应用案例

　　实验名称：超声导波技术的U型钢筋锈蚀监测实验

　　研究方向：针对混凝土结构中U型钢筋锈蚀监测难题，基于超声导波技术长距离监测优势，设计表面黏贴式监测结构与防水封装技术。探究U型钢筋锈蚀程度与超声导波声速、信号幅值及耗时等参数的响应规律。构建超声导波技术驱动的U型钢筋锈蚀精准判断体系，为其长期健康监测提供技术支撑。

　　实验目的：针对混凝土结构内部钢筋锈蚀难以被传统方法快速、全面、准确监测，且超声导波监测在建筑结构检测中易受环境干扰的问题，利用超声导波技术，通过设计U型钢筋表面黏贴式超声监测结构及防水封装，实现对U型钢筋锈蚀程度的准确判断。

　　测试设备：信号发生器、高压放大器、换能器、直流电源、激发端PZT-4、接收端PZT-5换能器、数字示波器。

　　实验过程：在超声导波技术的U型钢筋锈蚀监测实验中，功率放大器是连接信号发生器与激发端PZT-4型换能器的关键设备，其核心作用是将信号发生器输出的50kHz-500kHz低功率电信号放大50-100倍至100V以上，增强驱动能力，确保换能器通过逆压电效应高效激发稳定超声导波，避免信号功率不足导致导波衰减或激发失效，保障接收端PZT-5型换能器精准捕捉信号。实验中，功率放大后的导波沿U型钢筋传播，数字示波器采集含噪声原始时域波形，经ORIGIN软件FFT带通滤波（保留激励频率±20kHz信号），信噪比从9.54dB提至23.52dB。对直径12mm、长35cm的U型裸钢筋，采用电化学加速腐蚀（固定于泡沫圈、浸5%NaCl溶液，钢筋接电源正极、溶液接负极），同步采集不同锈蚀阶段滤波信号，提取参数构建锈蚀响应关系，功率放大器通过能量增强、信号稳定及模式匹配，保障了监测系统可靠性。

图2裸钢筋接收信号幅值与理论锈蚀率的关系曲线

图3锈蚀试验过程外观记录图

　　实验结果：由锈蚀前的时域图可以清晰地看到三个接收信号的波包，其中第一个波包接收时间与发射信号的时间差值为84.27μs，经过计算，第一个波包的传播速度为4153（m·s-1），符合直径12mm钢筋频散曲线中L(0，1)模态理论速度[为4101（m/·s-1）]，证明试验显著激发了L(0，1)模态；第二个波包从发射到接收的耗时与F(1，1)模态理论速度一致；第三个波包耗时为第一个波包的3倍左右，为第一个波包在钢筋末端的反射。

　　由锈蚀结束后的时域图中可以看到存在两个波包，第一个波包耗时为64.81μs，计算出导波传播速度为5400m·s-1，略高于6mm直径内的钢筋理论传播速度；第二个波包波形发生改变，为F(1，1)模态的波包与第一个波包到钢筋末端的反射波叠加形成。锈蚀试验结束后钢筋最小直径由12mm损耗到5mm，中端部分最大直径为9mm，其在180kHz下导波传播的理论速度值为3809~5026m·s-1，锈蚀结束后计算出的传播速度基本符合频散曲线。

图4U型钢筋锈蚀前的信号时域图

图5U型钢筋锈蚀结束后的信号时域图

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图：ATA-2000系列高压放大器指标参数

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