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

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,通過信號發(fā)生器產(chǎn)生特定電壓的激勵(lì)信號，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的幅值、能量、波形等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。通過分析混凝士在健康狀況下和損傷狀況下接收信號之間的差異來確定混凝土內(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，以此來模擬混凝土內(nèi)部損傷。每個(gè)試件中埋放了一對智能骨料，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

測試設(shè)備：信號發(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，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)特定的電壓信號，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，通過信號放大器將信號功率放大，經(jīng)過信號放大器對信號放大后，信號到達(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，再由信號采集裝置對這些電信號進(jìn)行接收存儲(chǔ)。在應(yīng)力波的傳播過程中,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，通過比較不同損傷狀態(tài)下收集到的信號之間的差異實(shí)現(xiàn)對混凝土健康狀況的評估。

圖c：信號時(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)傳感器接收信號的時(shí)域圖）

圖d：不同損傷情況下信號的最大幅值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：由上圖c圖d可知，以健康狀況下時(shí)域信號為參考，不同工況下的時(shí)域信號隨著內(nèi)部缺陷范圍的變化而變化。通過對比不同工況下試塊的時(shí)域信號，可以發(fā)現(xiàn)健康狀況下試件接收時(shí)域信號幅值最大，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)加劇信號的衰減。表現(xiàn)在接收信號上可以發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部缺陷的試塊接收到的時(shí)域信號幅值存在明顯的降低。根據(jù)時(shí)域信號最大的幅值降低規(guī)律可知，隨著內(nèi)部缺陷范圍的增加，信號衰減程度進(jìn)一步加劇。將各種工況下時(shí)域信號最大的幅值進(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)域信號幅值的變化可以實(shí)現(xiàn)對混凝土內(nèi)部損傷的識別。

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