實驗名稱：基于壓電陶瓷的混凝土損傷識別與監(jiān)測

實驗原理：本實驗利用基于壓電陶瓷的波傳播分析法監(jiān)測混凝土內部損傷的原理是，將壓電智能骨料埋放在混凝土內部的預定位置,通過信號發(fā)生器產(chǎn)生特定電壓的激勵信號，由于壓電材料的逆壓電效應，智能骨料接收到激勵信號后發(fā)生軸向變形帶動其周圍混凝土變形，從而產(chǎn)生應力波。應力波將會在混凝土待測構件內部傳播，當應力波到達其他智能骨料處時，智能骨料同樣發(fā)生軸向變形，在正壓電效應作用下，產(chǎn)生電信號被數(shù)據(jù)采集裝置接收。當混凝土內部出現(xiàn)損傷時，由于傳播介質的變化會導致應力波的波形、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部是否存在損傷并預估損傷范圍。

圖a：實驗儀器

在本章實驗中，為了模擬實際工程之中常見的混凝土內部缺陷，設計了尺寸為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，使得混凝土內部出現(xiàn)介質不均勻的區(qū)域，以此來模擬混凝土內部損傷。每個試件中埋放了一對智能骨料，一個作為驅動器另一個作為傳感器。用鐵絲將智能骨料固定在模具內，防止在振動時智能骨料發(fā)生松動或者移位，將混凝上通過機械拌制振搗然后澆筑。最后在養(yǎng)護室內灑水養(yǎng)護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。

實驗過程：預先將壓電陶瓷驅動器和傳感器安放在混凝土試件內的預定位置，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個特定的電壓信號，其頻率為100Hz-20KHz，幅值為3V。由于應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，信號到達作為激勵端的智能骨料驅動器，在逆壓電效應作用下，使得驅動器帶動其周圍介質變形產(chǎn)生應力波，然后應力波在試件中傳播，最終應力波到達作為接收端的智能骨料傳感器，引起傳感器變形，在正壓電效應作用下產(chǎn)生電信號，再由信號采集裝置對這些電信號進行接收存儲。在應力波的傳播過程中,如果試件內部存在損傷,即該處傳播介質發(fā)生變化,應力波在此處會發(fā)生反射、衍射及折射等現(xiàn)象，導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現(xiàn)對混凝土健康狀況的評估。

圖c：信號時域圖（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時傳感器接收信號的時域圖）

圖d：不同損傷情況下信號的最大幅值

實驗結果：由上圖c圖d可知，以健康狀況下時域信號為參考，不同工況下的時域信號隨著內部缺陷范圍的變化而變化。通過對比不同工況下試塊的時域信號，可以發(fā)現(xiàn)健康狀況下試件接收時域信號幅值最大，當試塊的內部存在缺陷時，根據(jù)上文應力波在混凝土中的傳播特性可知，應力波傳播過程中到達缺陷位置時，由于傳播介質的變化會發(fā)生折射等現(xiàn)象，內部缺陷會加劇信號的衰減。表現(xiàn)在接收信號上可以發(fā)現(xiàn)存在內部缺陷的試塊接收到的時域信號幅值存在明顯的降低。根據(jù)時域信號最大的幅值降低規(guī)律可知，隨著內部缺陷范圍的增加，信號衰減程度進一步加劇。將各種工況下時域信號最大的幅值進行排列:健康狀況>內部缺陷范圍30>內部缺陷范圍60>內部缺陷范圍90，實驗結果證明了利用時域信號幅值的變化可以實現(xiàn)對混凝土內部損傷的識別。

圖：ATA-P系列功率放大器指標參數(shù)

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