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高压放大器在超声导波钢轨传播中的应用

2023-12-11 大全 24 作者:考证青年

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:

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。

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。

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。

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。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。

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