實驗名稱：高壓放大器在超聲導波鋼軌傳播中的應用

　　研究方向：無損檢測

　　測試目的：

　　超(chao)聲(sheng)導波具有(you)傳播(bo)距離遠(yuan)、檢(jian)測距離長的特(te)點，在鋼軌無損檢(jian)測領(ling)域受到(dao)越來越多的關注。本文使用有(you)限元仿真方法和現場實驗方法，對鋼軌各(ge)模態超(chao)聲(sheng)導波的傳播(bo)特(te)性進行(xing)深入研究。

　　測試設備：ATA-2042高壓放大器、任意函數發生器、壓電陶瓷、鋼軌、示波器。

　　實驗過程：

　　圖：脈沖(chong)反射法(fa)及穿透法(fa)

　　本文(wen)使(shi)用穿透法，利(li)用超聲導(dao)波對(dui)鋼軌(gui)的(de)損(sun)傷進行檢(jian)測，原理見上圖。使(shi)用單(dan)激勵單(dan)接收方式，通(tong)過(guo)判斷接收到導(dao)波的(de)幅值對(dui)鋼軌(gui)傷損(sun)進行檢(jian)測，有效(xiao)檢(jian)測范(fan)圍為激勵探頭(tou)與接收探頭(tou)之間的(de)鋼軌(gui)，實驗(yan)方案如(ru)下圖所示。

　　圖：超(chao)聲導波損傷(shang)檢測(ce)實(shi)驗方案

　　根據導(dao)(dao)波的(de)(de)傳(chuan)播特性，不同(tong)模(mo)態的(de)(de)導(dao)(dao)波對(dui)鋼(gang)軌各位置傷損(sun)的(de)(de)敏感程度(du)不同(tong)。尤其對(dui)于(yu)穿透法檢(jian)(jian)測(ce)(ce)，若選取(qu)能量(liang)集中位置與檢(jian)(jian)測(ce)(ce)位置不同(tong)的(de)(de)模(mo)態，或者(zhe)能量(liang)較(jiao)分(fen)散的(de)(de)模(mo)態進(jin)行檢(jian)(jian)測(ce)(ce)時，導(dao)(dao)波在傳(chuan)播過程中受到缺陷影(ying)響較(jiao)小(xiao)，影(ying)響檢(jian)(jian)測(ce)(ce)精度(du)。一(yi)般情況(kuang)下，一(yi)個(ge)導(dao)(dao)波模(mo)態能量(liang)集中位置即為(wei)該模(mo)態適合(he)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)位置。對(dui)于(yu)缺陷平面(mian)垂直于(yu)傳(chuan)播方向(xiang)或質點(dian)振動方向(xiang)的(de)(de)傷損(sun)，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)效果更加明(ming)顯。在實際應用中對(dui)于(yu)不同(tong)位置、不同(tong)類(lei)型的(de)(de)傷損(sun)應選取(qu)合(he)適的(de)(de)導(dao)(dao)波模(mo)態進(jin)行檢(jian)(jian)測(ce)(ce)。

　　1、軌(gui)頭(tou)橫向直裂紋(wen)檢測實(shi)驗(yan)

　　在軌頭(tou)位置預制裂(lie)紋，裂(lie)紋橫向(xiang)(xiang)通(tong)透、垂向(xiang)(xiang)深度10mm、縱(zong)向(xiang)(xiang)寬度約(yue)2mm，損傷面積(ji)約(yue)占軌頭(tou)面積(ji)的20%。該裂(lie)紋模(mo)擬實際情(qing)況下(xia)鋼軌踏面損傷，如下(xia)圖(tu)所示。

　　圖：軌頭(tou)損傷檢測實驗現(xian)場(chang)

　　根據前文分(fen)析，軌(gui)頭(tou)處的對(dui)(dui)稱(cheng)導波模態(tai)中，GT-S1模態(tai)在軌(gui)頭(tou)位置(zhi)能量集(ji)中、傳播特性良(liang)好，將(jiang)(jiang)其作(zuo)為(wei)軌(gui)頭(tou)損(sun)傷(shang)(shang)檢測的目(mu)標模態(tai)。發(fa)(fa)射探頭(tou)和(he)接收探頭(tou)位于(yu)傷(shang)(shang)損(sun)兩(liang)(liang)側對(dui)(dui)稱(cheng)布(bu)置(zhi)，見上圖(tu)。激勵信(xin)號采(cai)用漢寧(ning)窗調制5周(zhou)期余弦信(xin)號，中心頻率(lv)為(wei)85kHz，壓(ya)電(dian)陶瓷驅動電(dian)壓(ya)幅值為(wei)150V。為(wei)對(dui)(dui)比(bi)分(fen)析，設計兩(liang)(liang)組(zu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)：第一(yi)組(zu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)將(jiang)(jiang)發(fa)(fa)射探頭(tou)和(he)激勵探頭(tou)分(fen)別(bie)布(bu)置(zhi)在損(sun)傷(shang)(shang)兩(liang)(liang)側0.3m位置(zhi)；第二組(zu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)將(jiang)(jiang)發(fa)(fa)射探頭(tou)和(he)激勵探頭(tou)分(fen)別(bie)布(bu)置(zhi)在損(sun)傷(shang)(shang)兩(liang)(liang)側0.6m位置(zhi)。為(wei)與(yu)正常工況下實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果(guo)對(dui)(dui)比(bi)，每組(zu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)均設置(zhi)無損(sun)傷(shang)(shang)對(dui)(dui)照(zhao)(zhao)組(zu)，對(dui)(dui)照(zhao)(zhao)組(zu)除無鋼軌(gui)損(sun)傷(shang)(shang)外，探頭(tou)相對(dui)(dui)位置(zhi)、激勵條件均與(yu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)組(zu)保持一(yi)致。

　　圖：軌頭(tou)裂紋損傷檢測信號實(shi)驗結果

　　提(ti)取接收探(tan)頭檢測(ce)到(dao)的信(xin)號(hao)，如上圖(tu)所(suo)示。在第一組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)中，將傳播速度最快的三個波(bo)包峰值(zhi)點(dian)(dian)(dian)(dian)命名為(wei)p1、p2、p3，其中p1對應波(bo)包為(wei)GT-S1模態，p2、p3波(bo)包可視為(wei)干(gan)擾模態。對比第一組和第二(er)組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)中無損(sun)(sun)傷(shang)工(gong)況(kuang)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)，第一組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)發射(she)探(tan)頭與(yu)接收探(tan)頭間距(ju)為(wei)0.6m，第二(er)組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)發射(she)探(tan)頭與(yu)接收探(tan)頭間距(ju)為(wei)1.2m，兩組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)中p1點(dian)(dian)(dian)(dian)幅(fu)值(zhi)變化不大，故(gu)可知在0.6m范圍內GT-S1模態能量未明顯衰(shuai)減(jian)。在第一組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)中，無損(sun)(sun)傷(shang)工(gong)況(kuang)時(shi)p1點(dian)(dian)(dian)(dian)幅(fu)值(zhi)為(wei)498mV，損(sun)(sun)傷(shang)工(gong)況(kuang)時(shi)p1點(dian)(dian)(dian)(dian)幅(fu)值(zhi)為(wei)331mV，降低(di)了(le)33.5%。在第二(er)組實(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)中，無損(sun)(sun)傷(shang)工(gong)況(kuang)時(shi)p1點(dian)(dian)(dian)(dian)幅(fu)值(zhi)為(wei)510mV，損(sun)(sun)傷(shang)工(gong)況(kuang)時(shi)p1點(dian)(dian)(dian)(dian)幅(fu)值(zhi)為(wei)

　　392mV，降(jiang)低了23.1%。兩(liang)組(zu)實驗(yan)中損(sun)傷工(gong)況(kuang)下(xia)GT-S1模態(tai)(tai)導(dao)(dao)波(bo)幅值(zhi)(zhi)均(jun)有(you)明(ming)(ming)顯(xian)降(jiang)低，說明(ming)(ming)使用GT-S1模態(tai)(tai)檢測鋼軌軌頭橫向裂(lie)紋(wen)的可行性。此外可注意到在(zai)(zai)第一組(zu)實驗(yan)中，正常工(gong)況(kuang)及損(sun)傷工(gong)況(kuang)下(xia)p2、p3幅值(zhi)(zhi)未(wei)發生(sheng)明(ming)(ming)顯(xian)變化，原因可能是p2、p3峰值(zhi)(zhi)點對(dui)(dui)應(ying)導(dao)(dao)波(bo)能量分(fen)散(san)，導(dao)(dao)致在(zai)(zai)傳播過程中僅有(you)較(jiao)少能量的導(dao)(dao)波(bo)經(jing)過缺陷(xian)位置，幅值(zhi)(zhi)下(xia)降(jiang)值(zhi)(zhi)小于由于多次測量產(chan)生(sheng)的誤差值(zhi)(zhi)，故(gu)在(zai)(zai)軌頭橫向直裂(lie)紋(wen)檢測中，對(dui)(dui)p2、p3對(dui)(dui)應(ying)的導(dao)(dao)波(bo)不進行分(fen)析。

　　2、軌底橫向(xiang)直(zhi)裂紋檢測(ce)實驗(yan)

　　在軌(gui)(gui)底位置(zhi)預制裂(lie)紋，裂(lie)紋橫向(xiang)(xiang)深(shen)度約(yue)23mm、垂向(xiang)(xiang)深(shen)度約(yue)10mm、縱向(xiang)(xiang)寬度約(yue)2mm，損傷面積(ji)約(yue)占軌(gui)(gui)底面積(ji)的15%。軌(gui)(gui)底位置(zhi)是(shi)當前(qian)超(chao)聲波(bo)檢測技(ji)術的盲區，本文將使用超(chao)聲導波(bo)對軌(gui)(gui)底裂(lie)紋進行(xing)檢測。

　　圖：軌(gui)底損傷(shang)檢測(ce)實驗現(xian)場(chang)

　　發射(she)探(tan)頭和接收探(tan)頭位于傷損兩側對稱布(bu)置(zhi)(zhi)，布(bu)置(zhi)(zhi)位置(zhi)(zhi)位于鋼軌(gui)軌(gui)底翼緣(yuan)中心(xin)處，見(jian)圖。經前文(wen)分析得，在此位置(zhi)(zhi)處GD-A2模態(tai)(tai)為(wei)優(you)勢模態(tai)(tai)，該模態(tai)(tai)傳播(bo)特性(xing)良(liang)好，能量(liang)集(ji)中在軌(gui)底位置(zhi)(zhi)，容易激(ji)勵與檢(jian)測(ce)，故將GD-A2模態(tai)(tai)作為(wei)目標模態(tai)(tai)檢(jian)測(ce)軌(gui)底橫向直裂紋。

　　激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)采用(yong)漢寧窗(chuang)調制5周期余弦信(xin)號(hao)，中心頻率為90kHz，壓(ya)電陶瓷驅(qu)動電壓(ya)幅(fu)值為150V。與軌頭(tou)(tou)(tou)(tou)位置(zhi)檢測相同，設計兩(liang)組實驗(yan)(yan)進行對比：第(di)(di)一(yi)組實驗(yan)(yan)將發射探頭(tou)(tou)(tou)(tou)和激(ji)勵(li)探頭(tou)(tou)(tou)(tou)分別(bie)布置(zhi)在損(sun)傷兩(liang)側(ce)0.3m位置(zhi)，第(di)(di)二組實驗(yan)(yan)將發射探頭(tou)(tou)(tou)(tou)和激(ji)勵(li)探頭(tou)(tou)(tou)(tou)分別(bie)布置(zhi)在損(sun)傷兩(liang)側(ce)0.6m位置(zhi)，每組實驗(yan)(yan)均設置(zhi)無損(sun)傷對照(zhao)組。

　　圖：軌底(di)裂(lie)紋損傷檢測信號實驗(yan)結果

　　提取接收探頭檢測到的(de)信號，如上圖所示(shi)。在(zai)(zai)第(di)(di)一(yi)組(zu)(zu)(zu)實驗結(jie)果(guo)(guo)中(zhong)(zhong)(zhong)，將導(dao)波(bo)(bo)(bo)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)最大(da)波(bo)(bo)(bo)包峰值(zhi)(zhi)點(dian)命名為(wei)p點(dian)，p點(dian)對應GD-A2模(mo)態的(de)導(dao)波(bo)(bo)(bo)。對比第(di)(di)一(yi)組(zu)(zu)(zu)和第(di)(di)二組(zu)(zu)(zu)實驗中(zhong)(zhong)(zhong)無損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)實驗結(jie)果(guo)(guo)，兩組(zu)(zu)(zu)實驗結(jie)果(guo)(guo)中(zhong)(zhong)(zhong)p點(dian)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)變化不大(da)，故(gu)可知在(zai)(zai)0.6m范圍(wei)內GD-A2模(mo)態能(neng)量(liang)未明(ming)(ming)顯衰(shuai)減。在(zai)(zai)第(di)(di)一(yi)組(zu)(zu)(zu)實驗中(zhong)(zhong)(zhong)，無損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)時(shi)(shi)p點(dian)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)為(wei)11.9mV，損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)時(shi)(shi)p點(dian)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)為(wei)3.6mV，降低(di)了(le)(le)69.7%。在(zai)(zai)第(di)(di)二組(zu)(zu)(zu)實驗中(zhong)(zhong)(zhong)，無損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)時(shi)(shi)p點(dian)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)為(wei)11.6mV，損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)時(shi)(shi)p點(dian)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)為(wei)4.8mV，降低(di)了(le)(le)58.6%。兩組(zu)(zu)(zu)實驗中(zhong)(zhong)(zhong)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)工(gong)(gong)況(kuang)下GD-A2模(mo)態導(dao)波(bo)(bo)(bo)幅(fu)(fu)(fu)值(zhi)(zhi)均(jun)有明(ming)(ming)顯降低(di)，說明(ming)(ming)使用GD-A2模(mo)態檢測鋼(gang)軌軌底橫(heng)向裂紋的(de)可行性(xing)。

　　實驗結果：

　　(1)沿軌(gui)頂踏面垂向(xiang)激(ji)勵(li)時(shi)，在(zai)軌(gui)頂踏面接收到導波(bo)的(de)優(you)勢模(mo)態為GT-S1模(mo)態；沿軌(gui)腰(yao)位(wei)置(zhi)(zhi)橫向(xiang)激(ji)勵(li)時(shi)，在(zai)軌(gui)腰(yao)中間位(wei)置(zhi)(zhi)接收到導波(bo)的(de)優(you)勢模(mo)態為GY-A1模(mo)態；沿軌(gui)底位(wei)置(zhi)(zhi)法向(xiang)激(ji)勵(li)時(shi)，在(zai)軌(gui)底翼緣(yuan)中心(xin)處接收到導波(bo)的(de)優(you)勢模(mo)態為GT-S1模(mo)態；這三個模(mo)態的(de)導波(bo)在(zai)其(qi)能(neng)量集中位(wei)置(zhi)(zhi)傳播特性良好，可分(fen)別作為鋼(gang)軌(gui)軌(gui)頭、軌(gui)腰(yao)、軌(gui)底檢測的(de)目標模(mo)態。

　　(2)利用穿透法可使用超聲(sheng)導波(bo)對鋼軌(gui)(gui)損傷(shang)進行有效檢測(ce)。使用GT-S1模態(tai)(tai)(tai)可檢測(ce)鋼軌(gui)(gui)軌(gui)(gui)頭橫向(xiang)直裂紋(wen)，使用GD-A2模態(tai)(tai)(tai)可檢測(ce)鋼軌(gui)(gui)軌(gui)(gui)底橫向(xiang)直裂紋(wen)。在損傷(shang)工況(kuang)(kuang)下(xia)檢測(ce)到目(mu)標模態(tai)(tai)(tai)導波(bo)的幅值(zhi)明(ming)顯小(xiao)于正常(chang)工況(kuang)(kuang)下(xia)幅值(zhi)，說(shuo)明(ming)使用超聲(sheng)導波(bo)鋼軌(gui)(gui)檢測(ce)的可行性(xing)和有效性(xing)。

　　安泰ATA-2042高壓放大器：

　　圖：ATA-2042高壓放大器指(zhi)標參(can)數

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。西安安泰電子是專業(ye)從(cong)事功率放(fang)大器、高壓放大器(qi)、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電(dian)壓源、高精(jing)度電(dian)流源(yuan)等電子測量儀器(qi)研發、生產和銷售的高科技企業。公司致力于功(gong)率(lv)放大(da)(da)器、功(gong)率(lv)信號源、計(ji)量校(xiao)準(zhun)源等(deng)產(chan)(chan)品為(wei)核(he)心的相關(guan)行(xing)業測(ce)試(shi)(shi)解(jie)決(jue)方案的研究，為(wei)用戶提供(gong)具(ju)有(you)競爭(zheng)力的測(ce)試(shi)(shi)方案，Aigtek已經成(cheng)為(wei)在業界(jie)擁有(you)廣泛產(chan)(chan)品線，且具(ju)有(you)相當規模的儀器設(she)備供(gong)應商，樣機都支持免費試(shi)(shi)用。如想了解(jie)更多功(gong)率(lv)放大(da)(da)器等(deng)產(chan)(chan)品，請(qing)持續關(guan)注安泰(tai)電子官網hkdyw.cn或撥(bo)打029-88865020。