PZT-混凝土結構裂縫監測敏感因子提取試驗

劉 智，閻 石，孫 威

(沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽110168)

0 引 言

近年來，隨著對壓電陶瓷智能傳感器研究的不斷深入，其在工程中的應用日趨廣泛，尤其是在結構健康監測技術中的應用已取得了豐碩的成果[1]。以壓電陶瓷(目前應用最廣泛的是鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)為代表的壓電材料是一種具有驅動與傳感雙重功能的智能材料，將其嵌入到混凝土結構內部形成智能結構體系，可實現對結構的實時監測，能有效地對結構損傷等進行識別，使結構得到及時的修復和加固，有效確保結構的可靠性。結構損傷識別是土木工程結構健康監測的核心技術之一，通常包含兩個步驟:首先要判斷被監測結構是否存在損傷，如果存在損傷還要能夠進一步識別損傷程度及損傷位置[2～9]。基于PZT的混凝土結構裂縫損傷識別的原理是利用埋置在混凝土內的一對壓電傳感器發射并接收監測信號，通過分析結構損傷前后傳感器接收信號產生的變化來識別結構出現的損傷。該方法的優點是在損傷識別過程中有較多的診斷參數可供選擇。但是對于同一種形式的損傷，其對不同參數的敏感性是不同的。本文的主要研究目的是通過試驗的方法對基于PZT波動性的混凝土結構損傷識別特征參量進行選取。

1 試驗設計

1.1 試驗目的

通過對埋置在混凝土內部的PZT傳感器接收信號的幅值、主頻、相位等相關參數進行分析，確定各參數對混凝土結構裂縫損傷的敏感性及規律性，為進一步的混凝土結構損傷識別特征參量的選取提供參考。

1.2 試件及設備

本實驗采用的混凝土試驗梁的尺寸為100 mm×100 mm×600 mm，所用混凝土強度等級為C25，其兩端分別埋入壓電陶瓷(PZT)傳感器，試驗梁的中部設置混凝土人工裂縫，如圖1所示。試驗設備包括RIGOL DS1102E型示波器，DG1022函數發生器和HVA壓電陶瓷驅動電源。各部分用屏蔽電纜相連，共同組成健康監測試驗系統，如圖2所示。

圖1 壓電傳感器布置與人工裂縫

圖2 健康監測試驗系統

1.3 試驗方法

試驗共分5組工況，包括1組健康工況，4組損傷工況，通過人工切割的方法來模擬混凝土梁的非閉合裂縫。各損傷工況下的裂縫均為平行于梁橫截面的通長裂縫，具體參數如表1所示。

混凝土梁內一端的PZT傳感器作為信號發射器與函數發生器相連。另一端的PZT傳感器作為信號接收器與示波器相連。函數發生器將事先設置好的檢測信號發射給與之相連的PZT發射器，并在信號交變電壓的作用下產生振動，將電信號轉換為聲波在混凝土梁中傳播。另一端的PZT接收器將經過混凝土梁傳播后的聲波再轉換為電信號顯示在示波器上。將信號從示波器中導出后對不同工況下的信號進行時域、頻域和相位分析。通過各損傷工況下傳感器接收到的信號與健康工況下傳感器接收到的信號的對比分析，找出對混凝土梁裂縫損傷最為敏感的信號參數。

表1 試驗工況

選取正弦信號作為監測信號。為考察不同頻率的正弦信號對損傷的敏感性變化情況，分別選用頻率為1 kHz～10 kHz共10組正弦信號作為監測信號。

由于接收到的有用信號中會夾雜一定的外界干擾，不利于準確的對結構進行損傷識別。因此，在進行分析前，應對接收到的信號進行濾波處理，剔除信號中的干擾成份，保留信號的有效成分。

2 試驗結果分析

2.1 時域分析

首先進行信號時域分析，主要考察混凝土梁的損傷給信號幅值帶來的影響。圖3為信號主頻分別為 1 kHz、2 kHz、5 kHz及10 kHz時，在不同工況下正弦信號波形的對比圖。

圖3 同一頻率信號在不同工況下的時域波形對比

可以看出，與健康工況相比傳感器接收信號的幅值在各損傷工況下都產生了衰減，且信號幅值衰減的幅度隨著損傷程度的增加而加大。由于聲波在介質中總是沿著傳播方向不斷衰減的，其衰減的大小除與傳播距離有關外，還與信號自身的頻率有關。因此，在傳播距離一定的條件下，同一工況下信號幅值會隨著頻率的增高而不斷的減小。還可以看出，當信號主頻逐漸增加時，各損傷工況下信號的幅值衰減程度越來越小，如圖4所示。

2.2 頻域分析

利用傅里葉變換，將信號從時域轉換到頻域。通過比較各損傷工況下信號的頻譜圖形來分析結構損傷給信號主頻造成的影響。

由圖5看出，各損傷工況下的信號都出現了不同程度的“頻移”現象。但是對于信號主頻相同的各工況，信號主頻的頻移量相同，頻移量沒有隨損傷程度的發展而改變。因此，頻移的原因非由損傷造成。通過進一步分析，相同損傷工況下的頻移量隨著監測信號主頻的增大而增大，且呈線性關系如圖6所示。

圖4 全部信號幅值隨損傷的變化曲線

圖5 同一頻率信號在不同工況下的頻譜圖形對比

圖6 頻移量隨頻率的變化曲線

接收信號的產生頻移的可能原因是[10]:

(1)頻率源。壓電晶體振動并不是理想的頻率源，它主要受兩個方面的影響，即晶振的實際頻率與標稱頻率存在一定差異及由溫度變化而引起頻率漂移。

(2)聲波傳播的時延。由于發射端與接收端相隔一定距離，聲波通過直射、反射、散射等路徑到達另一端傳感器時將產生時延擴散，導致頻率衰減。

2.3 相位分析

為了考察損傷給信號相位帶來的影響及相位變化與損傷程度之間的規律，對傳感器在各工況下接收到的信號相位進行比較。以健康工況下接收到的信號相位為基準，分別計算出各損傷工況下接收信號與健康基準信號的相位差。通過對相關結果進行分析發現，結構出現損傷后，信號的相位發生了改變。這種改變是由于損傷對信號的傳播路徑造成了影響，從而導致傳感器接收到信號的相位發生改變。但是，相位差隨損傷程度的變化的規律性不十分顯著。

3 結 論

(1)信號幅值對混凝土結構的損傷表現出了較好的敏感性，且隨損傷程度的發展信號幅值逐漸衰減。

(2)傳感器接收信號的主頻在各工況下均發生了頻移現象。但是，對于主頻相同的信號在各工況下的頻移量相同。進一步分析原因，頻移現象并非由裂縫損傷所引起。

綜上所述，幅值、主頻及相位差三個參數中，信號的幅值較適合作為判斷結構健康狀態及損傷程度的損傷因子。

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