PZT-混凝土结构裂缝监测敏感因子提取试验

刘 智，阎 石，孙 威

(沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳110168)

0 引 言

近年来，随着对压电陶瓷智能传感器研究的不断深入，其在工程中的应用日趋广泛，尤其是在结构健康监测技术中的应用已取得了丰硕的成果[1]。以压电陶瓷(目前应用最广泛的是锆钛酸铅，简称PZT)为代表的压电材料是一种具有驱动与传感双重功能的智能材料，将其嵌入到混凝土结构内部形成智能结构体系，可实现对结构的实时监测，能有效地对结构损伤等进行识别，使结构得到及时的修复和加固，有效确保结构的可靠性。结构损伤识别是土木工程结构健康监测的核心技术之一，通常包含两个步骤:首先要判断被监测结构是否存在损伤，如果存在损伤还要能够进一步识别损伤程度及损伤位置[2～9]。基于PZT的混凝土结构裂缝损伤识别的原理是利用埋置在混凝土内的一对压电传感器发射并接收监测信号，通过分析结构损伤前后传感器接收信号产生的变化来识别结构出现的损伤。该方法的优点是在损伤识别过程中有较多的诊断参数可供选择。但是对于同一种形式的损伤，其对不同参数的敏感性是不同的。本文的主要研究目的是通过试验的方法对基于PZT波动性的混凝土结构损伤识别特征参量进行选取。

1 试验设计

1.1 试验目的

通过对埋置在混凝土内部的PZT传感器接收信号的幅值、主频、相位等相关参数进行分析，确定各参数对混凝土结构裂缝损伤的敏感性及规律性，为进一步的混凝土结构损伤识别特征参量的选取提供参考。

1.2 试件及设备

本实验采用的混凝土试验梁的尺寸为100 mm×100 mm×600 mm，所用混凝土强度等级为C25，其两端分别埋入压电陶瓷(PZT)传感器，试验梁的中部设置混凝土人工裂缝，如图1所示。试验设备包括RIGOL DS1102E型示波器，DG1022函数发生器和HVA压电陶瓷驱动电源。各部分用屏蔽电缆相连，共同组成健康监测试验系统，如图2所示。

图1 压电传感器布置与人工裂缝

图2 健康监测试验系统

1.3 试验方法

试验共分5组工况，包括1组健康工况，4组损伤工况，通过人工切割的方法来模拟混凝土梁的非闭合裂缝。各损伤工况下的裂缝均为平行于梁横截面的通长裂缝，具体参数如表1所示。

混凝土梁内一端的PZT传感器作为信号发射器与函数发生器相连。另一端的PZT传感器作为信号接收器与示波器相连。函数发生器将事先设置好的检测信号发射给与之相连的PZT发射器，并在信号交变电压的作用下产生振动，将电信号转换为声波在混凝土梁中传播。另一端的PZT接收器将经过混凝土梁传播后的声波再转换为电信号显示在示波器上。将信号从示波器中导出后对不同工况下的信号进行时域、频域和相位分析。通过各损伤工况下传感器接收到的信号与健康工况下传感器接收到的信号的对比分析，找出对混凝土梁裂缝损伤最为敏感的信号参数。

表1 试验工况

选取正弦信号作为监测信号。为考察不同频率的正弦信号对损伤的敏感性变化情况，分别选用频率为1 kHz～10 kHz共10组正弦信号作为监测信号。

由于接收到的有用信号中会夹杂一定的外界干扰，不利于准确的对结构进行损伤识别。因此，在进行分析前，应对接收到的信号进行滤波处理，剔除信号中的干扰成份，保留信号的有效成分。

2 试验结果分析

2.1 时域分析

首先进行信号时域分析，主要考察混凝土梁的损伤给信号幅值带来的影响。图3为信号主频分别为 1 kHz、2 kHz、5 kHz及10 kHz时，在不同工况下正弦信号波形的对比图。

图3 同一频率信号在不同工况下的时域波形对比

可以看出，与健康工况相比传感器接收信号的幅值在各损伤工况下都产生了衰减，且信号幅值衰减的幅度随着损伤程度的增加而加大。由于声波在介质中总是沿着传播方向不断衰减的，其衰减的大小除与传播距离有关外，还与信号自身的频率有关。因此，在传播距离一定的条件下，同一工况下信号幅值会随着频率的增高而不断的减小。还可以看出，当信号主频逐渐增加时，各损伤工况下信号的幅值衰减程度越来越小，如图4所示。

2.2 频域分析

利用傅里叶变换，将信号从时域转换到频域。通过比较各损伤工况下信号的频谱图形来分析结构损伤给信号主频造成的影响。

由图5看出，各损伤工况下的信号都出现了不同程度的“频移”现象。但是对于信号主频相同的各工况，信号主频的频移量相同，频移量没有随损伤程度的发展而改变。因此，频移的原因非由损伤造成。通过进一步分析，相同损伤工况下的频移量随着监测信号主频的增大而增大，且呈线性关系如图6所示。

图4 全部信号幅值随损伤的变化曲线

图5 同一频率信号在不同工况下的频谱图形对比

图6 频移量随频率的变化曲线

接收信号的产生频移的可能原因是[10]:

(1)频率源。压电晶体振动并不是理想的频率源，它主要受两个方面的影响，即晶振的实际频率与标称频率存在一定差异及由温度变化而引起频率漂移。

(2)声波传播的时延。由于发射端与接收端相隔一定距离，声波通过直射、反射、散射等路径到达另一端传感器时将产生时延扩散，导致频率衰减。

2.3 相位分析

为了考察损伤给信号相位带来的影响及相位变化与损伤程度之间的规律，对传感器在各工况下接收到的信号相位进行比较。以健康工况下接收到的信号相位为基准，分别计算出各损伤工况下接收信号与健康基准信号的相位差。通过对相关结果进行分析发现，结构出现损伤后，信号的相位发生了改变。这种改变是由于损伤对信号的传播路径造成了影响，从而导致传感器接收到信号的相位发生改变。但是，相位差随损伤程度的变化的规律性不十分显著。

3 结 论

(1)信号幅值对混凝土结构的损伤表现出了较好的敏感性，且随损伤程度的发展信号幅值逐渐衰减。

(2)传感器接收信号的主频在各工况下均发生了频移现象。但是，对于主频相同的信号在各工况下的频移量相同。进一步分析原因，频移现象并非由裂缝损伤所引起。

综上所述，幅值、主频及相位差三个参数中，信号的幅值较适合作为判断结构健康状态及损伤程度的损伤因子。

[1]李宏男，赵晓燕.压电智能传感结构在土木工程中的研究和应用[J].地震工程与工程振动，2004，24(6):165-172.

[2]Park G C，HInman D J.Impedance-based health monitoring technique for civil structures[C]//Proceedings of 2ndInternational Workshop on Structural Health Monitoring，Stanford CA，USA，1999:523-532.

[3]Soh C H.Performance of smart piezoceramic patches in health monitoring of a RC bridge[J].Smart Matls.and Struct.，2000，9(4):533-542.

[4]Saafi M.Healthmonitoring of concrete structures strengthened with advanced composite materials using piezoelectric transducers[J].Composites Part B:Engrg.，2001，32(4):333-342.

[5]Pardo D V C，Guemes J A.Embedded self-sensing piezoelectric for damage detection[J].J of Intelligent Material Systems and Structures，1998，9(11):876-882.

[6]Sun F P，Chaudhry Z，Rogers C A，et al.Automated real-time structure health monitoring via signature pattern recognition[C]//Proc.Conf.onSmart Structures andMaterials，Proc.SPIE，1995:236-247.

[7]余海湖，赵愚，姜德生.智能材料与结构的研究及应用[J].武汉理工大学学报 ，2001，23(11):37-41.

[8]李宏男，孙鸿敏.小波分析在土木工程领域中的应用[J].世界地震工程，2003，19(2):16-22.

[9]Shi Yan，Wei Sun.Numerical simulation for concrete structure health monitoring based on smart piezoelectric transducer array[J].Advances in Science and Technology，2008，56(9):469-476.

[10]罗云光，李江域，韩方景.基于FFT实现短波扩频系统载波频差估计[J].电子信息对抗技术，2008，23(2):22-25.