裂缝对埋入混凝土中压电陶瓷电－声特性的影响*

徐志龙，陈 雨，李鹏程，谭 斌，汪 琴

(四川大学电子信息学院，成都610064)

由于现代建筑结构中广泛使用的混凝土具有复杂的组成结构，所以在其凝固过程中可能出现各种缺陷，威胁人民的生命财产安全。因此，必须对混凝土结构的健康状况进行检测[1－2]，常用的检测方法有无损检测和有损检测。无损检测相较于有损检测能保证混凝土结构的完整性，实际工程中往往采用无损检测方法，如将应变片或者光纤传感器埋入混凝土结构中[3]。但是这类方法会由于应变片本身方向性差;光纤传感器强度低、易于损坏等缺点[4]，造成检测结果的不准确，无法反映混凝土内部结构健康状况的真实情况。压电陶瓷具有强度较高、密度大、成本低廉、与混凝土亲和力较强等优点，已被用于超声检测领域。文献[5]提出，在混凝土模块中埋入压电陶瓷构成的压电埋入式混凝土机敏模块，能实现对混凝土结构健康状况的实时监测。这种方法利用垂直于混凝土结构表面的压电换能器接收内部压电陶瓷振动产生的超声波。由于该超声波经过混凝土传播至接收换能器，携带有其传播路径上混凝土内部缺陷的信息，因此，通过分析超声信号就可以检测出混凝土内部的健康状况[6]。但埋入混凝土模块中的压电陶瓷会受到混凝土内部的干缩应力作用、裂缝的阻碍，导致压电陶瓷电－声转换效率降低，产生的超声信号变弱，加上噪声的干扰，很容易使信号失真，对整个系统的检测质量造成影响。所以，提高混凝土模块中的压电陶瓷激励信号的强度能改善超声无损检测结果的准确性与可靠性。现在使用最为广泛的激励信号有正弦脉冲信号和窄脉冲信号两种，使用正弦脉冲信号可以激励出能量较大的超声信号，但正弦脉冲信号频谱成分单一;窄脉冲信号的频谱成分丰富但能量小。针对这个问题，本文设计了一种高压脉冲发生模块，该模块能够产生高压窄脉冲激励压电陶瓷，获得频谱成分丰富的的超声波频谱，进而分析裂缝对压电陶瓷电－声特性的影响。文章对该模块的高压电源的选择，模块中元器件参数的界定以及电路原理图作了较为详细的介绍。实验结果表明，在高压脉冲作为激励信号的条件下，接收信号的强度会随着裂缝与混泥土模块中的压电陶瓷圆片之间距离的增加而减小。同时，激励信号与接收信号之间的时延会随着裂缝与压电陶瓷圆片之间距离的增加而增加。

1 压电埋入式混凝土机敏模块

压电埋入式混凝土机敏模块是一种用于超声无损检测的试模，其结构示意图与实物图如图1(a)、1(b)所示。将PZT－5H型压电陶瓷圆片(半径12 mm，厚2 mm)[7]的两个电极层与同轴电缆一端焊接，在混凝土凝固之前将焊接好的压电陶瓷圆片埋入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土块中央，并将同轴电缆另一端引出。由于混凝土内部干缩应力等因素的影响，所以在压电陶瓷圆片外部包裹一层硅橡胶，以免损坏压电陶瓷圆片[8－9]。另外，此橡胶层还起到了声阻抗匹配及绝缘的作用[10]。

图1 压电埋入式混凝土模块示意图及实物图

2 高压脉冲发生模块的设计

检测信号的频谱成分和能量关系着无损检测的结果，因此，本文设计了高压脉冲发生模块产生频谱成分丰富、能量较高的检测信号，其实验原理图与设备连接图如图2、3所示。信号发生器提供的周期矩形信号驱动高压脉冲发生电路。此驱动信号经过高压脉冲发生模块升压以后，转化为高压窄脉冲。将此高压窄脉冲信号作为激励信号激励压电陶瓷圆片，由于逆压电效应，压电陶瓷圆片产生形变，从而发出超声信号。利用压电换能器采集此超声信号[11－12]，并将信号传入数字示波器，显示信号的波形并记录相关数据。最后将数据导入电脑，进行去噪、信号提取等操作，分析信号频谱特性，就能够得出混泥土结构健康状况，判断该混泥土模块中是否存在缺陷。

图2 高压脉冲发生模块实验原理图

图3 高压脉冲发生模块与实验设备连接图

通常会在混凝土与压电换能器的接触面均匀涂抹一层3号锂基脂作为声耦合剂，一方面起到声阻抗匹配的作用;另一方面可以减小混凝土与换能器之间的摩擦，使换能器能灵活的滑动探查。

本文所设计的高压脉冲发生模块包含高压电源和高压脉冲发生电路两部分。高压电源用来提高信号的能量;高压脉冲发生电路在高压电源的作用下，将原来的周期脉冲驱动信号变成高压窄脉冲，从而激励压电陶瓷圆片发出能量较强的超声信号。

高压脉冲发生电路是高压脉冲发生模块的关键部分，其原理图如图4所示。

图4 高压脉冲发生电路原理图

原理图中，Pulse_Signal为信号发生器产生的周期矩形驱动信号，周期为100 μm，占空比为10%，高电平为3.3 V，低电平为0 V。U1为MOSFET驱动器，它将矩形信号高电平抬升至12 V以驱动Q2。Q2为功率场效应管，在电路中用作电子开关，它具有导通电阻低、负载电流大的优点。图中 R1、R2、R3、R4用作限流电阻，防止在Q2导通时产生的电流过大，烧坏功率场效应管。R5、R6与C5共同构成RC微分电路。当微分电路的时间常数小于输入的矩形周期信号的脉冲宽度，该微分电路能够取出矩形周期信号的突变成分。即在矩形周期信号的上升沿将信号波形变成正向窄脉冲，在矩形周期信号的下降沿将信号波形变成负向窄脉冲。Q1为整流二极管，利用其单向导通特性，只允许负窄脉冲通过。驱动信号的波形变化过程如图5(a)、(b)、(c)所示。当驱动信号为低电平时，Q2截止，400 V的高压电源对C5充电;当驱动信号为高电平时，Q2导通，由于电容电压不能突变，从而在压电机敏模块中的压电陶瓷圆片上产生了－400 V的高压窄脉冲，激励压电陶瓷发射超声脉冲。R7、R8用作阻尼电阻，以加快脉冲的衰减，避免回波的影响。

图5 驱动信号的波形变化

高压脉冲发生电路中主要元件的技术参数的确定如下:

(1)MOSFET驱动器U1的技术参数的确定

由于功率场效应管Q2的阈值电压VGS(th)=5 V，只有当驱动电压大于5 V时才开始导通。而实验中信号发生器产生的矩形周期驱动信号电压最高仅3.3 V。因此，需要一个升压元件将矩形周期信号的电压抬升至Q2的阈值电压以上。模块中选用的MOSFET驱动器U1为ADP3631。当给U1供给12 V的外部电压时，它可以将输入的3.3 V矩形周期驱动信号电压提升至12 V，驱动Q2。

(2)功率场效应管Q2的技术参数的确定

由于高压脉冲发生电路中的功率场效应管Q2工作在频率较高的开关状态下，所以需要高耐压，工作频率高，开关性能好的元件。本电路中选用的功率场效应管Q2为FQD2N80。它的耐压值为800 V、峰值电流为1.8 A、开关时间仅95 ns。同时，它具有低导通电阻(RDS(on)=6.3 Ω)和低栅极电荷(12 nC)，因而产生较小的开关损耗，从而提高开关电源的效率，改善其性能。

(3)充电电容C5的技术参数的确定

为了使高压脉冲发生模块产生－400 V的高压窄脉冲激励压电陶瓷圆片，那么在矩形周期信号的每一次高电平期间，必须完成对电容C5的充电。而电容两端瞬时电压的大小与时间常数τ有关，

式中，τ越小，RC微分电路输出的脉冲宽度就越窄，反之就越宽。该数值由矩形周期信号的频率决定。研究表明，在充电时间为(4～5)τ时，可以认为电容充电完毕[13]。所以，本电路的工作特性应满足

式中，脉冲宽度 TW=10 μs。取 R5=R6=10 kΩ，则所以，电路中取C5=400 pF(400 V)。

(4)整流二极管Q1的技术参数的确定

因为整流二极管Q1在电路中起到整流的作用，隔离400 V的高压正脉冲，而仅允许负脉冲通过，所以本设计中需要一高耐压值的开关二极管作为整流管。本电路中选用的是IN4007，它具有正向导通电流高、漏电流低的特点，能承受的电压范围为50～1 000 V，满足电路要求。

(5)限流电阻 R1、R2、R3、R4的技术参数的确定

当激励脉冲的高电平通过功率场效应管Q2时，Q2开启。此时高压电源、限流电阻、Q2以及地形成通路。根据高压电源的技术指标，I=5 mA，U=400 V，由欧姆定律

式中，U为负载两端的电压，I为通过负载的电流，R为负载，即限流电阻的总阻值。本模块设计没有直接用 80 kΩ的电阻，而是采用的 4个 100 kΩ(2.5 W)的等值电阻串并联的方式，这是为了满足所选电阻额定功率的要求，防止电阻损坏。

3 实验结果分析

图6(a)、(b)分别为高压脉冲信号激励条件下的超声无损检测接收信号的归一化时域图和幅度谱。已有研究表明[14－15]，当以压电陶瓷圆片的谐振频率为激励频率时，接收到的信号能量值是周期正弦脉冲信号激励所能达到的最大值(本实验中为79 kHz，10 V正弦脉冲信号)。因此，把79 kHz周期正弦脉冲信号激励压电陶瓷圆片产生的超声信号设置为实验对照组。图6(c)、(d)分别为79 kHz周期正弦脉冲信号激励条件下的超声无损检测接收信号的归一化时域图和幅度谱。其中，用于频谱分析的数据长度均为5 120点，高压脉冲信号的采样频率为1 GHz，79 kHz周期脉冲信号的采样频率为50 MHz。

图6 两种信号激励后接收到的信号时域与频域波形

从图6(a)、(c)可以看出:由高压脉冲激励产生的超声信号幅值明显大于79 kHz周期正弦脉冲激励产生的超声信号幅值。从图6(b)、(d)可以看出:由高压脉冲激励压电陶瓷圆片产生的超声信号的频谱范围为0至50 MHz，包含明显起伏信息，并且在35.7 MHz(除去0频)时达到最大值。79 kHz周期正弦脉冲信号激励产生的超声信号仅在100 kHz内具有频谱成分，并且频谱成分仅体现在主频附近，在其谐振频率79 kHz时达到峰值。由此可见，利用高压脉冲作为激励信号可以得到频率成分更丰富的频谱，为分析裂缝对埋入混凝土中压电陶瓷电－声特性的影响提供更多的数据。

设置4个不同的实验模块:不存在裂缝的压电埋入式混凝土机敏模块(100 mm×100 mm×100 mm)、裂缝距离压电陶瓷圆片2.5 cm的压电埋入式混凝土机敏模块(100 mm×100 mm×100 mm)、裂缝距离压电陶瓷圆片5 cm的压电埋入式混凝土机敏模块(200 mm×100 mm×100 mm)、裂缝距离压电陶瓷圆片10 cm的压电埋入式混凝土机敏模块(200 mm×100 mm×100 mm)。实验中所设置的裂缝宽度均为5 cm。其示意图与实物图如图7(a)、(b)所示。

图7 各实验模块的示意图及实物图

高压脉冲作为激励信号，分别激励上述四个实验模块中的压电陶瓷圆片(压电陶瓷圆片即为振源)，利用双踪示波器捕捉激励信号与接收到的超声信号，以测得激励信号与接收信号之间的时延。并对接收信号进行频谱分析，以确定裂缝与压电陶瓷圆片之间距离的变化对接收信号幅值的影响。实验中，模块尺寸的不同仅是为了满足裂缝与压电陶瓷圆片之间的距离变化，数据均是从靠近裂缝一端测得(无裂缝模块两端均可以测量)，因此实验模块尺寸的不同不会对本实验的结果产生影响。

从图8中的(a)～(d)可以看出:对于相同的激励频率，各混凝土模块有裂缝一侧对应的接收信号的波形没有发生畸变，但是接收信号的幅度有明显的变化。其中无裂缝的混泥土模块接收的信号幅值要比有裂缝的混凝土模块的接收信号都大;对于有裂缝的混凝土模块，随着裂缝与振源距离从2.5 cm、5 cm、10 cm变化，其对应的接收信号的峰峰值依次减小，并且激励信号与接收信号之间的时延依次增加。从图(e)～(h)可以看出，高压脉冲激励产生的超声信号的频谱成分都分布在0～50 MHz之间，主频均在24.6 MHz处。随着裂缝与振源之间的距离的增加，其对应的归一化幅值依次减小。为确定时延以及信号幅值的具体变化情况，测量所得的时延值与峰峰值如表1所示。

图8 激励信号与接收信号的时延图及接收信号的幅度谱

表1 压电陶瓷圆片与裂缝之间距离不同的条件下接收信号峰峰值、时延、归一化幅值

由上表可以看出，裂缝与压电陶瓷圆片之间距离的不同，对无损检测接收信号幅值造成的衰减程度有所差别。由四个实验模块接收信号的峰峰值和幅度谱归一化峰值的变化可知，超声信号传播的能量随着传输距离的增加而加速衰减。距离从2.5 cm变到5 cm，接收信号时域峰峰值衰减2.2%，归一化幅度峰值衰减7.7%;距离从5 cm变到10 cm，接收信号时域峰峰值衰减46.6%，归一化幅度峰值衰减46.7%。后者时域峰峰值与归一化幅度峰值衰减程度分别为为前者的21.2倍和6.1倍。从理论上分析可知，当混凝土模块没有裂缝时，超声信号的传播过程受到传播路径上的混凝土的阻碍作用，而当混凝土模块存在裂缝时，超声信号的传播过程，除了受到传播路径上的混凝土的阻碍作用以外，还受到裂缝的阻碍，在裂缝处进行绕射，信号能量衰减更加剧烈。所以，所得结论与理论相符。此外，裂缝离压电陶瓷圆片之间的距离每增加一倍，其时延增加7 ns左右，增幅基本保持不变。

经过以上分析可知:①高压脉冲作为激励信号激励压电埋入式混凝土模块，能够得到成分丰富的频谱，为混凝土健康监测提供更多的信息。②在高压脉冲的激励下，接收信号的幅度值会随着裂缝与压电陶瓷圆片之间距离的增加而减小，并且裂缝距离压电陶瓷圆片越远，信号衰减越大。③从表1看出，激励信号与接收信号之间的时延，随着裂缝与压电陶瓷圆片之间距离的增加而增加，并且时延随裂缝与压电陶瓷圆片间的距离变化近似呈线性关系。

4 结论

本文设计了一种高压脉冲发生模块，将3.3 V的矩形脉冲电压提升至近400 V，同时将矩形脉冲信号转化为窄脉冲信号激励压电埋入式混凝土模块，得到的频谱成分丰富，便于检测混凝土的缺陷信息，适于在环境恶劣的条件下，为超声无损检测提供更多的分析依据，使检测结果更准确更可靠。通过对存在裂缝的压电埋入式混凝土模块的实验，得出裂缝与压电陶瓷圆片之间距离变化对接收信号幅值以及时延的影响，这将有助于混凝土健康监测时对混凝土中裂缝距离的理论分析与实际测定。

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