技术文章

　　实验名称：基于非线性超声波法的混凝土碳化无损检测技术研究

　　实验目的：文章提出并实现了一种用于混凝土无损检测的非线性超声技术。该方法的原理是利用PZT传感器检测脉冲传播过程中的二次谐波。根据碳化过程中的混凝土密实度变化，引起超声波穿透混凝土过程中非线性超声波参数改变的特性。通过FFT变换获得二次谐波非线性参数，评估混凝土碳化状况。实验结果表明，在混凝土碳化过程中，所测得的非线性参数变化明显。因此，基于非线性超声波特性的检测技术，检测混凝土碳化是可行的。

　　测试设备：电压放大器、数字示波器等。

　　实验过程：

　　根据配合比浇筑100mm×100mm×100mm的立方体试样，用于对比超声波入射频率对非线性参数的影响。将试样养护28d后，进行快速碳化实验。利用任意波形发生器激发3个周期长的脉冲波电信号并输出至电压功率放大器中，由功率放大器将该电信号峰值电压放大为56V。放大后的电信号激励介质（试样）发射端的PZT压电瓷片，使PZT压电瓷片经“逆压电效应”后发出超声波。试样封装示意图如图1所示。

　　图1：混凝土试样封装示意图

　　介质（试样）接收端的PZT压电瓷片接收超声波信号，经PZT压电瓷片的“直接压电效应”后，机械超声波信号变为电信号，放大46db并传入数字示波器中。对于3个试样分别采用入射频率为50kHz、75kHz、100kHz，幅值为10Vpp的3个周期长的脉冲信号，在平均模式下进行256平均采集，数据结果取平均值。将数据录入计算机并通过FFT转换成频域图，获得基波（A1）和二次谐波（A2）的幅值，计算得到相对非线性参数βr，探究非线性参数随着碳化时间的变化规律。

　　实验结果：

　　图2显示了非线性参数的变化情况。随着碳化天数的不断增加，首波幅值A1也在不断增加，二次谐波幅值A2在不断减小，所得的非线性参数相应的也在不断减小。当脉冲超声波的非线性参数的入射频率为75kHz时，其非线性参数值高于入射频率为50kHz与100kHz时。但入射频率为75kHz前后非线性参数的变化程度相对于入射频率为50kHz与100kHz的非线性参数要小。这可能是由于入射频率为50kHz，超声波产生了严重的散射与衰减；当超声波入射频率为100kHz时，超声波衰减太快，二次谐波幅值迅速下降。

　　图2：试样在不同入射频率的条件下随碳化时间变化的非线性参数值

　　图3显示了使用50kHz、75kHz、100kHz为入射频率的脉冲超声波在碳化进程中的非线性参数的变化程度。入射频率为50kHz时，非线性参数的最大变化为89.4%；入射频率为75kHz时，非线性参数的最大变化为67.1%；入射频率为100kHz时，非线性参数的最大变化为95.2%。超声波入射频率为50kHz与100kHz时的非线性参数敏感程度高于入射频率为75kHz时。

　　图3：试样在不同入射频率的条件下随碳化时间改变的非线性参数前后变化

　　由于入射频率为75kHz时的非线性参数值最大，非线性参数衰减相对于入射频率为50kHz与100kHz时要小，可以选择入射频率75kHz为基频测量非线性超声波参数。结果表明，在混凝土碳化过程中，所测得的非线性参数变化明显。因此，基于非线性超声波特性的检测技术，检测混凝土碳化是可行的。

　　电压放大器推荐：ATA-2048

　　图：ATA-2048高压放大器指标参数

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