裂縫對埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲特性的影響*

徐志龍，陳 雨，李鵬程，譚 斌，汪 琴

(四川大學電子信息學院，成都610064)

由于現代建筑結構中廣泛使用的混凝土具有復雜的組成結構，所以在其凝固過程中可能出現各種缺陷，威脅人民的生命財產安全。因此，必須對混凝土結構的健康狀況進行檢測[1－2]，常用的檢測方法有無損檢測和有損檢測。無損檢測相較于有損檢測能保證混凝土結構的完整性，實際工程中往往采用無損檢測方法，如將應變片或者光纖傳感器埋入混凝土結構中[3]。但是這類方法會由于應變片本身方向性差;光纖傳感器強度低、易于損壞等缺點[4]，造成檢測結果的不準確，無法反映混凝土內部結構健康狀況的真實情況。壓電陶瓷具有強度較高、密度大、成本低廉、與混凝土親和力較強等優點，已被用于超聲檢測領域。文獻[5]提出，在混凝土模塊中埋入壓電陶瓷構成的壓電埋入式混凝土機敏模塊，能實現對混凝土結構健康狀況的實時監測。這種方法利用垂直于混凝土結構表面的壓電換能器接收內部壓電陶瓷振動產生的超聲波。由于該超聲波經過混凝土傳播至接收換能器，攜帶有其傳播路徑上混凝土內部缺陷的信息，因此，通過分析超聲信號就可以檢測出混凝土內部的健康狀況[6]。但埋入混凝土模塊中的壓電陶瓷會受到混凝土內部的干縮應力作用、裂縫的阻礙，導致壓電陶瓷電－聲轉換效率降低，產生的超聲信號變弱，加上噪聲的干擾，很容易使信號失真，對整個系統的檢測質量造成影響。所以，提高混凝土模塊中的壓電陶瓷激勵信號的強度能改善超聲無損檢測結果的準確性與可靠性。現在使用最為廣泛的激勵信號有正弦脈沖信號和窄脈沖信號兩種，使用正弦脈沖信號可以激勵出能量較大的超聲信號，但正弦脈沖信號頻譜成分單一;窄脈沖信號的頻譜成分豐富但能量小。針對這個問題，本文設計了一種高壓脈沖發生模塊，該模塊能夠產生高壓窄脈沖激勵壓電陶瓷，獲得頻譜成分豐富的的超聲波頻譜，進而分析裂縫對壓電陶瓷電－聲特性的影響。文章對該模塊的高壓電源的選擇，模塊中元器件參數的界定以及電路原理圖作了較為詳細的介紹。實驗結果表明，在高壓脈沖作為激勵信號的條件下，接收信號的強度會隨著裂縫與混泥土模塊中的壓電陶瓷圓片之間距離的增加而減小。同時，激勵信號與接收信號之間的時延會隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而增加。

1 壓電埋入式混凝土機敏模塊

壓電埋入式混凝土機敏模塊是一種用于超聲無損檢測的試模，其結構示意圖與實物圖如圖1(a)、1(b)所示。將PZT－5H型壓電陶瓷圓片(半徑12 mm，厚2 mm)[7]的兩個電極層與同軸電纜一端焊接，在混凝土凝固之前將焊接好的壓電陶瓷圓片埋入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土塊中央，并將同軸電纜另一端引出。由于混凝土內部干縮應力等因素的影響，所以在壓電陶瓷圓片外部包裹一層硅橡膠，以免損壞壓電陶瓷圓片[8－9]。另外，此橡膠層還起到了聲阻抗匹配及絕緣的作用[10]。

圖1 壓電埋入式混凝土模塊示意圖及實物圖

2 高壓脈沖發生模塊的設計

檢測信號的頻譜成分和能量關系著無損檢測的結果，因此，本文設計了高壓脈沖發生模塊產生頻譜成分豐富、能量較高的檢測信號，其實驗原理圖與設備連接圖如圖2、3所示。信號發生器提供的周期矩形信號驅動高壓脈沖發生電路。此驅動信號經過高壓脈沖發生模塊升壓以后，轉化為高壓窄脈沖。將此高壓窄脈沖信號作為激勵信號激勵壓電陶瓷圓片，由于逆壓電效應，壓電陶瓷圓片產生形變，從而發出超聲信號。利用壓電換能器采集此超聲信號[11－12]，并將信號傳入數字示波器，顯示信號的波形并記錄相關數據。最后將數據導入電腦，進行去噪、信號提取等操作，分析信號頻譜特性，就能夠得出混泥土結構健康狀況，判斷該混泥土模塊中是否存在缺陷。

圖2 高壓脈沖發生模塊實驗原理圖

圖3 高壓脈沖發生模塊與實驗設備連接圖

通常會在混凝土與壓電換能器的接觸面均勻涂抹一層3號鋰基脂作為聲耦合劑，一方面起到聲阻抗匹配的作用;另一方面可以減小混凝土與換能器之間的摩擦，使換能器能靈活的滑動探查。

本文所設計的高壓脈沖發生模塊包含高壓電源和高壓脈沖發生電路兩部分。高壓電源用來提高信號的能量;高壓脈沖發生電路在高壓電源的作用下，將原來的周期脈沖驅動信號變成高壓窄脈沖，從而激勵壓電陶瓷圓片發出能量較強的超聲信號。

高壓脈沖發生電路是高壓脈沖發生模塊的關鍵部分，其原理圖如圖4所示。

圖4 高壓脈沖發生電路原理圖

原理圖中，Pulse_Signal為信號發生器產生的周期矩形驅動信號，周期為100 μm，占空比為10%，高電平為3.3 V，低電平為0 V。U1為MOSFET驅動器，它將矩形信號高電平抬升至12 V以驅動Q2。Q2為功率場效應管，在電路中用作電子開關，它具有導通電阻低、負載電流大的優點。圖中 R1、R2、R3、R4用作限流電阻，防止在Q2導通時產生的電流過大，燒壞功率場效應管。R5、R6與C5共同構成RC微分電路。當微分電路的時間常數小于輸入的矩形周期信號的脈沖寬度，該微分電路能夠取出矩形周期信號的突變成分。即在矩形周期信號的上升沿將信號波形變成正向窄脈沖，在矩形周期信號的下降沿將信號波形變成負向窄脈沖。Q1為整流二極管，利用其單向導通特性，只允許負窄脈沖通過。驅動信號的波形變化過程如圖5(a)、(b)、(c)所示。當驅動信號為低電平時，Q2截止，400 V的高壓電源對C5充電;當驅動信號為高電平時，Q2導通，由于電容電壓不能突變，從而在壓電機敏模塊中的壓電陶瓷圓片上產生了－400 V的高壓窄脈沖，激勵壓電陶瓷發射超聲脈沖。R7、R8用作阻尼電阻，以加快脈沖的衰減，避免回波的影響。

圖5 驅動信號的波形變化

高壓脈沖發生電路中主要元件的技術參數的確定如下:

(1)MOSFET驅動器U1的技術參數的確定

由于功率場效應管Q2的閾值電壓VGS(th)=5 V，只有當驅動電壓大于5 V時才開始導通。而實驗中信號發生器產生的矩形周期驅動信號電壓最高僅3.3 V。因此，需要一個升壓元件將矩形周期信號的電壓抬升至Q2的閾值電壓以上。模塊中選用的MOSFET驅動器U1為ADP3631。當給U1供給12 V的外部電壓時，它可以將輸入的3.3 V矩形周期驅動信號電壓提升至12 V，驅動Q2。

(2)功率場效應管Q2的技術參數的確定

由于高壓脈沖發生電路中的功率場效應管Q2工作在頻率較高的開關狀態下，所以需要高耐壓，工作頻率高，開關性能好的元件。本電路中選用的功率場效應管Q2為FQD2N80。它的耐壓值為800 V、峰值電流為1.8 A、開關時間僅95 ns。同時，它具有低導通電阻(RDS(on)=6.3 Ω)和低柵極電荷(12 nC)，因而產生較小的開關損耗，從而提高開關電源的效率，改善其性能。

(3)充電電容C5的技術參數的確定

為了使高壓脈沖發生模塊產生－400 V的高壓窄脈沖激勵壓電陶瓷圓片，那么在矩形周期信號的每一次高電平期間，必須完成對電容C5的充電。而電容兩端瞬時電壓的大小與時間常數τ有關，

式中，τ越小，RC微分電路輸出的脈沖寬度就越窄，反之就越寬。該數值由矩形周期信號的頻率決定。研究表明，在充電時間為(4～5)τ時，可以認為電容充電完畢[13]。所以，本電路的工作特性應滿足

式中，脈沖寬度 TW=10 μs。取 R5=R6=10 kΩ，則所以，電路中取C5=400 pF(400 V)。

(4)整流二極管Q1的技術參數的確定

因為整流二極管Q1在電路中起到整流的作用，隔離400 V的高壓正脈沖，而僅允許負脈沖通過，所以本設計中需要一高耐壓值的開關二極管作為整流管。本電路中選用的是IN4007，它具有正向導通電流高、漏電流低的特點，能承受的電壓范圍為50～1 000 V，滿足電路要求。

(5)限流電阻 R1、R2、R3、R4的技術參數的確定

當激勵脈沖的高電平通過功率場效應管Q2時，Q2開啟。此時高壓電源、限流電阻、Q2以及地形成通路。根據高壓電源的技術指標，I=5 mA，U=400 V，由歐姆定律

式中，U為負載兩端的電壓，I為通過負載的電流，R為負載，即限流電阻的總阻值。本模塊設計沒有直接用 80 kΩ的電阻，而是采用的 4個 100 kΩ(2.5 W)的等值電阻串并聯的方式，這是為了滿足所選電阻額定功率的要求，防止電阻損壞。

3 實驗結果分析

圖6(a)、(b)分別為高壓脈沖信號激勵條件下的超聲無損檢測接收信號的歸一化時域圖和幅度譜。已有研究表明[14－15]，當以壓電陶瓷圓片的諧振頻率為激勵頻率時，接收到的信號能量值是周期正弦脈沖信號激勵所能達到的最大值(本實驗中為79 kHz，10 V正弦脈沖信號)。因此，把79 kHz周期正弦脈沖信號激勵壓電陶瓷圓片產生的超聲信號設置為實驗對照組。圖6(c)、(d)分別為79 kHz周期正弦脈沖信號激勵條件下的超聲無損檢測接收信號的歸一化時域圖和幅度譜。其中，用于頻譜分析的數據長度均為5 120點，高壓脈沖信號的采樣頻率為1 GHz，79 kHz周期脈沖信號的采樣頻率為50 MHz。

圖6 兩種信號激勵后接收到的信號時域與頻域波形

從圖6(a)、(c)可以看出:由高壓脈沖激勵產生的超聲信號幅值明顯大于79 kHz周期正弦脈沖激勵產生的超聲信號幅值。從圖6(b)、(d)可以看出:由高壓脈沖激勵壓電陶瓷圓片產生的超聲信號的頻譜范圍為0至50 MHz，包含明顯起伏信息，并且在35.7 MHz(除去0頻)時達到最大值。79 kHz周期正弦脈沖信號激勵產生的超聲信號僅在100 kHz內具有頻譜成分，并且頻譜成分僅體現在主頻附近，在其諧振頻率79 kHz時達到峰值。由此可見，利用高壓脈沖作為激勵信號可以得到頻率成分更豐富的頻譜，為分析裂縫對埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲特性的影響提供更多的數據。

設置4個不同的實驗模塊:不存在裂縫的壓電埋入式混凝土機敏模塊(100 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片2.5 cm的壓電埋入式混凝土機敏模塊(100 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片5 cm的壓電埋入式混凝土機敏模塊(200 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片10 cm的壓電埋入式混凝土機敏模塊(200 mm×100 mm×100 mm)。實驗中所設置的裂縫寬度均為5 cm。其示意圖與實物圖如圖7(a)、(b)所示。

圖7 各實驗模塊的示意圖及實物圖

高壓脈沖作為激勵信號，分別激勵上述四個實驗模塊中的壓電陶瓷圓片(壓電陶瓷圓片即為振源)，利用雙蹤示波器捕捉激勵信號與接收到的超聲信號，以測得激勵信號與接收信號之間的時延。并對接收信號進行頻譜分析，以確定裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的變化對接收信號幅值的影響。實驗中，模塊尺寸的不同僅是為了滿足裂縫與壓電陶瓷圓片之間的距離變化，數據均是從靠近裂縫一端測得(無裂縫模塊兩端均可以測量)，因此實驗模塊尺寸的不同不會對本實驗的結果產生影響。

從圖8中的(a)～(d)可以看出:對于相同的激勵頻率，各混凝土模塊有裂縫一側對應的接收信號的波形沒有發生畸變，但是接收信號的幅度有明顯的變化。其中無裂縫的混泥土模塊接收的信號幅值要比有裂縫的混凝土模塊的接收信號都大;對于有裂縫的混凝土模塊，隨著裂縫與振源距離從2.5 cm、5 cm、10 cm變化，其對應的接收信號的峰峰值依次減小，并且激勵信號與接收信號之間的時延依次增加。從圖(e)～(h)可以看出，高壓脈沖激勵產生的超聲信號的頻譜成分都分布在0～50 MHz之間，主頻均在24.6 MHz處。隨著裂縫與振源之間的距離的增加，其對應的歸一化幅值依次減小。為確定時延以及信號幅值的具體變化情況，測量所得的時延值與峰峰值如表1所示。

圖8 激勵信號與接收信號的時延圖及接收信號的幅度譜

表1 壓電陶瓷圓片與裂縫之間距離不同的條件下接收信號峰峰值、時延、歸一化幅值

由上表可以看出，裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的不同，對無損檢測接收信號幅值造成的衰減程度有所差別。由四個實驗模塊接收信號的峰峰值和幅度譜歸一化峰值的變化可知，超聲信號傳播的能量隨著傳輸距離的增加而加速衰減。距離從2.5 cm變到5 cm，接收信號時域峰峰值衰減2.2%，歸一化幅度峰值衰減7.7%;距離從5 cm變到10 cm，接收信號時域峰峰值衰減46.6%，歸一化幅度峰值衰減46.7%。后者時域峰峰值與歸一化幅度峰值衰減程度分別為為前者的21.2倍和6.1倍。從理論上分析可知，當混凝土模塊沒有裂縫時，超聲信號的傳播過程受到傳播路徑上的混凝土的阻礙作用，而當混凝土模塊存在裂縫時，超聲信號的傳播過程，除了受到傳播路徑上的混凝土的阻礙作用以外，還受到裂縫的阻礙，在裂縫處進行繞射，信號能量衰減更加劇烈。所以，所得結論與理論相符。此外，裂縫離壓電陶瓷圓片之間的距離每增加一倍，其時延增加7 ns左右，增幅基本保持不變。

經過以上分析可知:①高壓脈沖作為激勵信號激勵壓電埋入式混凝土模塊，能夠得到成分豐富的頻譜，為混凝土健康監測提供更多的信息。②在高壓脈沖的激勵下，接收信號的幅度值會隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而減小，并且裂縫距離壓電陶瓷圓片越遠，信號衰減越大。③從表1看出，激勵信號與接收信號之間的時延，隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而增加，并且時延隨裂縫與壓電陶瓷圓片間的距離變化近似呈線性關系。

4 結論

本文設計了一種高壓脈沖發生模塊，將3.3 V的矩形脈沖電壓提升至近400 V，同時將矩形脈沖信號轉化為窄脈沖信號激勵壓電埋入式混凝土模塊，得到的頻譜成分豐富，便于檢測混凝土的缺陷信息，適于在環境惡劣的條件下，為超聲無損檢測提供更多的分析依據，使檢測結果更準確更可靠。通過對存在裂縫的壓電埋入式混凝土模塊的實驗，得出裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離變化對接收信號幅值以及時延的影響，這將有助于混凝土健康監測時對混凝土中裂縫距離的理論分析與實際測定。

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