聲發(fā)射技術在高壓輸電塔錨桿腐蝕檢測中的應用*

劉東生， 萬 舟

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000)

應用技術

聲發(fā)射技術在高壓輸電塔錨桿腐蝕檢測中的應用*

劉東生， 萬 舟

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，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，由布設在錨桿頂端的聲發(fā)射傳感器接收反射的信號。對接收的聲發(fā)射信號進行了時頻分析和小波分析。通過對比可以看出，聲發(fā)射信號的特征頻率、能量與腐蝕的狀況有很好的相關性。因此，聲發(fā)射技術是一種可靠有效的檢測高壓輸電塔錨桿腐蝕的方法。

錨桿； 聲發(fā)射； 時頻分析； 小波分析

0 引 言

高壓輸電塔的錨桿屬于隱蔽構件，工況直接關系到高壓輸電塔結構的安全運行。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，造成災難性的事故。在國內(nèi)，對錨桿的腐蝕檢測處于起步階段，施工早期對錨桿的施工只側(cè)重于力學計算，忽視了錨桿的耐久性[1]。傳統(tǒng)的檢測方法往往并不準確而且比較費工、費時，而且僅限于抽查，無法做到實時測試。

聲發(fā)射技術是最近興起的一種的無損檢測方法，在結構件結構損傷、腐蝕檢測等方面得到廣泛應用[2]。該方法將錨桿的結構簡化為鋼桿和其周圍的介質(zhì)兩層結構進行研究，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，到達錨桿的自由端，引起聲發(fā)射傳感器位移，進而轉(zhuǎn)換成電信號，被放大、記錄、保存。

1 實驗裝置和方法

實驗錨桿試件如圖1所示，由試件(分別為正常錨桿和腐蝕錨桿，試件腐蝕在實驗室條件下，浸泡在酸性溶液72 h形成)、前置放大器、信號調(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,首先將錨桿固定在PVC管中間，然后用水泥凈漿進行澆注，在澆注的一端留出4～5 cm錨桿的自由端。

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

實驗室中，瞬態(tài)激振是測量和評估結構動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，引起自由段的振動并以一定的速度(或加速度)沿桿向固定端傳播(設此時速度方向為正，當波陣面到達腐蝕位置時或者固定端，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)，此時自由端的速度(或加速度)為負，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，接收到的信號經(jīng)過放大器和信號調(diào)理板之后上傳計算機。

圖1 實驗裝置示意

2 聲發(fā)射信號的時頻分析

因受實驗結構本身、測試儀器以及電源、環(huán)境等因素的影響，檢測儀器采集到的信號往往混有大量的噪聲，需要進行必要的預處理，通過大量的實驗，確定實驗過程中產(chǎn)生的噪聲信號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行去噪。

通過聲發(fā)射技術檢測的信號樣本中，含有復雜的聲信號[4]。產(chǎn)生的腐蝕聲發(fā)射信號通?？煞譃檫B續(xù)型信號和突發(fā)型信號。突發(fā)型信號指當瞬態(tài)激振波到達腐蝕位置時產(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)型信號可以認為是連續(xù)的突發(fā)型信號，信號的幅值分布在時域無法區(qū)分[5]。在錨桿中，由于腐蝕位置的聲發(fā)射源的不規(guī)律性和隨機性決定了腐蝕聲發(fā)射信號是一種非平穩(wěn)的隨機信號。

圖2 噪聲信號與腐蝕信號

圖3為采集到的正常錨桿和腐蝕錨桿的聲發(fā)射信號的時頻波形。可以看出，正常錨桿的聲發(fā)射信號的幅值較低，而腐蝕錨桿的幅值較高。這是因為，正常錨桿自由端的振動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，也可再次被腐蝕進行能量重新分配，最終，反射回的各個反射波可以互相疊加，其聲發(fā)射信號的幅值就會增大[6]。

圖3 正常試件和腐蝕試件的時頻

對比2試件的聲發(fā)射信號的頻域圖可知，腐蝕影響聲發(fā)射信號幅值和頻率響應，并且呈現(xiàn)出一種正相關的趨勢，但是，頻譜與腐蝕的相關性卻不能由圖讀出。因此，需要對錨桿的腐蝕信號進行量化分析。

3 聲發(fā)射信號的小波分析

為了更細致地對錨桿的腐蝕信號進行分析，對聲發(fā)射信號進行小波分析[7～9]。

對于一個平方可積的信號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)進行伸縮和平移后得到一個小波序列

(2)

式中a為尺度因子；b為時間因子。

對于任意平方可積信號f(x)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換的定義為

=〈f(x),ψa,b(x)〉

(3)

則其重構信號為

(4)

由以上公式可以看出,小波變換對不同的頻率在時域上的取樣步長是可調(diào)節(jié)的,即在低頻時頻率細分，高頻時時間細分,符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點[9]，因此，小波分析可以將信號中的高頻部分細致處理。利用db 5小波對圖2(b)中的信號進行5個尺度的小波變換，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)射信號分析中一個很重要的表征參量,其定義式為

(5)

式中R為電壓測量電路中的輸入電阻值；V(t)為與時間有關的電壓。

由式(5)知，將聲發(fā)射信號的幅度平方，然后進行包絡檢波，求出檢波后的包絡線所圍的面積，即為聲發(fā)射信號的能量，用類似的方法可以計算出分解后各細節(jié)信號的能量，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級的信號所攜帶的能量占總能量的85 %以上,是信號的主能量頻帶,結合分析小波變換后各級的信號時域波形,同樣能獲得類似的結論,即第2,3和第4級的分解信號能夠表征錨桿腐蝕的關鍵信息。因此,第2,3和第4級的分解信號占比可以作為分析錨桿腐蝕的特征數(shù)值。

對比第2,3和第4級的分解信號占比可知，錨桿的腐蝕會增加高頻段的能量占比，驗證了上述結論，并且第2，3級的能量占比和已經(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級的信號能量占比可以作為錨桿腐蝕的特征參數(shù)，第2，3級的能量占比和可以作為評估錨桿腐蝕的一個標準。

4 結 論

首次將聲發(fā)射技術應用在檢測高壓輸電塔錨桿的腐蝕檢測中，并通過對接收的聲發(fā)射信號進行時頻分析和小波分析，發(fā)現(xiàn)了信號頻率、信號能量與腐蝕之間具有相關性，因此，聲發(fā)射技術可以用于高壓輸電塔錨桿的腐蝕檢測工作。但是由于實際環(huán)境中的復雜性，以及腐蝕的多樣性，在采用聲發(fā)射技術做深入研究時還需做更多的工作。

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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

國家質(zhì)檢總局科技計劃基金資助項目(2013QK104)；云南省質(zhì)量技術監(jiān)督局科技計劃基金資助項目(2013ynzjkj102)

劉東生(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新型傳感器技術。

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研究工作，E—mail:ynkgwz@aliyun.com。