功率放大器在海底管道悬跨振动检测试验中的应用

实验名称:海底管道悬跨振动检测试验

研究方向：管道悬跨诊断

实验内容:利用信号源、功率放大器、激振器激励管道振动，模拟海底管道在洋流的冲刷作用下产生振动；利用管道内检测器检测振动。

测试目的：使管道产生类似于洋流激励的振动，利用内检测器检测振动。

测试设备:信号源、功率放大器ATA-3080、激振器、管道

放大器型号:ATA-3080

实验过程:

1. 在管道的一端利用鼓风机向管内吹气，推动管内球向前滚动。为了能使球像在现场管道里那样处于匀速滚动的稳态，需要控制风力的大小。
2. 通过连续调节鼓风机的供电电压实现对风速的连续调节。考虑到球从静止到速度稳定是一个加速过程，在激振管道的上游又连接了一根缓冲管，使球在进入激振管道前就完成加速并达到恒速滚动的稳态。
3. 两节管道之间采用柔性橡胶连接，使缓冲管道不干扰激振管道的振动。激振管道两端采取固定支撑，来模拟实际的悬跨海底管道。

1. 电脑控制数据采集卡产生激励信号，经过功率放大器放大后，输送给激振器，激励管道沿竖直方向振动。
2. 考虑到在海底，洋流平行于海床，而涡激振动方向又与洋流方向垂直，所以给管道施加的激励是竖直方向的。激光位移传感器实时测量管道的振动位移，作为参考。
3. 采用3D打印技术制作了50mm直径的光敏树脂球壳，内部设置了固定三轴加速度计的结构，加速度计采用小型锂电池供电。
4. 在球内部添加了两条钢柱来调节它的质量分布，使球稳定地围绕转动惯量大的轴旋转。检测完毕后，取出球与电脑相连接，下载数据，通过离线处理加速度信号识别出管道振动。

测试结果：

1. 下图（e）是原始加速度信号三分量的平方和，图（f）是去除了直流偏置的加速度三分量的平方和。

1. 可以看到，去除各个分量直流以前，a^2包含很强的代表球转动的低频信息，且还包含一些其他高频信息。去除各个分量直流以后，a^2变成a~^2，相当于把向心加速度去除了，与f1相关的低频信息消失了，a~^2包含很强的代表管道振动的高频信息，这有利于识别管道的振动。
2. 当管道振幅较大时，a^2频域包含5个峰。其中代表球的滚动频率f1的峰，很容易利用其他管段的数据识别，因为其他不振动管段里球测得的加速度信号就只有f1成分。另外4个峰，对应f2，2 f2，f2+ f1，f2- f1，后三个的幅值跟很多因素有关，有时还会接近甚至超过f2的幅值，无法判断那个是f2的峰。通过对加速度各个分量进行去直流处理，获得a~^2，可以削弱f2+ f1和f2- f1的幅值，只保留f2和2 f2峰。
3. 如右下图所示的频域曲线，红色曲线是利用去除了直流的加速度分量计算的，蓝色曲线是利用原始加速度分量计算的。显然，通过去直流，与f1相关的峰值都有了明显的减弱，而去直流前后f2和2 f2几乎没有任何改变。可以轻易地确定f2和2f2对应的峰值，然后可以得到f2的值。如果管道振幅足够大，2f2也会比较明显，可以通过二倍频的关系进一步确认f2。

放大器在该实验中发挥的效能:放大激励信号，输入给激振器。

选择该放大器的原因:功率大、带宽够。