電壓放大器基于壓電波動法的裝配式橋梁灌漿套筒缺陷檢測實驗的應用
實驗名稱：基于壓電波動法的裝配式橋梁灌漿套筒缺陷檢測實驗
研究方向：土木工程/結構健康監測、裝配式橋梁灌漿套筒施工質量的無損檢測技術、壓電陶瓷傳感器在混凝土結構無損檢測中的應用、壓電波動法與小波包能量分析。
實驗目的：設計了無灌漿質量缺陷的標準試驗組和有不同缺陷的灌漿套筒，在灌漿套筒內布置壓電陶瓷驅動器與傳感器。將信號發生器產生的信號通過功率放大器放大100倍之后作用在壓電陶瓷驅動器上，轉換后的應力波經灌漿料與鋼筋傳播后被傳感器壓電陶瓷接收，并最終由示波器接收并顯示。通過對健康試件與缺陷試件的信號峰峰值以及小波包能量進行對比可得出灌漿套筒的缺陷程度。
測試設備：壓電陶瓷片（PZT5A，直徑5mm，厚度2mm，驅動器與傳感器，實現電-機械信號轉換）、灌漿套筒試件（GTJB4-20半灌漿套筒，模擬實際工程中的缺陷場景）、灌漿料強度（60Mpa，試件填充材料）、信號發生器（產生40kHz正弦激勵信號）、高壓放大器（放大倍數100倍，將信號電壓放大至500V）、示波器（采集并顯示接收信號，采樣時間240μs）等。
圖：實驗框圖
實驗過程：
1.試件制備
（1）制作健康試件（H1-H3）及4類缺陷試件（密實度、空氣腔、水料比、錨固缺陷），具體參數（見表1）。
（2）壓電陶瓷布置（見圖2）試驗現場照片：
驅動器：粘貼于錨固段鋼筋頂端光滑斷面中心點。
傳感器：埋入套筒進漿口以下1mm處的灌漿料中，用環氧樹脂制作0.1mm厚防水層，并用鋼絲固定，測試絕緣性（電阻無窮大）。
2.灌漿與養護
（1）采用電動注漿機從進漿口注漿,出漿口出漿后封堵,持續注漿至砂漿體積不再減少,封堵注漿口。
（2）標準條件下養護28天。
3.信號采集
（1）通過信號發生器產生40kHz正弦波，經放大器放大后驅動壓電陶瓷。
（2）傳感器接收應力波信號，示波器記錄時域數據。
4.信號處理
（1）時域分析：對比健康與缺陷試件的峰峰值（見圖3、圖4）。
圖3：不同試件的時域信號
圖4：各試件峰峰值
（2）小波包能量分析：采用Python進行3層分解，計算總能量（圖5）。
圖5：不同缺陷試件小波包總能量
實驗結果：使用壓電陶瓷在灌漿套筒內部進行檢測能夠對存在不同程度缺陷的灌漿套筒進行有效識別，且信號的峰峰值能夠初步判斷該灌漿套筒內部是否存在缺陷
1.時域信號：
缺陷試件峰峰值顯著高于健康試件（如M68試件峰峰值為健康試件的2.3倍）。
缺陷體積占比越大，信號幅值越高（密實度缺陷10%時增幅達1.9倍）。
2.小波包能量：
空氣腔缺陷（M68）能量為健康試件的3.3倍，密實度缺陷（D30）為1.9倍。
能量變化與缺陷程度呈正相關（見圖5）。
3.缺陷評價指標（DI）
提出基于小波包能量的定量指標（式1），建議DI≥0.10為缺陷臨界值（見表2）。
式1
表2：各試件的DI值
放大器在該實驗中發揮的效能：在該實驗中放大器將信號發生器輸出的低電壓信號放大至500V高壓，確保壓電陶瓷驅動器產生足夠強度的應力波。且放大器的高增益（100倍）保障信號穿透灌漿料介質。低噪聲避免信號失真，提升缺陷檢測靈敏度。
安泰ATA-2161高壓放大器：
圖：ATA-2161高壓放大器指標參數
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