射频功率放大器在钢轨接头非线性超声检测中的应用

实验名称：钢轨接头缺陷的非线性超声检测

实验原理：本实验通过对螺孔裂纹进行检测，利用了非线性系统对于初始条件的敏感性，当材料、或结构有很小的改变时，也可以通过非线性超声指标进行识别，大大提高了对于微小缺陷的识别精度。本实验将采用PZT材料作为信号的激励传感器和接收传感器，激励信号经功率放大器放大后，驱动压电片在钢轨中产生超声波，同时在激发压电片附近粘贴独立的压电片作为接收传感器。其中，PZT-2为激励传感器，PZT-1和PZT-3为接收传感器，分别接收水平方向和竖直方向的谐振信号，以便更好观察响应信号不同位面的区别三个压电片的参数。

测试设备：信号发生器、ATA-8202射频功率放大器、PZT、试件等。

图一：实验系统原理图

图二：钢轨试件

实验过程：首先需检测在无激励信号输入时，示波器上的时域响应，这是因为实验中不可避免会出现噪声，需提前对噪声的大小及影响程度有一个大致的估量。先将生成的正弦调制信号输入信号放大器，调整输入信号的长度，因为要保证输入信号不要和响应信号混杂在一起，需尽可能的扩大输入信号零输入的长度，在此，调制信号输入长度设置为两千，总输入信号设置为一万。需要注意的是，当变换输入信号后，需彻底删除前一次输入信号的残留，否则新的信号会是前后两次输入信号的混叠或交杂。信号发生器的额定电压为10V，压电材料如果利用其产生电压，则必须使通过电压差不多为两百伏，很明显单凭信号发生器不能直接使用，所以需要信号放大器将通过的电压放大。信号通过放大后，在压电片上方输入信号,在激励压电片旁设置接收压电片来接收响应信号,并接入示波器。再从示波器中提取响应信号并处理，得到时域、频域图，最后借此提取对损伤敏感的非线性参数。

图三：无裂纹时域信号对比

图四：有无裂纹频域信号对比

本实验选用周期数为10，频率为0.5MHz的激励信号。图三a为完好钢轨所接收到的时域信号，图三b为螺孔孔边预制1mm纹后的时域信号。可以看出，与无裂纹的相比，信号变化虽有不同，但难以直接从时域信号分析出缺陷信息。图四是响应信号经傅里叶变换、再取对数后得到的频谱图。可以发现缺陷使波形发生了畸变，输出信号中二次谐波成分变得更加明显。

实验结果：在对实验结果进行平滑分析中，所取点数是一个关键指标，当点数太少时，起不到平滑的效果，但点数太多，可能让频幅曲线失去局部特征。图五给出了含1mm孔边裂纹钢轨试样的原始频幅曲线和5、15、25、50点平滑的结果对比图，从图中可以看出，5点平滑结果与原始频幅曲线并无明显差异，当平滑点数逐渐增加时，噪声影响降低，可以看出，50点平滑时有较好的降噪效果，但同时也保留了二次谐波的局部特征。因此，我们对所有工况，都进行50点平滑，再进行非线性参数提取。

图五：经不同点数平滑处理的频谱结果

图六：线性参数β随损伤程度的变化关系

这里a,b分别为图五中所示基波和二次谐波频幅峰值的对数结果。求解各工况的β，并将其绘制在图六中。可见非线性参数β，随螺孔裂纹长度的增加近似呈线性关系，这表明所定义的非线性参数β可以作为表征钢轨螺孔裂纹损伤程度的指标，也为裂纹大小评估提供了依据。

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审核编辑 黄宇