高压放大器在超声导波钢轨传播中的应用

实验名白镢梧螂称：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：

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。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》