声发射技术在高压输电塔锚杆腐蚀检测中的应用*

刘东生， 万 舟

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000)

应用技术

声发射技术在高压输电塔锚杆腐蚀检测中的应用*

刘东生， 万 舟

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650000)

在高压输电塔的锚杆顶端施加一瞬态激振力，由布设在锚杆顶端的声发射传感器接收反射的信号。对接收的声发射信号进行了时频分析和小波分析。通过对比可以看出，声发射信号的特征频率、能量与腐蚀的状况有很好的相关性。因此，声发射技术是一种可靠有效的检测高压输电塔锚杆腐蚀的方法。

锚杆； 声发射； 时频分析； 小波分析

0 引 言

高压输电塔的锚杆属于隐蔽构件，工况直接关系到高压输电塔结构的安全运行。锚杆处于密闭潮湿、永久浸泡的环境中，易发生各种腐蚀，受到破坏，而且具有隐蔽性，造成灾难性的事故。在国内，对锚杆的腐蚀检测处于起步阶段，施工早期对锚杆的施工只侧重于力学计算，忽视了锚杆的耐久性[1]。传统的检测方法往往并不准确而且比较费工、费时，而且仅限于抽查，无法做到实时测试。

声发射技术是最近兴起的一种的无损检测方法，在结构件结构损伤、腐蚀检测等方面得到广泛应用[2]。该方法将锚杆的结构简化为钢杆和其周围的介质两层结构进行研究，在瞬态激振作用下，锚杆中腐蚀的位置反射声发射信号，到达锚杆的自由端，引起声发射传感器位移，进而转换成电信号，被放大、记录、保存。

1 实验装置和方法

实验锚杆试件如图1所示，由试件(分别为正常锚杆和腐蚀锚杆，试件腐蚀在实验室条件下，浸泡在酸性溶液72 h形成)、前置放大器、信号调理板和传感器组成。其中锚杆为螺纹钢锚杆，锚杆周围介质为水灰比为0.5的水泥砂浆。制作锚杆试件时,首先将锚杆固定在PVC管中间，然后用水泥净浆进行浇注，在浇注的一端留出4～5 cm锚杆的自由端。

声波产生需要自激振动或者外界施加某种激励[3]。高压输电塔在运营期间，锚杆一直处于工作载荷，在持续的载荷作用下，锚杆仍会产生大量的声发射信号，特别是在载荷的连续变化情况下，声发射信号的强度比较强。

实验室中，瞬态激振是测量和评估结构动力特性最为普遍的激振方法，而用力锤敲击产生脉冲激振的方法最为广泛。力锤作用于锚杆的自由段，引起自由段的振动并以一定的速度(或加速度)沿杆向固定端传播(设此时速度方向为正，当波阵面到达腐蚀位置时或者固定端，速度(或加速度)反射为反向的速度(或加速度)，该反向的速度(或加速度)在自由端反射后仍然是速度(或加速度)，此时自由端的速度(或加速度)为负，幅值为原来的2倍。反射的速度(或加速度)可以被传感器接收，接收到的信号经过放大器和信号调理板之后上传计算机。

图1 实验装置示意

2 声发射信号的时频分析

因受实验结构本身、测试仪器以及电源、环境等因素的影响，检测仪器采集到的信号往往混有大量的噪声，需要进行必要的预处理，通过大量的实验，确定实验过程中产生的噪声信号频率主要集中在低频范围 0～60 kHz 之间，如图2 所示，可以直接采用滤波的方式进行去噪。

通过声发射技术检测的信号样本中，含有复杂的声信号[4]。产生的腐蚀声发射信号通常可分为连续型信号和突发型信号。突发型信号指当瞬态激振波到达腐蚀位置时产生一种瞬态弹性波反射到的声发射传感器中，是基于一种瞬态能量的释放，连续型信号可以认为是连续的突发型信号，信号的幅值分布在时域无法区分[5]。在锚杆中，由于腐蚀位置的声发射源的不规律性和随机性决定了腐蚀声发射信号是一种非平稳的随机信号。

图2 噪声信号与腐蚀信号

图3为采集到的正常锚杆和腐蚀锚杆的声发射信号的时频波形。可以看出，正常锚杆的声发射信号的幅值较低，而腐蚀锚杆的幅值较高。这是因为，正常锚杆自由端的振动在传播中只在杆底部的固定端面发生反射，然后反射回自由端被传感器接收。而腐蚀试件中，由于腐蚀的存在，激振波的能量被重新分配，分为透射波和反射波，透射波继续传播，也可再次被腐蚀进行能量重新分配，最终，反射回的各个反射波可以互相叠加，其声发射信号的幅值就会增大[6]。

图3 正常试件和腐蚀试件的时频

对比2试件的声发射信号的频域图可知，腐蚀影响声发射信号幅值和频率响应，并且呈现出一种正相关的趋势，但是，频谱与腐蚀的相关性却不能由图读出。因此，需要对锚杆的腐蚀信号进行量化分析。

3 声发射信号的小波分析

为了更细致地对锚杆的腐蚀信号进行分析，对声发射信号进行小波分析[7～9]。

对于一个平方可积的信号ψ(t)，其傅里叶变换为ψ(ω)，若ψ(ω)满足

(1)

式中ψ(t)为小波基函数，将小波基函数进行伸缩和平移后得到一个小波序列

(2)

式中a为尺度因子；b为时间因子。

对于任意平方可积信号f(x)∈L2(R)，其连续小波变换的定义为

=〈f(x),ψa,b(x)〉

(3)

则其重构信号为

(4)

由以上公式可以看出,小波变换对不同的频率在时域上的取样步长是可调节的,即在低频时频率细分，高频时时间细分,符合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅速的特点[9]，因此，小波分析可以将信号中的高频部分细致处理。利用db 5小波对图2(b)中的信号进行5个尺度的小波变换，分解后的各频段波形如图4。

图4 小波分解的各尺度波形

能量是声发射信号分析中一个很重要的表征参量,其定义式为

(5)

式中R为电压测量电路中的输入电阻值；V(t)为与时间有关的电压。

由式(5)知，将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，即为声发射信号的能量，用类似的方法可以计算出分解后各细节信号的能量，然后与总能量作比，即得出能量比

(6)

由表1可知，经过小波分解后第2,3和第4级的信号所携带的能量占总能量的85 %以上,是信号的主能量频带,结合分析小波变换后各级的信号时域波形,同样能获得类似的结论,即第2,3和第4级的分解信号能够表征锚杆腐蚀的关键信息。因此,第2,3和第4级的分解信号占比可以作为分析锚杆腐蚀的特征数值。

对比第2,3和第4级的分解信号占比可知，锚杆的腐蚀会增加高频段的能量占比，验证了上述结论，并且第2，3级的能量占比和已经超过85 %，可以表征为腐蚀的特征数值。据此可知，第2，3和第4级的信号能量占比可以作为锚杆腐蚀的特征参数，第2，3级的能量占比和可以作为评估锚杆腐蚀的一个标准。

4 结 论

首次将声发射技术应用在检测高压输电塔锚杆的腐蚀检测中，并通过对接收的声发射信号进行时频分析和小波分析，发现了信号频率、信号能量与腐蚀之间具有相关性，因此，声发射技术可以用于高压输电塔锚杆的腐蚀检测工作。但是由于实际环境中的复杂性，以及腐蚀的多样性，在采用声发射技术做深入研究时还需做更多的工作。

[1] 张志强,李国禄,王海斗，等.基于声发射技术的接触疲劳失效检测应用与研究[J].无损检测,2012,34(1):66-72.

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[6] 马 豪,尹健龙,李东升.基于小波分解的磨床声发射特征信号提取方法[J].传感器与微系统,2016,35(7):13-15.

[7] 陈晓智,李蓓智,杨建国.基于小波分析的声发射刀具状态判析[J].传感器与微系统,2006,25(6):19-21，24.

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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

国家质检总局科技计划基金资助项目(2013QK104)；云南省质量技术监督局科技计划基金资助项目(2013ynzjkj102)

刘东生(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为新型传感器技术。

万 舟(1960-),男，通讯作者，副教授，从事PVDF压电材料研究和新型传感器技术研究工作，E—mail:ynkgwz@aliyun.com。