實(shí)驗(yàn)名稱：基于壓電智能傳感技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接健康監(jiān)測(cè)研究

研究方向：無(wú)損檢測(cè)

測(cè)試目的：

鋼結(jié)構(gòu)在安裝和使用過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)連接區(qū)較常見的兩類損傷：螺栓松動(dòng)和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究，提出了基于壓電智能傳感技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接健康監(jiān)測(cè)方法，以期為鋼結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供一定保障。具體研究?jī)?nèi)容包括：基于時(shí)間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)研究；基于壓電阻抗和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)連接區(qū)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)研究。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2022B高壓放大器、通道數(shù)獨(dú)立式數(shù)據(jù)采集卡、力矩扳手、壓電陶瓷片、筆記本電腦。

圖：基于時(shí)間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)流程圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：基于時(shí)間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)裝置圖

基于時(shí)間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)裝置，如上圖所示。以1號(hào)螺栓為例，具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）設(shè)備連通與信號(hào)發(fā)射。根據(jù)上圖所示的試驗(yàn)裝置，完成設(shè)備的連接，開啟電源進(jìn)行儀器預(yù)熱并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，等待指示燈顯示各設(shè)備連接正常后，進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。

2）信號(hào)采集。對(duì)法蘭節(jié)點(diǎn)處的螺栓施加工況一即初擰，由電腦Labview程序控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射高斯脈沖信號(hào)，信號(hào)通過(guò)連線到達(dá)功率放大器被放大50倍；放大后的信號(hào)通過(guò)連線到達(dá)螺栓帽上的PZT1，并產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波，該應(yīng)力波穿過(guò)螺栓和法蘭盤連接表面，之后被PZT2接收；Labview程序利用時(shí)間反演技術(shù)將信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)并發(fā)射；最終，應(yīng)力波信號(hào)在PZT1處形成信號(hào)的聚焦，PZT1通過(guò)逆壓電效應(yīng)將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)連線傳遞到信號(hào)采集卡中，信號(hào)采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，保存至電腦端。以同樣的方式，完成1號(hào)螺栓不同工況下的信號(hào)的采集。

本試驗(yàn)選用PZT在100kHz附近的一個(gè)頻率峰值，即中心頻率設(shè)為100kHz，試驗(yàn)中采樣頻率為1MHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為1s。具體參數(shù)如表3.3所示。根據(jù)脈沖信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，利用高斯型調(diào)制正弦模式生成的脈沖信號(hào)，如下圖所示。

圖：高斯脈沖信號(hào)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)損傷機(jī)理：法蘭節(jié)點(diǎn)上的PZT片被高斯信號(hào)激勵(lì)后，產(chǎn)生應(yīng)力波并沿著法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，當(dāng)法蘭節(jié)點(diǎn)處的連接發(fā)生松動(dòng)時(shí)，法蘭節(jié)點(diǎn)之間的接觸面積相對(duì)減少，引起應(yīng)力波能量在傳感器之間的傳播和衰減，能量變化會(huì)引起聚焦峰值的不同，通過(guò)聚焦信號(hào)峰值的變化就可以判斷法蘭節(jié)點(diǎn)的松緊狀態(tài)。

鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)損傷識(shí)別結(jié)果：七種不同扭矩值作用下，鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)基于時(shí)間反演技術(shù)測(cè)得的聚焦信號(hào)峰值，如下圖所示，從圖像中可以得到，在不同的工況下即在不同的扭矩值作用下，應(yīng)力波信號(hào)形成了不同程度的聚焦，驗(yàn)證了時(shí)間反演技術(shù)的有效性。

圖：1號(hào)螺栓在不同扭矩值作用下的應(yīng)力波聚焦信號(hào)圖

為了更加直觀的反應(yīng)不同工況下應(yīng)力波聚焦信號(hào)的變化趨勢(shì)，提取1號(hào)螺栓每種工況下應(yīng)力波的聚焦峰值，利用Origin軟件繪制1號(hào)螺栓在不同扭矩值作用下，應(yīng)力波信號(hào)的聚焦峰值和扭矩值之間變化的曲線圖，如下圖所示，由曲線圖可知：1）每一種工況下應(yīng)力波的聚焦峰值各不相同，扭矩值和應(yīng)力波的聚焦峰值存在非線性關(guān)系，且應(yīng)力波信號(hào)聚焦峰值的大小隨著扭矩值的增加而增大，這與之前的推導(dǎo)結(jié)果呈現(xiàn)一致性，即PZT片接收到的應(yīng)力波信號(hào)的聚焦峰值越多，法蘭節(jié)點(diǎn)有效接觸面積越多，法蘭節(jié)點(diǎn)連接就越緊密。進(jìn)一步證明了基于時(shí)間反演技術(shù)所獲得的應(yīng)力波信號(hào)的聚焦峰值可以實(shí)現(xiàn)鋼塔筒法蘭節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)；2）在整個(gè)曲線圖中，應(yīng)力波的聚焦峰值在扭矩值為0-45N?m的范圍內(nèi)增速較快，后期增速趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)殡S著扭矩值的不斷增加，越來(lái)越靠近健康狀態(tài)，所以，圖像變化較慢，增長(zhǎng)速度較緩。

圖：1號(hào)螺栓不同扭矩值作用下聚焦信號(hào)峰值的變化圖

安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖：ATA-2022B高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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