲兩端，機油作為界面耦合劑以增加振動能量的傳遞效率。試驗裝置如圖。

圖：實驗裝置

實驗結果：

外接電流恒定為0.35A，每隔12h對鋼絲剩余直徑量進行監測，直徑改變步長由法拉第定律控制，約為0.05mm。下圖例舉了在腐蝕監測初期(0-48h)，維持激勵頻率為377kHz不變的情況下接收信號的時頻分析結果。接收信號的相關性峰值點頻率會隨著腐蝕進程而略有偏差，但波達時間仍明顯地是現出單調減小趨勢，證明導波群速度對鋼絲直徑的變化是極為敏感的。

誤差小于0.157mm；其次，評估的剩余直徑量隨著腐蝕時間的增加單調遞減，進一步說明了導波評價手段針對直徑變化具有極高的分辨率:另外，絕對誤差在腐蝕后段具有逐漸增大的趨勢，分析原因為：D腐蝕速率與電極距有關，鋼絲由于表面腐蝕速率不同，在發生均勻腐蝕的同時局部腐蝕效應也逐漸突顯，表現為鋼絲不同區段的直徑差異增大；2表面逐漸積累的腐蝕產物會影響導波在鋼絲中的傳播特性，導致波速與理論值產生偏差；3后期表面積累的腐蝕產物會較大程度地影響導波在鋼絲中的衰減特性，接收信號幅值衰減嚴重，信噪比明顯下降。當腐蝕時長在250范圍內，評估結果的隨機性與分析結果吻合良好，但隨著腐蝕時長的進一步增加，由于外界影響因素的介入將導致評估結果的誤差增大，表現為置信區間外的異常值數量增多。

圖：0-48h波達時間變化趨勢

圖：導波測試結果

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

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審核編輯：湯梓紅