李 萌， 任 杰

(1.江蘇省水利廳 機(jī)關(guān)后勤服務(wù)中心， 江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210000)

1 概 述

水利樞紐工程廣泛采用混凝土結(jié)構(gòu)，其服役年限長達(dá)幾十年甚至上百年，由于服役環(huán)境的復(fù)雜性，澆筑材料自身性能劣化以及設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理過程中可能存在的不合理因素等[1]，混凝土結(jié)構(gòu)難免會(huì)產(chǎn)生一定程度的損傷。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)來說，開裂是損傷的主要表現(xiàn)形式之一[2]。選擇合適的監(jiān)測(cè)方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，盡早識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)保證結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行、減小經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益損失以及保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全都具有重要意義。傳統(tǒng)的方法主要包括目測(cè)法、超聲波法、滲透法、電渦流探傷法、磁粉檢測(cè)法、射線法等[3]，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些局限性，如：需要事先知道損傷的大概位置，對(duì)隱蔽部位損傷無法準(zhǔn)確評(píng)估，或在檢測(cè)損傷時(shí)，需要結(jié)構(gòu)停止運(yùn)作，造成了經(jīng)濟(jì)損失等。自壓電效應(yīng)[4]發(fā)現(xiàn)以來，利用壓電陶瓷制成傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)在很多領(lǐng)域都得到應(yīng)用[5]。壓電陶瓷集感知和驅(qū)動(dòng)功能于一體，具有反應(yīng)靈敏、頻響范圍寬、價(jià)格低廉、體積小、易剪裁等特點(diǎn)，將其制成傳感器用于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)，不僅可以識(shí)別結(jié)構(gòu)局部損傷，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)整體損傷進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此，研究壓電陶瓷傳感技術(shù)在辨識(shí)混凝土結(jié)構(gòu)開裂損傷中的應(yīng)用具有重要的意義。

本文選用PZT-4型壓電陶瓷制成環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器(epoxy resin based piezoelectric ceramic sensor，ERPS)，對(duì)其諧振頻率、波形穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行了性能測(cè)試?；诖?，開展了基于環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器的鋼筋混凝土梁開裂損傷辨識(shí)試驗(yàn)，建立了基于小波包能量法的開裂損傷程度辨識(shí)指標(biāo)，驗(yàn)證了環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器和能量指標(biāo)應(yīng)用于混凝土開裂損傷辨識(shí)的可行性。

2 壓電陶瓷傳感器的制作及其性能測(cè)試

2.1 壓電陶瓷的制作

2.1.1 壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是人工制作的多晶壓電材料，晶體具備介電性質(zhì)和彈性性質(zhì)，這兩者之間的耦合效應(yīng)稱作機(jī)電耦合效應(yīng)，而機(jī)電耦合效應(yīng)的線性部分即是壓電效應(yīng)[4]。壓電效應(yīng)包含正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)[6]，基于正、逆壓電效應(yīng)原理，可分別將壓電陶瓷制成感知器和驅(qū)動(dòng)器。感知器即感知結(jié)構(gòu)的變形，繼而通過表面電荷的積累產(chǎn)生電流信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器即通過控制外加電場(chǎng)的強(qiáng)度來控制結(jié)構(gòu)的變形。

2.1.2 型號(hào)選用

常用壓電陶瓷型號(hào)主要有PZT-4、PZT-5和PZT-8[7]。其中PZT-8是大功率發(fā)射型壓電陶瓷，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用廣泛，如超聲波手術(shù)刀、超聲波美容等；PZT-5是接收型壓電陶瓷，靈敏度高，主要用于傳感器、加速度計(jì)等；PZT-4是接發(fā)兩用型壓電陶瓷，具備高機(jī)電耦合系數(shù)和高介電常數(shù)。由于本文將壓電陶瓷作為接受信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的傳感器，并考慮到發(fā)射功率和傳感器敏感度等因素，故選擇PZT-4型號(hào)。

2.1.3 制作過程

壓電傳感器封裝材料對(duì)其性能特性有一定影響，為使壓電陶瓷傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷識(shí)別中發(fā)揮更好的效果，需選擇合適的封裝材料。采用水泥作為封裝材料，制成的水泥基壓電陶瓷傳感器強(qiáng)度高，且與混凝土結(jié)構(gòu)相容性好，使用最為廣泛。但存在封裝過程中水泥漿凝固快、傳感器體積小不易攪拌振搗、封裝過程中氣泡使得傳感器表面凹凸不平以致影響耐久性和信號(hào)識(shí)別性能等的缺陷。環(huán)氧樹脂膠流動(dòng)性好、凝固慢，凝固后強(qiáng)度較大，一定比例的環(huán)氧樹脂膠和水泥漿混合制成的封裝材料，既保留了水泥的強(qiáng)度以及與原混凝土結(jié)構(gòu)的相容性，又具備環(huán)氧樹脂膠流動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，使封裝制成的傳感器具備氣泡少、耐久性好、強(qiáng)度高且防水的特點(diǎn)?；诖耍谱鳝h(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器。其中，環(huán)氧樹脂基原料質(zhì)量比為固化劑∶樹脂膠∶水泥漿=1∶1∶3，并加入少量的消泡劑以減少氣泡的產(chǎn)生。

2.2 性能測(cè)試

測(cè)試混凝土梁的尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，將ERPS傳感器按圖1所示埋入到混凝土梁里，壓電陶瓷片極化方向沿混凝土梁長度方向。借助壓電智能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射、采集與處理。壓電智能測(cè)試系統(tǒng)由Dspace實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、數(shù)字濾波器和Agilent33250A任意波形發(fā)生器組成。Dspace實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為信號(hào)采集系統(tǒng)，是一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)與結(jié)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)，可同時(shí)做到數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生和系統(tǒng)的控制。數(shù)字濾波器可通過低通濾去高頻噪聲或通過高通濾去低頻交流電信號(hào)，同時(shí)起增益放大信號(hào)的作用。Agilent任意波形發(fā)生器用于發(fā)射正弦波、方波、脈沖波等任意測(cè)試波形。

圖1 傳感器埋設(shè)位置(單位：mm)

2.2.1 諧振頻率點(diǎn)分析

圖2 ERPS-2和ERPS-3幅值指標(biāo)和指標(biāo)平均值

從圖2可以看出在發(fā)射頻率為92 kHz時(shí)，幅值指標(biāo)達(dá)到最大值。因此，ERPS諧振頻率為92 kHz，后續(xù)試驗(yàn)中將信號(hào)發(fā)射頻率定為92 kHz。

2.2.2 頻率和波形穩(wěn)定性測(cè)試

ERPS-1作為驅(qū)動(dòng)傳感器，ERPS-2作為感知傳感器，進(jìn)行頻率和波形測(cè)試。ERPS-1發(fā)射頻率為92 kHz、幅值為10 Vpp的正弦波，ERPS-2分別在25 kHz和1 000 kHz采樣頻率下接收的信號(hào)如圖3所示。

圖3 不同采樣頻率下接收信號(hào)

從圖3可以看出，采樣頻率越大，接收的信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，波形圖越精細(xì)。發(fā)射頻率為92 kHz時(shí)，不同采樣頻率下0.1 ms內(nèi)接收到的波峰都為9個(gè)，不同采樣頻率對(duì)接收到的波形及其穩(wěn)定性影響較小。

3 混凝土梁開裂損傷辨識(shí)試驗(yàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

混凝土梁及傳感器布置位置、方式同圖1。鋼筋混凝土梁切縫位置和實(shí)物圖如圖4所示。將ERPS-1作為驅(qū)動(dòng)傳感器，與Agilent波形發(fā)生器相連接，ERPS-2和ERPS-3為接收器，與dspace信號(hào)采集裝置相連接。波形發(fā)生器發(fā)射92 kHz、10 Vpp的正弦波，分別測(cè)定梁在無損狀態(tài)和梁正中位置存在5 mm、10 mm、20 mm、30 mm深裂縫時(shí)的接收信號(hào)，探究響應(yīng)信號(hào)與裂縫深度間的關(guān)系。

圖4 混凝土梁開裂損傷辨識(shí)試驗(yàn)梁切縫位置(單位：mm)

3.2 損傷辨識(shí)能量指標(biāo)

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)存在損傷時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)出應(yīng)力波在傳播的過程中經(jīng)過損傷部位就會(huì)被吸收或是被散射，導(dǎo)致壓電感知器接收到的信號(hào)產(chǎn)生能量衰減或變化，故通過分析壓電感知器接收的信號(hào)所含能量的變化可探測(cè)被測(cè)結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷程度。由于響應(yīng)信號(hào)具有非線性非平穩(wěn)特點(diǎn)，信號(hào)高頻和低頻部分均可能包含重要特征分量，借鑒已有研究成果[9]，通過小波包多分辨率分析方法進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)頻帶劃分和能量計(jì)算。

假設(shè)壓電陶瓷傳感器采集的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)為X(t)，利用小波包ψj,i(t)對(duì)其進(jìn)行j層小波包多分辨率分解，第j層可得到2j個(gè)等寬度的頻帶Xi(t)(i=1,2,…,2j)和小波包分解系數(shù)cj,i。利用小波包分解系數(shù)和小波包重構(gòu)各個(gè)頻帶信號(hào)，以Ei表示第i個(gè)頻帶的能量，則

(1)

響應(yīng)信號(hào)所含總能量等于其分解所得各頻帶信號(hào)所含能量之和，總能量指標(biāo)E表示為

E=∑Ei

(2)

3.3 成果分析

3.3.1 響應(yīng)信號(hào)對(duì)比分析

圖5為鋼筋混凝土梁無損傷、裂縫深度為5 mm和10 mm時(shí)ERPS-2接收的信號(hào)，信號(hào)的采樣頻率為1 000 Hz。

圖5 不同損傷程度ERPS-2接收信號(hào)

從圖5可以看出有損傷時(shí)的信號(hào)幅值比無損工況信號(hào)幅值小，并且隨著裂縫深度增大，信號(hào)幅值減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓電傳感器接收信號(hào)幅值隨損傷程度的增加而減少，由信號(hào)幅值的變化可初步診斷結(jié)構(gòu)損傷存在與否。

3.3.2 能量譜損傷識(shí)別

對(duì)無損工況和6種損傷工況下ERPS-2傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行小波包能量譜分析。無損工況的能量譜如圖6所示，對(duì)比能量譜圖可知，5 mm裂縫和無損工況下的能量譜基本相同，隨著裂縫深度加大，各頻帶上能量開始發(fā)生較大變化，大致規(guī)律為開裂損傷較小時(shí)能量譜分布較平均，隨著開裂損傷的變大，能量譜向第一頻帶集中。

圖6 梁無損情況下能量譜

3.3.3 小波包能量指標(biāo)損傷識(shí)別

將ERPS-2和ERPS-3的響應(yīng)信號(hào)的總能量隨裂縫深度的變化過程繪于圖7。

圖7 總能量指標(biāo)

從圖7可以看出，隨著裂縫深度加大，總能量指標(biāo)減少，符合開裂損傷程度越高，應(yīng)力波能量衰減越多的規(guī)律；由于ERPS-2埋設(shè)位置更靠近裂縫，響應(yīng)信號(hào)能量衰減程度越高，故總能量小于ERPS-3，該指標(biāo)可用于損傷的初步定位。

4 結(jié) 語

(1)在研究壓電陶瓷基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，制作了一種環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，獲得了傳感器諧振頻率點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果表明自制環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷傳感器頻率和波形穩(wěn)定性好，響應(yīng)靈敏度高。

(2)開展了基于環(huán)氧樹脂基壓電陶瓷的鋼筋混凝土梁的開裂損傷辨識(shí)試驗(yàn)，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波包多分辨率分析，建立了響應(yīng)信號(hào)衰減能量指標(biāo)，對(duì)混凝土開裂損傷程度進(jìn)行了較準(zhǔn)確辨識(shí)。

(3)壓電陶瓷傳感器封裝材料和傳感器形狀有待進(jìn)一步優(yōu)化，研究出適用于不同工程結(jié)構(gòu)的多樣性壓電陶瓷傳感器。同時(shí)，實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)體積龐大，需進(jìn)一步研究傳感器優(yōu)化布置，以獲得能反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的完備振動(dòng)信息。