混凝土检测的超声波发射系统研究与设计

    近年来，混凝土结构损伤的主动超声检测引起了许多学者的关注，并在钢筋脱粘、裂纹等损伤检测的研究与应用中取得了较大的进展[1]. 在传统超声检测系统中，输入到被检结构中的超声波是超声换能器在高压脉冲激励下的响应，耦合到被测混凝土内的超声信号的时频特性完全取决于换能器和激励装置的固有特性（通常是一个有阻尼冲击响应）. 因此，检测时不能有针对性地选择输入信号的形式，也限制了人们对损伤性质与超声传播性质之间关系的研究，尤其是非线性影响的研究.同时，这种激励装置每次发射的能量和耦合效果不可能完全相同，所以检测过程有不确定性. 针对这一问题，我们研制了一种专门用于驱动压电陶瓷超声换能器的宽带、大功率放大器，并与适当的D/A 接口配合，使计算机生成的任意函数波形转换成超声波耦合到被测结构中，为研究结构损伤对超声波传播的影响，尤其是损伤的非线性现象提供方便；同时，该装置可向混凝土结构中发射 Morlet小波，利用 Morlet 小波在时域和频域的紧致性可研究损伤定位问题，并可观察裂纹造成的非线性现象. 本文介绍了这种驱动电路的设计、性能及应用.

    1 驱动电路设计与分析

    1.1 系统结构设计

    锆钛酸铅（plumbum(lead) zirconate titanate, PZT）陶瓷是目前广泛应用的一种压电陶瓷，用这种材料制成的超声换能器具有压电效应好、稳定性佳的特点[2, 3]可以作为超声激励器向混凝土等材料中发射超声波，又可以作为传感器在特定位置接受超声波，有利于结构损伤的超声检测研究与应用.

    混凝土材料组分复杂，其中密布的沙石和微小气孔对超声波的传播造成了很大的衰减，因此，需要较高的发射激励电压以获得足够的发射能量. 对于纯阻性负载，可以采用低压运算放大器加变压器升压的方法获得足够高的激励电压和驱动功率；但 PZT 是一个容性负载，当采用有变压器输出的功率放大器时，输出变压器与 PZT 之间形成一个 LC 回路，放大器的输出带宽和通带特性会受到负载大小、耦合方式的严重影响，不能用于检测. 为了解决上述问题，采用 APEX 公司生产的高压大功率运放作为主要功率放大部件. 考虑到损伤检测研究的实质就是在输入激励精确已知的情况下，对不同损伤情况的输出进行辨识，因此，输入信号的确定性是减少随机误差、提高检测准确性的关键. 为此，超声激励系统在功放电路中采用了电压负反馈以提高增益精度、抑制自激现象；另外在系统构成上，对实际作用在激励器上的电压信号进行采样，为分析损伤性质使用. 系统的总体结构如图 1 所示.