實(shí)驗(yàn)名稱：基于壓電陶瓷的混凝土損傷識(shí)別與監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)利用基于壓電陶瓷的波傳播分析法監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部損傷的原理是，將壓電智能骨料埋放在混凝土內(nèi)部的預(yù)定位置,通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定電壓的激勵(lì)信號(hào)，由于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，智能骨料接收到激勵(lì)信號(hào)后發(fā)生軸向變形帶動(dòng)其周圍混凝土變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波將會(huì)在混凝土待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部傳播，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)其他智能骨料處時(shí)，智能骨料同樣發(fā)生軸向變形，在正壓電效應(yīng)作用下，產(chǎn)生電信號(hào)被數(shù)據(jù)采集裝置接收。當(dāng)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷時(shí)，由于傳播介質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波的波形、傳播路徑以及能量發(fā)生變化，具體體現(xiàn)在傳感器所接受到的信號(hào)的幅值、能量、波形等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)分析混凝士在健康狀況下和損傷狀況下接收信號(hào)之間的差異來(lái)確定混凝土內(nèi)部是否存在損傷并預(yù)估損傷范圍。

圖a：實(shí)驗(yàn)儀器

在本章實(shí)驗(yàn)中，為了模擬實(shí)際工程之中常見的混凝土內(nèi)部缺陷，設(shè)計(jì)了尺寸為550x150x150mm3混凝土試塊。通過(guò)在混凝土試塊中埋放不同尺寸大小的塑料球，使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)介質(zhì)不均勻的區(qū)域，以此來(lái)模擬混凝土內(nèi)部損傷。每個(gè)試件中埋放了一對(duì)智能骨料，一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)器另一個(gè)作為傳感器。用鐵絲將智能骨料固定在模具內(nèi)，防止在振動(dòng)時(shí)智能骨料發(fā)生松動(dòng)或者移位，將混凝上通過(guò)機(jī)械拌制振搗然后澆筑。最后在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)灑水養(yǎng)護(hù)28D。智能骨料之間距離為400mm，智能骨料中心距試塊底面的距離為75mm。

圖b：骨料布置方式

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-P2010功率放大器、智能骨料、數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：預(yù)先將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和傳感器安放在混凝土試件內(nèi)的預(yù)定位置，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)特定的電壓信號(hào)，其頻率為100Hz-20KHz，幅值為3V。由于應(yīng)力波在混凝土中的衰減極為迅速，為了保證接收端傳感器能夠完整地接收傳播信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大器將信號(hào)功率放大，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器對(duì)信號(hào)放大后，信號(hào)到達(dá)作為激勵(lì)端的智能骨料驅(qū)動(dòng)器，在逆壓電效應(yīng)作用下，使得驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)其周圍介質(zhì)變形產(chǎn)生應(yīng)力波，然后應(yīng)力波在試件中傳播，最終應(yīng)力波到達(dá)作為接收端的智能骨料傳感器，引起傳感器變形，在正壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生電信號(hào)，再由信號(hào)采集裝置對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行接收存儲(chǔ)。在應(yīng)力波的傳播過(guò)程中,如果試件內(nèi)部存在損傷,即該處傳播介質(zhì)發(fā)生變化,應(yīng)力波在此處會(huì)發(fā)生反射、衍射及折射等現(xiàn)象，導(dǎo)致其傳播路徑及能量等發(fā)生變化，通過(guò)比較不同損傷狀態(tài)下收集到的信號(hào)之間的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土健康狀況的評(píng)估。

圖c：信號(hào)時(shí)域圖（圖c分別代表(a)健康狀況、(b)損傷范圍為30、(c)損傷范圍為60、(d)損傷范圍為90時(shí)傳感器接收信號(hào)的時(shí)域圖）

圖d：不同損傷情況下信號(hào)的最大幅值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：由上圖c圖d可知，以健康狀況下時(shí)域信號(hào)為參考，不同工況下的時(shí)域信號(hào)隨著內(nèi)部缺陷范圍的變化而變化。通過(guò)對(duì)比不同工況下試塊的時(shí)域信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)健康狀況下試件接收時(shí)域信號(hào)幅值最大，當(dāng)試塊的內(nèi)部存在缺陷時(shí)，根據(jù)上文應(yīng)力波在混凝土中的傳播特性可知，應(yīng)力波傳播過(guò)程中到達(dá)缺陷位置時(shí)，由于傳播介質(zhì)的變化會(huì)發(fā)生折射等現(xiàn)象，內(nèi)部缺陷會(huì)加劇信號(hào)的衰減。表現(xiàn)在接收信號(hào)上可以發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部缺陷的試塊接收到的時(shí)域信號(hào)幅值存在明顯的降低。根據(jù)時(shí)域信號(hào)最大的幅值降低規(guī)律可知，隨著內(nèi)部缺陷范圍的增加，信號(hào)衰減程度進(jìn)一步加劇。將各種工況下時(shí)域信號(hào)最大的幅值進(jìn)行排列:健康狀況>內(nèi)部缺陷范圍30>內(nèi)部缺陷范圍60>內(nèi)部缺陷范圍90，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了利用時(shí)域信號(hào)幅值的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部損傷的識(shí)別。

圖：ATA-P系列功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇