高压放大器在超声导波钢轨传播中的应用

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
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