應(yīng)用案例

　　實驗名稱：基于壓電波動法的裝配式橋梁灌漿套筒缺陷檢測實驗

　　研究方向：土木工程/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、裝配式橋梁灌漿套筒施工質(zhì)量的無損檢測技術(shù)、壓電陶瓷傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用、壓電波動法與小波包能量分析。

　　實驗?zāi)康模?/strong>設(shè)計了無灌漿質(zhì)量缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試驗組和有不同缺陷的灌漿套筒，在灌漿套筒內(nèi)布置壓電陶瓷驅(qū)動器與傳感器。將信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號通過功率放大器放大100倍之后作用在壓電陶瓷驅(qū)動器上，轉(zhuǎn)換后的應(yīng)力波經(jīng)灌漿料與鋼筋傳播后被傳感器壓電陶瓷接收，并最終由示波器接收并顯示。通過對健康試件與缺陷試件的信號峰峰值以及小波包能量進(jìn)行對比可得出灌漿套筒的缺陷程度。

　　測試設(shè)備：壓電陶瓷片（PZT5A，直徑5mm，厚度2mm，驅(qū)動器與傳感器，實現(xiàn)電-機(jī)械信號轉(zhuǎn)換）、灌漿套筒試件（GTJB4-20半灌漿套筒，模擬實際工程中的缺陷場景）、灌漿料強(qiáng)度（60Mpa，試件填充材料）、信號發(fā)生器（產(chǎn)生40kHz正弦激勵信號）、高壓放大器（放大倍數(shù)100倍，將信號電壓放大至500V）、示波器（采集并顯示接收信號，采樣時間240μs）等。

圖：實驗框圖

　　實驗過程：

　　1.試件制備

　　（1）制作健康試件（H1-H3）及4類缺陷試件（密實度、空氣腔、水料比、錨固缺陷），具體參數(shù)（見表1）。

  

　　（2）壓電陶瓷布置（見圖2）試驗現(xiàn)場照片：

　　驅(qū)動器：粘貼于錨固段鋼筋頂端光滑斷面中心點。

　　傳感器：埋入套筒進(jìn)漿口以下1mm處的灌漿料中，用環(huán)氧樹脂制作0.1mm厚防水層，并用鋼絲固定，測試絕緣性（電阻無窮大）。

　　2.灌漿與養(yǎng)護(hù)

　　（1）采用電動注漿機(jī)從進(jìn)漿口注漿,出漿口出漿后封堵,持續(xù)注漿至砂漿體積不再減少,封堵注漿口。

　　（2）標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天。

　　3.信號采集

　　（1）通過信號發(fā)生器產(chǎn)生40kHz正弦波，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動壓電陶瓷。

　　（2）傳感器接收應(yīng)力波信號，示波器記錄時域數(shù)據(jù)。

　　4.信號處理

　　（1）時域分析：對比健康與缺陷試件的峰峰值（見圖3、圖4）。

　　圖3：不同試件的時域信號

　　圖4：各試件峰峰值

　　（2）小波包能量分析：采用Python進(jìn)行3層分解，計算總能量（圖5）。

　　圖5：不同缺陷試件小波包總能量

　　實驗結(jié)果：使用壓電陶瓷在灌漿套筒內(nèi)部進(jìn)行檢測能夠?qū)Υ嬖诓煌潭热毕莸墓酀{套筒進(jìn)行有效識別，且信號的峰峰值能夠初步判斷該灌漿套筒內(nèi)部是否存在缺陷

　　1.時域信號：

　　缺陷試件峰峰值顯著高于健康試件（如M68試件峰峰值為健康試件的2.3倍）。

　　缺陷體積占比越大，信號幅值越高（密實度缺陷10%時增幅達(dá)1.9倍）。

　　2.小波包能量：

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

　　能量變化與缺陷程度呈正相關(guān)（見圖5）。

　　3.缺陷評價指標(biāo)（DI）

　　提出基于小波包能量的定量指標(biāo)（式1），建議DI≥0.10為缺陷臨界值（見表2）。

　　式1

　　表2：各試件的DI值

　　放大器在該實驗中發(fā)揮的效能：在該實驗中放大器將信號發(fā)生器輸出的低電壓信號放大至500V高壓，確保壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的應(yīng)力波。且放大器的高增益（100倍）保障信號穿透灌漿料介質(zhì)。低噪聲避免信號失真，提升缺陷檢測靈敏度。

　　安泰ATA-2161高壓放大器：

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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