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高压放大器在超声导波钢轨传播中的应用

作者:Aigtek 阅读数:0 发布时间:2024-05-23 09:04:30

  实验名称:高压放大器在超声导波钢轨传播中的应用

  研究方向:无损检测

  测试目的:

  超声导波具有传播距离远、检测距离长的特点,在钢轨无损检测领域受到越来越多的关注。本文使用有限元仿真方法和现场实验方法,对钢轨各模态超声导波的传播特性进行深入研究。

  测试设备:ATA-2042高压放大器、任意函数发生器、压电陶瓷、钢轨、示波器。

  实验过程:

脉冲反射法及穿透法

  图:脉冲反射法及穿透法

  本文使用穿透法,利用超声导波对钢轨的损伤进行检测,原理见上图。使用单激励单接收方式,通过判断接收到导波的幅值对钢轨伤损进行检测,有效检测范围为激励探头与接收探头之间的钢轨,实验方案如下图所示。

超声导波损伤检测实验方案

  图:超声导波损伤检测实验方案

  根据导波的传播特性,不同模态的导波对钢轨各位置伤损的敏感程度不同。尤其对于穿透法检测,若选取能量集中位置与检测位置不同的模态,或者能量较分散的模态进行检测时,导波在传播过程中受到缺陷影响较小,影响检测精度。一般情况下,一个导波模态能量集中位置即为该模态适合检测的位置。对于缺陷平面垂直于传播方向或质点振动方向的伤损,检测效果更加明显。在实际应用中对于不同位置、不同类型的伤损应选取合适的导波模态进行检测。

  1、轨头横向直裂纹检测实验

  在轨头位置预制裂纹,裂纹横向通透、垂向深度10mm、纵向宽度约2mm,损伤面积约占轨头面积的20%。该裂纹模拟实际情况下钢轨踏面损伤,如下图所示。

轨头损伤检测实验现场

  图:轨头损伤检测实验现场

  根据前文分析,轨头处的对称导波模态中,GT-S1模态在轨头位置能量集中、传播特性良好,将其作为轨头损伤检测的目标模态。发射探头和接收探头位于伤损两侧对称布置,见上图。激励信号采用汉宁窗调制5周期余弦信号,中心频率为85kHz,压电陶瓷驱动电压幅值为150V。为对比分析,设计两组实验:第一组实验将发射探头和激励探头分别布置在损伤两侧0.3m位置;第二组实验将发射探头和激励探头分别布置在损伤两侧0.6m位置。为与正常工况下实验结果对比,每组实验均设置无损伤对照组,对照组除无钢轨损伤外,探头相对位置、激励条件均与实验组保持一致。

轨头裂纹损伤检测信号实验结果

  图:轨头裂纹损伤检测信号实验结果

  提取接收探头检测到的信号,如上图所示。在第一组实验结果中,将传播速度最快的三个波包峰值点命名为p1、p2、p3,其中p1对应波包为GT-S1模态,p2、p3波包可视为干扰模态。对比第一组和第二组实验中无损伤工况实验结果,第一组实验发射探头与接收探头间距为0.6m,第二组实验发射探头与接收探头间距为1.2m,两组实验结果中p1点幅值变化不大,故可知在0.6m范围内GT-S1模态能量未明显衰减。在第一组实验中,无损伤工况时p1点幅值为498mV,损伤工况时p1点幅值为331mV,降低了33.5%。在第二组实验中,无损伤工况时p1点幅值为510mV,损伤工况时p1点幅值为

  392mV,降低了23.1%。两组实验中损伤工况下GT-S1模态导波幅值均有明显降低,说明使用GT-S1模态检测钢轨轨头横向裂纹的可行性。此外可注意到在第一组实验中,正常工况及损伤工况下p2、p3幅值未发生明显变化,原因可能是p2、p3峰值点对应导波能量分散,导致在传播过程中仅有较少能量的导波经过缺陷位置,幅值下降值小于由于多次测量产生的误差值,故在轨头横向直裂纹检测中,对p2、p3对应的导波不进行分析。

  2、轨底横向直裂纹检测实验

  在轨底位置预制裂纹,裂纹横向深度约23mm、垂向深度约10mm、纵向宽度约2mm,损伤面积约占轨底面积的15%。轨底位置是当前超声波检测技术的盲区,本文将使用超声导波对轨底裂纹进行检测。

轨底损伤检测实验现场

  图:轨底损伤检测实验现场

  发射探头和接收探头位于伤损两侧对称布置,布置位置位于钢轨轨底翼缘中心处,见图。经前文分析得,在此位置处GD-A2模态为优势模态,该模态传播特性良好,能量集中在轨底位置,容易激励与检测,故将GD-A2模态作为目标模态检测轨底横向直裂纹。

  激励信号采用汉宁窗调制5周期余弦信号,中心频率为90kHz,压电陶瓷驱动电压幅值为150V。与轨头位置检测相同,设计两组实验进行对比:第一组实验将发射探头和激励探头分别布置在损伤两侧0.3m位置,第二组实验将发射探头和激励探头分别布置在损伤两侧0.6m位置,每组实验均设置无损伤对照组。

轨底裂纹损伤检测信号实验结果

  图:轨底裂纹损伤检测信号实验结果

  提取接收探头检测到的信号,如上图所示。在第一组实验结果中,将导波幅值最大波包峰值点命名为p点,p点对应GD-A2模态的导波。对比第一组和第二组实验中无损伤工况实验结果,两组实验结果中p点幅值变化不大,故可知在0.6m范围内GD-A2模态能量未明显衰减。在第一组实验中,无损伤工况时p点幅值为11.9mV,损伤工况时p点幅值为3.6mV,降低了69.7%。在第二组实验中,无损伤工况时p点幅值为11.6mV,损伤工况时p点幅值为4.8mV,降低了58.6%。两组实验中损伤工况下GD-A2模态导波幅值均有明显降低,说明使用GD-A2模态检测钢轨轨底横向裂纹的可行性。

  实验结果:

  (1)沿轨顶踏面垂向激励时,在轨顶踏面接收到导波的优势模态为GT-S1模态;沿轨腰位置横向激励时,在轨腰中间位置接收到导波的优势模态为GY-A1模态;沿轨底位置法向激励时,在轨底翼缘中心处接收到导波的优势模态为GT-S1模态;这三个模态的导波在其能量集中位置传播特性良好,可分别作为钢轨轨头、轨腰、轨底检测的目标模态。

  (2)利用穿透法可使用超声导波对钢轨损伤进行有效检测。使用GT-S1模态可检测钢轨轨头横向直裂纹,使用GD-A2模态可检测钢轨轨底横向直裂纹。在损伤工况下检测到目标模态导波的幅值明显小于正常工况下幅值,说明使用超声导波钢轨检测的可行性和有效性。

  安泰ATA-2042高压放大器

ATA-2042高压放大器指标参数

  图:ATA-2042高压放大器指标参数

  本文实验素材由西安安泰电子整理发布。西安安泰电子是专业从事功率放大器、高压放大器功率信号源前置微小信号放大器高精度电压源高精度电流源等电子测量仪器研发、生产和销售的高科技企业。公司致力于功率放大器、功率信号源、计量校准源等产品为核心的相关行业测试解决方案的研究,为用户提供具有竞争力的测试方案,Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线,且具有相当规模的仪器设备供应商,样机都支持免费试用。如想了解更多功率放大器等产品,请持续关注安泰电子官网www.aigtek.com或拨打029-88865020。


  本文实验案例参考自知网论文《PZT超声导波在钢轨中传播特性研究》


原文链接:https://www.aigtek.com/news/504.html