劉 智，閻 石，孫 威

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110168)

0 引 言

近年來，隨著對(duì)壓電陶瓷智能傳感器研究的不斷深入，其在工程中的應(yīng)用日趨廣泛，尤其是在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用已取得了豐碩的成果[1]。以壓電陶瓷(目前應(yīng)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(qū)動(dòng)與傳感雙重功能的智能材料，將其嵌入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成智能結(jié)構(gòu)體系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能有效地對(duì)結(jié)構(gòu)損傷等進(jìn)行識(shí)別，使結(jié)構(gòu)得到及時(shí)的修復(fù)和加固，有效確保結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)之一，通常包含兩個(gè)步驟:首先要判斷被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)是否存在損傷，如果存在損傷還要能夠進(jìn)一步識(shí)別損傷程度及損傷位置[2～9]。基于PZT的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷識(shí)別的原理是利用埋置在混凝土內(nèi)的一對(duì)壓電傳感器發(fā)射并接收監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過分析結(jié)構(gòu)損傷前后傳感器接收信號(hào)產(chǎn)生的變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在損傷識(shí)別過程中有較多的診斷參數(shù)可供選擇。但是對(duì)于同一種形式的損傷，其對(duì)不同參數(shù)的敏感性是不同的。本文的主要研究目的是通過試驗(yàn)的方法對(duì)基于PZT波動(dòng)性的混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別特征參量進(jìn)行選取。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過對(duì)埋置在混凝土內(nèi)部的PZT傳感器接收信號(hào)的幅值、主頻、相位等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，確定各參數(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷的敏感性及規(guī)律性，為進(jìn)一步的混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別特征參量的選取提供參考。

1.2 試件及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的混凝土試驗(yàn)梁的尺寸為100 mm×100 mm×600 mm，所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，其兩端分別埋入壓電陶瓷(PZT)傳感器，試驗(yàn)梁的中部設(shè)置混凝土人工裂縫，如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備包括RIGOL DS1102E型示波器，DG1022函數(shù)發(fā)生器和HVA壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。各部分用屏蔽電纜相連，共同組成健康監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 壓電傳感器布置與人工裂縫

圖2 健康監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(shù)如表1所示。

混凝土梁內(nèi)一端的PZT傳感器作為信號(hào)發(fā)射器與函數(shù)發(fā)生器相連。另一端的PZT傳感器作為信號(hào)接收器與示波器相連。函數(shù)發(fā)生器將事先設(shè)置好的檢測(cè)信號(hào)發(fā)射給與之相連的PZT發(fā)射器，并在信號(hào)交變電壓的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波在混凝土梁中傳播。另一端的PZT接收器將經(jīng)過混凝土梁傳播后的聲波再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)顯示在示波器上。將信號(hào)從示波器中導(dǎo)出后對(duì)不同工況下的信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(hào)與健康工況下傳感器接收到的信號(hào)的對(duì)比分析，找出對(duì)混凝土梁裂縫損傷最為敏感的信號(hào)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)工況

選取正弦信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)。為考察不同頻率的正弦信號(hào)對(duì)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(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)。

由于接收到的有用信號(hào)中會(huì)夾雜一定的外界干擾，不利于準(zhǔn)確的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。因此，在進(jìn)行分析前，應(yīng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，剔除信號(hào)中的干擾成份，保留信號(hào)的有效成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 時(shí)域分析

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

圖3 同一頻率信號(hào)在不同工況下的時(shí)域波形對(duì)比

可以看出，與健康工況相比傳感器接收信號(hào)的幅值在各損傷工況下都產(chǎn)生了衰減，且信號(hào)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(zhì)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(guān)外，還與信號(hào)自身的頻率有關(guān)。因此，在傳播距離一定的條件下，同一工況下信號(hào)幅值會(huì)隨著頻率的增高而不斷的減小。還可以看出，當(dāng)信號(hào)主頻逐漸增加時(shí)，各損傷工況下信號(hào)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(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。通過比較各損傷工況下信號(hào)的頻譜圖形來分析結(jié)構(gòu)損傷給信號(hào)主頻造成的影響。

由圖5看出，各損傷工況下的信號(hào)都出現(xiàn)了不同程度的“頻移”現(xiàn)象。但是對(duì)于信號(hào)主頻相同的各工況，信號(hào)主頻的頻移量相同，頻移量沒有隨損傷程度的發(fā)展而改變。因此，頻移的原因非由損傷造成。通過進(jìn)一步分析，相同損傷工況下的頻移量隨著監(jiān)測(cè)信號(hào)主頻的增大而增大，且呈線性關(guān)系如圖6所示。

圖4 全部信號(hào)幅值隨損傷的變化曲線

圖5 同一頻率信號(hào)在不同工況下的頻譜圖形對(duì)比

圖6 頻移量隨頻率的變化曲線

接收信號(hào)的產(chǎn)生頻移的可能原因是[10]:

(1)頻率源。壓電晶體振動(dòng)并不是理想的頻率源，它主要受兩個(gè)方面的影響，即晶振的實(shí)際頻率與標(biāo)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(shí)延。由于發(fā)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(dá)另一端傳感器時(shí)將產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散，導(dǎo)致頻率衰減。

2.3 相位分析

為了考察損傷給信號(hào)相位帶來的影響及相位變化與損傷程度之間的規(guī)律，對(duì)傳感器在各工況下接收到的信號(hào)相位進(jìn)行比較。以健康工況下接收到的信號(hào)相位為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出各損傷工況下接收信號(hào)與健康基準(zhǔn)信號(hào)的相位差。通過對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后，信號(hào)的相位發(fā)生了改變。這種改變是由于損傷對(duì)信號(hào)的傳播路徑造成了影響，從而導(dǎo)致傳感器接收到信號(hào)的相位發(fā)生改變。但是，相位差隨損傷程度的變化的規(guī)律性不十分顯著。

3 結(jié) 論

(1)信號(hào)幅值對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷表現(xiàn)出了較好的敏感性，且隨損傷程度的發(fā)展信號(hào)幅值逐漸衰減。

(2)傳感器接收信號(hào)的主頻在各工況下均發(fā)生了頻移現(xiàn)象。但是，對(duì)于主頻相同的信號(hào)在各工況下的頻移量相同。進(jìn)一步分析原因，頻移現(xiàn)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(gè)參數(shù)中，信號(hào)的幅值較適合作為判斷結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)及損傷程度的損傷因子。

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