應用案例

　　實驗名稱：超聲導波技術的U型鋼筋銹蝕監測實驗

　　研究方向：針對混凝土結構中U型鋼筋銹蝕監測難題，基于超聲導波技術長距離監測優勢，設計表面黏貼式監測結構與防水封裝技術。探究U型鋼筋銹蝕程度與超聲導波聲速、信號幅值及耗時等參數的響應規律。構建超聲導波技術驅動的U型鋼筋銹蝕精準判斷體系，為其長期健康監測提供技術支撐。

　　實驗目的：針對混凝土結構內部鋼筋銹蝕難以被傳統方法快速、全面、準確監測，且超聲導波監測在建筑結構檢測中易受環境干擾的問題，利用超聲導波技術，通過設計U型鋼筋表面黏貼式超聲監測結構及防水封裝，實現對U型鋼筋銹蝕程度的準確判斷。

　　測試設備：信號發生器、高壓放大器、換能器、直流電源、激發端PZT-4、接收端PZT-5換能器、數字示波器。

　　實驗過程：在超聲導波技術的U型鋼筋銹蝕監測實驗中，功率放大器是連接信號發生器與激發端PZT-4型換能器的關鍵設備，其核心作用是將信號發生器輸出的50kHz-500kHz低功率電信號放大50-100倍至100V以上，增強驅動能力，確保換能器通過逆壓電效應高效激發穩定超聲導波，避免信號功率不足導致導波衰減或激發失效，保障接收端PZT-5型換能器精準捕捉信號。實驗中，功率放大后的導波沿U型鋼筋傳播，數字示波器采集含噪聲原始時域波形，經ORIGIN軟件FFT帶通濾波（保留激勵頻率±20kHz信號），信噪比從9.54dB提至23.52dB。對直徑12mm、長35cm的U型裸鋼筋，采用電化學加速腐蝕（固定于泡沫圈、浸5%NaCl溶液，鋼筋接電源正極、溶液接負極），同步采集不同銹蝕階段濾波信號，提取參數構建銹蝕響應關系，功率放大器通過能量增強、信號穩定及模式匹配，保障了監測系統可靠性。

圖2裸鋼筋接收信號幅值與理論銹蝕率的關系曲線

圖3銹蝕試驗過程外觀記錄圖

　　實驗結果：由銹蝕前的時域圖可以清晰地看到三個接收信號的波包，其中第一個波包接收時間與發射信號的時間差值為84.27μs，經過計算，第一個波包的傳播速度為4153（m·s-1），符合直徑12mm鋼筋頻散曲線中L(0，1)模態理論速度[為4101（m/·s-1）]，證明試驗顯著激發了L(0，1)模態；第二個波包從發射到接收的耗時與F(1，1)模態理論速度一致；第三個波包耗時為第一個波包的3倍左右，為第一個波包在鋼筋末端的反射。

　　由銹蝕結束后的時域圖中可以看到存在兩個波包，第一個波包耗時為64.81μs，計算出導波傳播速度為5400m·s-1，略高于6mm直徑內的鋼筋理論傳播速度；第二個波包波形發生改變，為F(1，1)模態的波包與第一個波包到鋼筋末端的反射波疊加形成。銹蝕試驗結束后鋼筋最小直徑由12mm損耗到5mm，中端部分最大直徑為9mm，其在180kHz下導波傳播的理論速度值為3809~5026m·s-1，銹蝕結束后計算出的傳播速度基本符合頻散曲線。

圖4U型鋼筋銹蝕前的信號時域圖

圖5U型鋼筋銹蝕結束后的信號時域圖

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圖：ATA-2000系列高壓放大器指標參數

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