劉東生， 萬 舟

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000)

應(yīng)用技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)在高壓輸電塔錨桿腐蝕檢測(cè)中的應(yīng)用*

劉東生， 萬 舟

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明650000)

在高壓輸電塔的錨桿頂端施加一瞬態(tài)激振力，由布設(shè)在錨桿頂端的聲發(fā)射傳感器接收反射的信號(hào)。對(duì)接收的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析和小波分析。通過對(duì)比可以看出，聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率、能量與腐蝕的狀況有很好的相關(guān)性。因此，聲發(fā)射技術(shù)是一種可靠有效的檢測(cè)高壓輸電塔錨桿腐蝕的方法。

錨桿； 聲發(fā)射； 時(shí)頻分析； 小波分析

0 引 言

高壓輸電塔的錨桿屬于隱蔽構(gòu)件，工況直接關(guān)系到高壓輸電塔結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。錨桿處于密閉潮濕、永久浸泡的環(huán)境中，易發(fā)生各種腐蝕，受到破壞，而且具有隱蔽性，造成災(zāi)難性的事故。在國(guó)內(nèi)，對(duì)錨桿的腐蝕檢測(cè)處于起步階段，施工早期對(duì)錨桿的施工只側(cè)重于力學(xué)計(jì)算，忽視了錨桿的耐久性[1]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法往往并不準(zhǔn)確而且比較費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，而且僅限于抽查，無法做到實(shí)時(shí)測(cè)試。

聲發(fā)射技術(shù)是最近興起的一種的無損檢測(cè)方法，在結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)損傷、腐蝕檢測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。該方法將錨桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為鋼桿和其周圍的介質(zhì)兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在瞬態(tài)激振作用下，錨桿中腐蝕的位置反射聲發(fā)射信號(hào)，到達(dá)錨桿的自由端，引起聲發(fā)射傳感器位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，被放大、記錄、保存。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)錨桿試件如圖1所示，由試件(分別為正常錨桿和腐蝕錨桿，試件腐蝕在實(shí)驗(yàn)室條件下，浸泡在酸性溶液72 h形成)、前置放大器、信號(hào)調(diào)理板和傳感器組成。其中錨桿為螺紋鋼錨桿，錨桿周圍介質(zhì)為水灰比為0.5的水泥砂漿。制作錨桿試件時(shí),首先將錨桿固定在PVC管中間，然后用水泥凈漿進(jìn)行澆注，在澆注的一端留出4～5 cm錨桿的自由端。

聲波產(chǎn)生需要自激振動(dòng)或者外界施加某種激勵(lì)[3]。高壓輸電塔在運(yùn)營(yíng)期間，錨桿一直處于工作載荷，在持續(xù)的載荷作用下，錨桿仍會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，特別是在載荷的連續(xù)變化情況下，聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度比較強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)室中，瞬態(tài)激振是測(cè)量和評(píng)估結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性最為普遍的激振方法，而用力錘敲擊產(chǎn)生脈沖激振的方法最為廣泛。力錘作用于錨桿的自由段，引起自由段的振動(dòng)并以一定的速度(或加速度)沿桿向固定端傳播(設(shè)此時(shí)速度方向?yàn)檎?，?dāng)波陣面到達(dá)腐蝕位置時(shí)或者固定端，速度(或加速度)反射為反向的速度(或加速度)，該反向的速度(或加速度)在自由端反射后仍然是速度(或加速度)，此時(shí)自由端的速度(或加速度)為負(fù)，幅值為原來的2倍。反射的速度(或加速度)可以被傳感器接收，接收到的信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)調(diào)理板之后上傳計(jì)算機(jī)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

2 聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻分析

因受實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)本身、測(cè)試儀器以及電源、環(huán)境等因素的影響，檢測(cè)儀器采集到的信號(hào)往往混有大量的噪聲，需要進(jìn)行必要的預(yù)處理，通過大量的實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)頻率主要集中在低頻范圍 0～60 kHz 之間，如圖2 所示，可以直接采用濾波的方式進(jìn)行去噪。

通過聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)的信號(hào)樣本中，含有復(fù)雜的聲信號(hào)[4]。產(chǎn)生的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)通常可分為連續(xù)型信號(hào)和突發(fā)型信號(hào)。突發(fā)型信號(hào)指當(dāng)瞬態(tài)激振波到達(dá)腐蝕位置時(shí)產(chǎn)生一種瞬態(tài)彈性波反射到的聲發(fā)射傳感器中，是基于一種瞬態(tài)能量的釋放，連續(xù)型信號(hào)可以認(rèn)為是連續(xù)的突發(fā)型信號(hào)，信號(hào)的幅值分布在時(shí)域無法區(qū)分[5]。在錨桿中，由于腐蝕位置的聲發(fā)射源的不規(guī)律性和隨機(jī)性決定了腐蝕聲發(fā)射信號(hào)是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)。

圖2 噪聲信號(hào)與腐蝕信號(hào)

圖3為采集到的正常錨桿和腐蝕錨桿的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻波形?？梢钥闯?，正常錨桿的聲發(fā)射信號(hào)的幅值較低，而腐蝕錨桿的幅值較高。這是因?yàn)?，正常錨桿自由端的振動(dòng)在傳播中只在桿底部的固定端面發(fā)生反射，然后反射回自由端被傳感器接收。而腐蝕試件中，由于腐蝕的存在，激振波的能量被重新分配，分為透射波和反射波，透射波繼續(xù)傳播，也可再次被腐蝕進(jìn)行能量重新分配，最終，反射回的各個(gè)反射波可以互相疊加，其聲發(fā)射信號(hào)的幅值就會(huì)增大[6]。

圖3 正常試件和腐蝕試件的時(shí)頻

對(duì)比2試件的聲發(fā)射信號(hào)的頻域圖可知，腐蝕影響聲發(fā)射信號(hào)幅值和頻率響應(yīng)，并且呈現(xiàn)出一種正相關(guān)的趨勢(shì)，但是，頻譜與腐蝕的相關(guān)性卻不能由圖讀出。因此，需要對(duì)錨桿的腐蝕信號(hào)進(jìn)行量化分析。

3 聲發(fā)射信號(hào)的小波分析

為了更細(xì)致地對(duì)錨桿的腐蝕信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分析[7～9]。

對(duì)于一個(gè)平方可積的信號(hào)ψ(t)，其傅里葉變換為ψ(ω)，若ψ(ω)滿足

(1)

式中ψ(t)為小波基函數(shù)，將小波基函數(shù)進(jìn)行伸縮和平移后得到一個(gè)小波序列

(2)

式中a為尺度因子；b為時(shí)間因子。

對(duì)于任意平方可積信號(hào)f(x)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換的定義為

=〈f(x),ψa,b(x)〉

(3)

則其重構(gòu)信號(hào)為

(4)

由以上公式可以看出,小波變換對(duì)不同的頻率在時(shí)域上的取樣步長(zhǎng)是可調(diào)節(jié)的,即在低頻時(shí)頻率細(xì)分，高頻時(shí)時(shí)間細(xì)分,符合低頻信號(hào)變化緩慢而高頻信號(hào)變化迅速的特點(diǎn)[9]，因此，小波分析可以將信號(hào)中的高頻部分細(xì)致處理。利用db 5小波對(duì)圖2(b)中的信號(hào)進(jìn)行5個(gè)尺度的小波變換，分解后的各頻段波形如圖4。

圖4 小波分解的各尺度波形

能量是聲發(fā)射信號(hào)分析中一個(gè)很重要的表征參量,其定義式為

(5)

式中R為電壓測(cè)量電路中的輸入電阻值；V(t)為與時(shí)間有關(guān)的電壓。

由式(5)知，將聲發(fā)射信號(hào)的幅度平方，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波，求出檢波后的包絡(luò)線所圍的面積，即為聲發(fā)射信號(hào)的能量，用類似的方法可以計(jì)算出分解后各細(xì)節(jié)信號(hào)的能量，然后與總能量作比，即得出能量比

(6)

由表1可知，經(jīng)過小波分解后第2,3和第4級(jí)的信號(hào)所攜帶的能量占總能量的85 %以上,是信號(hào)的主能量頻帶,結(jié)合分析小波變換后各級(jí)的信號(hào)時(shí)域波形,同樣能獲得類似的結(jié)論,即第2,3和第4級(jí)的分解信號(hào)能夠表征錨桿腐蝕的關(guān)鍵信息。因此,第2,3和第4級(jí)的分解信號(hào)占比可以作為分析錨桿腐蝕的特征數(shù)值。

對(duì)比第2,3和第4級(jí)的分解信號(hào)占比可知，錨桿的腐蝕會(huì)增加高頻段的能量占比，驗(yàn)證了上述結(jié)論，并且第2，3級(jí)的能量占比和已經(jīng)超過85 %，可以表征為腐蝕的特征數(shù)值。據(jù)此可知，第2，3和第4級(jí)的信號(hào)能量占比可以作為錨桿腐蝕的特征參數(shù)，第2，3級(jí)的能量占比和可以作為評(píng)估錨桿腐蝕的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在檢測(cè)高壓輸電塔錨桿的腐蝕檢測(cè)中，并通過對(duì)接收的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析和小波分析，發(fā)現(xiàn)了信號(hào)頻率、信號(hào)能量與腐蝕之間具有相關(guān)性，因此，聲發(fā)射技術(shù)可以用于高壓輸電塔錨桿的腐蝕檢測(cè)工作。但是由于實(shí)際環(huán)境中的復(fù)雜性，以及腐蝕的多樣性，在采用聲發(fā)射技術(shù)做深入研究時(shí)還需做更多的工作。

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Applicationofacousticemissiontechnologyinhigh-voltagetransmissiontoweranchorcorrosiondetection*

LIU Dong-sheng， WAN Zhou

(SchoolofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650000,China)

Apply the moment state force on the top of anchor of high-voltage transmission tower,acoustic emission(AE) sensor setting on anchor will recieve reflecting signal.Then the signal are analyzed by time-frequency analysis and wavelet analysis.It is found that there are clear correlation between the energy,characteristic frequency of AE signals and the corrosion of anchor.therefore AE technology can be used for the detection in transmission tower anchor corrosion.

anchor； acoustic emission(AE)； time-frequency analysis； wavelet analysis

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0158—03

TG 115.28

A

1000—9787(2017)11—0158—03

2016—09—24

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013QK104)；云南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013ynzjkj102)

劉東生(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅骷夹g(shù)。

萬 舟(1960-),男，通訊作者，副教授，從事PVDF壓電材料研究和新型傳感器技術(shù)研究工作，E—mail:ynkgwz@aliyun.com。