电压放大器基于压电波动法的装配式桥梁灌浆套筒缺陷检测实验的应用
实验名称：基于压电波动法的装配式桥梁灌浆套筒缺陷检测实验
研究方向：土木工程/结构健康监测、装配式桥梁灌浆套筒施工质量的无损检测技术、压电陶瓷传感器在混凝土结构无损检测中的应用、压电波动法与小波包能量分析。
实验目的：设计了无灌浆质量缺陷的标准试验组和有不同缺陷的灌浆套筒，在灌浆套筒内布置压电陶瓷驱动器与传感器。将信号发生器产生的信号通过功率放大器放大100倍之后作用在压电陶瓷驱动器上，转换后的应力波经灌浆料与钢筋传播后被传感器压电陶瓷接收，并最终由示波器接收并显示。通过对健康试件与缺陷试件的信号峰峰值以及小波包能量进行对比可得出灌浆套筒的缺陷程度。
测试设备：压电陶瓷片（PZT5A，直径5mm，厚度2mm，驱动器与传感器，实现电-机械信号转换）、灌浆套筒试件（GTJB4-20半灌浆套筒，模拟实际工程中的缺陷场景）、灌浆料强度（60Mpa，试件填充材料）、信号发生器（产生40kHz正弦激励信号）、高压放大器（放大倍数100倍，将信号电压放大至500V）、示波器（采集并显示接收信号，采样时间240μs）等。
图：实验框图
实验过程：
1.试件制备
（1）制作健康试件（H1-H3）及4类缺陷试件（密实度、空气腔、水料比、锚固缺陷），具体参数（见表1）。
�。�2）压电陶瓷布置（见图2）试验现场照片：
驱动器：粘贴于锚固段钢筋顶端光滑断面中心点。
传感器：埋入套筒进浆口以下1mm处的灌浆料中，用环氧树脂制作0.1mm厚防水层，并用钢丝固定，测试绝缘性（电阻无穷大）。
2.灌浆与养护
（1）采用电动注浆机从进浆口注浆,出浆口出浆后封堵,持续注浆至砂浆体积不再减少,封堵注浆口。
�。�2）标准条件下养护28天。
3.信号采集
�。�1）通过信号发生器产生40kHz正弦波，经放大器放大后驱动压电陶瓷。
�。�2）传感器接收应力波信号，示波器记录时域数据。
4.信号处理
�。�1）时域分析：对比健康与缺陷试件的峰峰值（见图3、图4）。
图3：不同试件的时域信号
图4：各试件峰峰值
�。�2）小波包能量分析：采用Python进行3层分解，计算总能量（图5）。
图5：不同缺陷试件小波包总能量
实验结果：使用压电陶瓷在灌浆套筒内部进行检测能够对存在不同程度缺陷的灌浆套筒进行有效识别，且信号的峰峰值能够初步判断该灌浆套筒内部是否存在缺陷
1.时域信号：
缺陷试件峰峰值显著高于健康试件（如M68试件峰峰值为健康试件的2.3倍）。
缺陷体积占比越大，信号幅值越高（密实度缺陷10%时增幅达1.9倍）。
2.小波包能量：
空气腔缺陷（M68）能量为健康试件的3.3倍，密实度缺陷（D30）为1.9倍。
能量变化与缺陷程度呈正相关（见图5）。
3.缺陷评价指标（DI）
提出基于小波包能量的定量指标（式1），建议DI≥0.10为缺陷临界值（见表2）。
式1
表2：各试件的DI值
放大器在该实验中发挥的效能：在该实验中放大器将信号发生器输出的低电压信号放大至500V高压，确保压电陶瓷驱动器产生足够强度的应力波。且放大器的高增益（100倍）保障信号穿透灌浆料介质。低噪声避免信号失真，提升缺陷检测灵敏度。
威尼斯ATA-2161高压放大器：
图：ATA-2161高压放大器指标参数
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