高压电塔锚杆的腐蚀检测研究

国网山东邹城市供电公司 吕 峰

淄博市建筑设计研究院 张 振

高压电塔锚杆的腐蚀检测研究

国网山东邹城市供电公司 吕 峰

淄博市建筑设计研究院 张 振

在实际工程中，高压电塔锚杆的腐蚀引起电塔结构严重破坏的屡见不鲜，对电塔锚杆定期进行腐蚀检测非常有必要。本文论述了一种方法，利用激振锤（力锤）敲击锚头或者露出锚杆，通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应，从而能够快速、简单地测试锚杆的现有工作载荷，实现锚杆的无损检测。使用压电加速度传感器适用于测量非电物理量，特别是在振动与冲击测量中有很好的效果。

锚杆；无损检测；压电式加速度传感器；载荷

1 引言

岩土锚固技术起源于一百多年前的英国，其利用预应力钢材的高抗拉强度，并依托岩土体自身强度和自稳性，增强了施工过程中的安全性。该技术解决施工中复杂岩土工程问题成本低效果好。

在施工过程中，锚杆的耐久性与施工中埋放的岩层和土体有直接关系，环境的腐蚀是导致锚杆使用寿命缩短的最大因素。锚杆的使用寿命与其腐蚀破坏程度有直接的关系。锚杆锚固具有高度的隐蔽性，常用检测方法破坏性强，操作复杂。因此，锚杆无损腐蚀检测工作是整个锚固工程中不可缺少的环节。

高压电塔的锚杆需要具备以下三个因素，才能起到稳固电塔的作用。（1）锚杆杆体的抗拉强度高于施工中埋入的岩土体。（2）锚杆杆体一端施工时埋入岩土体，形成摩擦（或粘结）阻力。（3）岩土体外部锚杆杆体一端对岩土体形成径向阻力。

高压电塔锚杆由于深埋在潮湿土壤中，形成原电池产生电化学作用，导致锚杆的腐蚀。腐蚀后的锚杆工作载荷会有些松弛，通过冲击锤多次敲击锚杆的同一位置，引起锚杆纵向振动，通过传感器将收集来的响应数据放入已经建立好的数学模型中，进而可以得到锚杆的现有工作载荷。

2 锚杆无损检测研究概况

锚杆无损检测方法近年来发展迅速，主要有声波发射检测法、超声波检测法和应力波检测法。M.D.Beard通过超声波来检测锚杆，采集到能量速率、信号相速率和衰减系数绘制出对应频散曲线进行分析，结合固有因素如土质结构模量、环氧曾模量、锚固的质量等因素对测试结果的影响，基于高频、低频时最理想的激振频率设计出专门的激振传感器[1]。通过超声波原理、人工神经网络实现对锚杆完整性的预测和无损检测，将非线性动力学系统在灰色系统的质量预测中得以运用。在模型试验中利用声频应力波来快速检测高压铁塔锚杆锚固质量和无损拉拔实验，将相应模型结合到实际的电力工程运用中[2]。本文利用激振锤（力锤）敲击锚头或者露出锚杆，通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应，从而能够快速、简单地测试锚杆的现有工作载荷，实现锚杆的无损检测。

3 压电式加速度传感器

3.1 晶体的正压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。并通过这种效应设计出该实验中所用的压电式传感器[3]。

3.2 压电加速度传感器的工作原理

压电式加速度传感器是一种发电式传感器，结合某些物质特有的压电效应设计出，具有使用简单、体积小、量程大、工作可靠、灵敏度高等优点，广泛的应用在各种振动与冲击测量试验[4]。

图3-1 压电加速度传感器工作原理示意图

压电式加速度传感器由三部分组成，分别是质量块、压电元件和支座。支座与待测量物体紧密结合在一起。当物体产生运动时，支座与物体产生相同的加速度沿同一方向运动，此时压电元件收到质量块的惯性力作用，方向与支座加速度方向相反。不同的作用力使晶体表面电荷运动，产生交变电荷（电压）。在物体振动频率低时（远远小于固有频率），传感器的输出电荷（电压）与收到的作用力成正相关。

电信号通过放大器进行放大，由测量仪器测得电压大小，计算出该物体的加速度。

压电传感器的频响特性：

图3-2 压电加速度传感器二阶系统物理模型

压电加速度传感器灵敏度与频率的关系式为：

其中： 为相对阻尼系数， 为传感器固有角频率， 为压电元件的弹性系数， 为压电系数， 为加速度振幅， 为振动体振动角频率。

上式表明了压电加速度传感器灵敏度与频率的关系。如果想要使传感器的电荷灵敏度近似为一个常数，令振动体的角振动频率远远小于传感器的固有频率。测量回路的时间常数与传感器的低频相应密切相关，时间常数越大，低频相应效果越好。我们想要减少传感器中检测的参考量，尽可能的减少相关参数，使传感器自身的机械参数只与传感器自身的高频相应相关，即只需传感器的固有频率远远低于放大器的高频截止频率[5]。由此可知，压电式传感器的高频响应不需要考虑其他参数，只与本身机械参数决定的固有频率相关。

4 锚杆腐蚀的检测方法

4.1 锚杆腐蚀的形成

金属腐蚀是指金属物体与周围环境产生物理或者化学作用，使物体的金属性能发生变化，金属物体原有的功能退化。而金属腐蚀按照机理分类，包括化学腐蚀和电化学腐蚀两类。

金属表面在高温气体或非电解质溶液发生化学作用引起化学腐蚀，其本质是金属发生氧化，没有电流产生，如钢铁在高温下的氧化现象。

金属表面在介质如潮湿空气、电解质溶液中，因形成原电池而发生的电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀，这是金属腐蚀中最普遍的现象，其本质是较活泼金属被氧化，一般意义上的金属腐蚀指的就是金属的电化学腐蚀。本文研究的高压电塔锚杆的腐蚀为电化学腐蚀。

4.2 检测基本原理

在施工过程中，锚固介质和周围岩土也影响锚固的锚杆。锚杆—锚固介质协同工作时，周围环境对其产生的影响非常复杂。我们对其作如下假设，来简化该模型的计算：（1）在弹性限度内锚杆所受激振动，杆体内各质点的位移、应力和应变之间的关系都服从弹性胡克定律。（2）在低应变情况下，锚杆材料近似满足均匀或分段均匀且各向同性。（3）在锚杆受激振动时，其截面保持为平面，假设同一截面上所有质点位移的方向和大小都是一致的，则不存在相位的差别或振动的超前或滞后现象[6]。

锚杆的工作荷载与周围地质结构、温度、锚杆布置参数等诸多因素有关，它是影响锚固质量的关键参数。结合理论数据，锚杆的工作荷载F可以用其在激发载荷作用下系统的振动频率f的幂函数来表示，即：

其中：L为锚杆的长度，f为锚杆的振动频率，Vc为激发应力波在锚杆杆体中的传播速度，用超声波测得Vc=5070m/s，E为锚杆杆体弹性模量，A为锚杆的横截面面积。

所以，主要测量参数为，在冲击锤的作用下，锚杆受激振动的频率。但是，从压电式加速度传感器输出电信号太弱，并且存在阻抗匹配问题，需要将信号输入测量仪器前，通过一个前置放大器放大微弱信号，如图4-1，是压电传感器的测量系统：

图4-1 测量系统图

图4-2 等效检测电路

4.3 检测电路—电荷放大电路

本文中使用的检测电路为电荷放大电路，等效电路图如图4-2所示。

图4-2中物理量分别表示：Ca—等效电容，Cc—电缆电容，Ci—电荷放大器的输入电容，Ra—绝缘漏电阻，Ri—输入阻抗，Rf—并联在反馈电容两端的漏电阻。

电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，它具有深度电容负反馈的高输入阻抗的高增益运算放大器。在电荷放大器中利用电容通交阻直的特性作为负反馈，对电缆噪声比较敏感，防止其零漂较大而产生误差。并且在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf（约1010一1014Ω），提供直流反馈减小零漂，使放大器工作稳定。

设压电加速度传感器运算中的供电角频率为 ，由模拟电路中的“虚短”和“虚断”理论可推出放大器的输出电压：

表达式中的绝缘漏电阻Ra，输入电阻Ri和漏电阻Rf相当大时，可对输出电压表达式化简得到：

实际电路中，我们在运算放大器开环增益的设定中约为A的104~106数量级，使得（1+A）Cf远远大于Ca+Cc+Ci，因此可忽略不计传感器自身的电容电缆容抗和放大器的输入容抗，得到放大器的输出电压为：

根据以上输出电压U0的公式可知，将电荷放大器用于测量系统，输出电压U0的大小与电荷Q大小比成正比，与其他的参数无关。因为测量系统与电缆参数（电缆电容）无关，所以测量结果不受电缆相关参数影响，这是使用该放大器的优点[7]。

在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同以及后级放大器的输入信号太大，会使电路饱和，通过可调节电容Cf调节前置级的大小输出。并且，传感器与测量仪器之间的距离通过长电缆连接，使得自身噪声数值变大，降低了信噪比，使低电平振动的测量得到相应程度的限制。

然后将放大后的输出电压送入测量仪器中，仪器会根据电压的变化，绘制出其所对应的频率，进而可以得到锚杆的工作载荷F。

4.4 标定方案

标定方案选择灵敏度的比较法标定。比较法标定使用广泛，原理简单，操作操作简便，优点突出，比较法是传感器校准常用的方法[8]。比较法是将两只不同的加速度传感器紧贴在一起，安装在刚性支架上，一只传感器为已知传感器，作为参照标准，灵敏度和各项参数为已知；另一只传感器为待校准的传感器。使用相同的加速度激励两只传感器，标准传感器的输出为 ，Us、ks分别为标准加速度传感器的输出和灵敏度，待校准传感器的输出为 ，Ut、kt分别为待校准加速度传感器的输出和灵敏度，则有：

4.5 误差分析

本测试方法是在野外进行作业，一般加速度传感器在恶劣的环境下，如高温、潮 湿、电磁场，处在这种场合的加速度计如不采取措施，则会使测试产生很大误差，高压电塔周围也存在强磁场，所以使用时必须注意。

另外，测试电路——电荷运算放大器也会存在些许误差，具体如下：（1）反馈电容精度不够产生的误差。因为精度在0.5%的聚苯乙烯电容性价比较低，我们一般选用精度为1%的普通电容，所以输出电压的精度不可避免的受到电容精度的影响。（2）电路的设计与电路板制作工艺不足导致的误差。电路设计中为了简易电路板采用单层板，导致元件连线距离变长，并且一些精度要求较高的元件直接焊接在电路板上，没有采用绝缘柱，这些因素都会给电路带来一定的噪音干扰，降低输出精度。（3）电路没有较好的输入屏蔽导致一定的误差。标准电荷放大器的输入端和其他电路都进行了隔离，而且有良好的屏蔽罩屏蔽整个电路。一般的成品电荷放大器没有进行这样的处理。（4）绝缘电缆引起的误差。我们在使用电荷放大器时，很容易会忽略传感器到电荷放大器的传输导线对输出的影响。并且在实际测量过程中压电加速度传感器的绝缘电缆产生的影响很大，绝缘电缆的长度、固定位置及其固定方式等都会带来传感器的测量误差。

5 结论

本文介绍了高压电塔锚杆腐蚀检测的具体方案和设计过程，根据压电式传感器工作和测量原理设计腐蚀检测方案。利用冲击力使底端固定的锚杆发生振动，通过采集锚杆的振动频率可得到现有的工作载荷，进而确定锚杆的腐蚀情况，防范于未然。在腐蚀度检测完成后，进行了相关的误差分析，为以后改进相关检测方案提供了改进方向。本文提出的检测方法对锚杆的设计和锚固机理的研究也有促进作用，更具有直接的社会、经济效益与广泛的推广应用前景。

[1]李晨.锚杆无损检测技术在煤矿巷道支护中的应用[J].金属材料与冶金工程,2012,40 :72-74.

[2]许明,张永兴,李燕.锚杆承载力的灰色系统预测法[J].地下空间,2003,23 (4):388-455.

[3]汪明武,王鹤龄.锚杆锚固质量无损检测技术的研究[J].工程地质学报,1999,7(1):126-130.

[4]陈至坤.基于压电加速度传感器的振动测量系统研究[J].计算机测量与控制.2014,22(12):3923-3925.

[5]孟祥程.基于振动响应的锚杆松弛评判方法[J].地下空间与工程学报,2015,2(11):103-107.

[6]李剑刚.锚杆工作荷载和振动基频的关系.煤炭科学技术[J].2007,7(35):89-94.

[7]张永兴.缺陷锚杆振动问题的数学模型及其求解[J].地下空间与工程学报,2005,2(1):62-66.

[8]陶玉贵.压电式加速度传感器测量电路的研究与开发[D].[硕士学位论文].安徽:安徽大学电子科学与技术学院,2007.