實(shí)驗(yàn)名稱：鋼軌接頭缺陷的非線性超聲檢測(cè)

　　實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)螺孔裂紋進(jìn)行檢測(cè)，利用了非線性系統(tǒng)對(duì)于初始條件的敏感性，當(dāng)材料、或結(jié)構(gòu)有很小的改變時(shí)，也可以通過非線性超聲指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，大大提高了對(duì)于微小缺陷的識(shí)別精度。本實(shí)驗(yàn)將采用PZT材料作為信號(hào)的激勵(lì)傳感器和接收傳感器，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)壓電片在鋼軌中產(chǎn)生超聲波，同時(shí)在激發(fā)壓電片附近粘貼獨(dú)立的壓電片作為接收傳感器。其中，PZT-2為激勵(lì)傳感器，PZT-1和PZT-3為接收傳感器，分別接收水平方向和豎直方向的諧振信號(hào)，以便更好觀察響應(yīng)信號(hào)不同位面的區(qū)別三個(gè)壓電片的參數(shù)。

　　測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器、PZT、試件等。

　　圖一：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

　　圖二：鋼軌試件

　　實(shí)驗(yàn)過程：首先需檢測(cè)在無(wú)激勵(lì)信號(hào)輸入時(shí)，示波器上的時(shí)域響應(yīng)，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中不可避免會(huì)出現(xiàn)噪聲，需提前對(duì)噪聲的大小及影響程度有一個(gè)大致的估量。先將生成的正弦調(diào)制信號(hào)輸入信號(hào)放大器，調(diào)整輸入信號(hào)的長(zhǎng)度，因?yàn)橐ＷC輸入信號(hào)不要和響應(yīng)信號(hào)混雜在一起，需盡可能的擴(kuò)大輸入信號(hào)零輸入的長(zhǎng)度，在此，調(diào)制信號(hào)輸入長(zhǎng)度設(shè)置為兩千，總輸入信號(hào)設(shè)置為一萬(wàn)。需要注意的是，當(dāng)變換輸入信號(hào)后，需刪除前一次輸入信號(hào)的殘留，否則新的信號(hào)會(huì)是前后兩次輸入信號(hào)的混疊或交雜。信號(hào)發(fā)生器的額定電壓為10V，壓電材料如果利用其產(chǎn)生電壓，則必須使通過電壓差不多為兩百伏，很明顯單憑信號(hào)發(fā)生器不能直接使用，所以需要信號(hào)放大器將通過的電壓放大。信號(hào)通過放大后，在壓電片上方輸入信號(hào),在激勵(lì)壓電片旁設(shè)置接收壓電片來(lái)接收響應(yīng)信號(hào),并接入示波器。再?gòu)氖静ㄆ髦刑崛№憫?yīng)信號(hào)并處理，得到時(shí)域、頻域圖，最后借此提取對(duì)損傷敏感的非線性參數(shù)。

　　圖三：無(wú)裂紋時(shí)域信號(hào)對(duì)比

　　圖四：有無(wú)裂紋頻域信號(hào)對(duì)比

　　本實(shí)驗(yàn)選用周期數(shù)為10，頻率為0.5MHz的激勵(lì)信號(hào)。圖三a為完好鋼軌所接收到的時(shí)域信號(hào)，圖三b為螺孔孔邊預(yù)制1mm紋后的時(shí)域信號(hào)?？梢钥闯觯c無(wú)裂紋的相比，信號(hào)變化雖有不同，但難以直接從時(shí)域信號(hào)分析出缺陷信息。圖四是響應(yīng)信號(hào)經(jīng)傅里葉變換、再取對(duì)數(shù)后得到的頻譜圖。可以發(fā)現(xiàn)缺陷使波形發(fā)生了畸變，輸出信號(hào)中二次諧波成分變得更加明顯。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平滑分析中，所取點(diǎn)數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)點(diǎn)數(shù)太少時(shí)，起不到平滑的效果，但點(diǎn)數(shù)太多，可能讓頻幅曲線失去局部特征。圖五給出了含1mm孔邊裂紋鋼軌試樣的原始頻幅曲線和5、15、25、50點(diǎn)平滑的結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可以看出，5點(diǎn)平滑結(jié)果與原始頻幅曲線并無(wú)明顯差異，當(dāng)平滑點(diǎn)數(shù)逐漸增加時(shí)，噪聲影響降低，可以看出，50點(diǎn)平滑時(shí)有較好的降噪效果，但同時(shí)也保留了二次諧波的局部特征。因此，我們對(duì)所有工況，都進(jìn)行50點(diǎn)平滑，再進(jìn)行非線性參數(shù)提取。

　　圖五：經(jīng)不同點(diǎn)數(shù)平滑處理的頻譜結(jié)果

　　圖六：線性參數(shù)β隨損傷程度的變化關(guān)系

　　這里a,b分別為圖五中所示基波和二次諧波頻幅峰值的對(duì)數(shù)結(jié)果。求解各工況的β，并將其繪制在圖六中。可見非線性參數(shù)β，隨螺孔裂紋長(zhǎng)度的增加近似呈線性關(guān)系，這表明所定義的非線性參數(shù)β可以作為表征鋼軌螺孔裂紋損傷程度的指標(biāo)，也為裂紋大小評(píng)估提供了依據(jù)。

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