實(shí)驗(yàn)名稱：預(yù)制塊嵌入法波動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

研究方向：超聲檢測(cè)

測(cè)試目的：

壓電智能骨料是目前用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中常用的傳感器，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力及材料性能的超聲監(jiān)測(cè)。壓電智能骨料嵌入結(jié)構(gòu)時(shí)往往需要通過粘結(jié)或綁扎方式固定到鋼筋等支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)干擾監(jiān)測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)且傳感器位置穩(wěn)定性較差，由此影響監(jiān)測(cè)精度。本文提出一種新型的壓電智能骨料嵌入方法——預(yù)制塊嵌入法。通過數(shù)值及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)嵌入方法相比新型嵌入方法顯著降低了對(duì)嵌入?yún)^(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)影響，且傳感器位置更穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)隨機(jī)性更低。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2041電壓放大器、任意波形發(fā)生器、采集卡、電荷放大器、電腦。

實(shí)驗(yàn)過程：

準(zhǔn)備三根鋼筋混凝土柱作為試件，將每個(gè)鋼筋混凝土柱中的12個(gè)正應(yīng)力壓電智能骨料分為6條路徑，每條路徑由上下對(duì)正的兩個(gè)正應(yīng)力壓電智能骨料組成，靠近地面的為激勵(lì)端，另一個(gè)為收發(fā)端，同層的壓電智能骨料盡量布置在柱中且保證相互之間留有適當(dāng)?shù)拈g距。

圖：波動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

先通過任意波形發(fā)生器調(diào)制信號(hào)，傳到ATA-2041功率放大器內(nèi)增益信號(hào)的幅值，通過作為激勵(lì)端的正應(yīng)力壓電智能骨料振動(dòng)發(fā)射信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)由作為接收端的正應(yīng)力壓電智能骨料接收轉(zhuǎn)為電信號(hào)，電信號(hào)通過高頻的電荷放大器轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)由采集卡接收并最后傳到裝載LABVIEW2014軟件的筆記本電腦內(nèi)進(jìn)行記錄。本試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的程序通過商業(yè)軟件LABVIEW2014版編程，數(shù)據(jù)處理程序采用商業(yè)軟件MATLAB編寫，最后通過ORININ9版和CAD2014版進(jìn)行統(tǒng)一出圖。

圖：波動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

本文選用中心頻率從30kHz、50kHz、70kHz、90kHz、100kHz、110kHz、140kHz、170kHz和190kHz共9類調(diào)制的六周期正弦信號(hào)（每個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)記為T）。

圖：30kHz-250kHz首波信號(hào)波形示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：不同嵌入方法波動(dòng)參數(shù)對(duì)比：（a）波速、（b）中心頻率和（c）幅值

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使是采用預(yù)制塊嵌入法安裝壓電智能骨料用于波動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，六個(gè)路徑的波幅變異系數(shù)也達(dá)到了46%。當(dāng)使用FieldII（可供MATLAB調(diào)用的程序）做了一個(gè)波動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的模擬，設(shè)置了5條路徑，在不考慮嵌入干擾的前提下，僅僅改變5條路徑中粗細(xì)骨料的分布狀況，5條路徑的接收信號(hào)頻域波幅的變異系數(shù)約為45%，而本試驗(yàn)采用預(yù)制塊嵌入法安裝壓電智能骨料做波動(dòng)監(jiān)測(cè)，五條路徑的波幅變異系數(shù)達(dá)到了46%。這說明了頻域波幅的變異性主要是由混凝土骨料的隨機(jī)分布引起的。即使是以波幅為指標(biāo)，還是預(yù)制塊嵌入法安裝的正應(yīng)力壓電智能骨料響應(yīng)的隨機(jī)性最小，采用預(yù)制塊嵌入法(CBC)可顯著降低由于嵌入引起的波動(dòng)監(jiān)測(cè)的隨機(jī)性，其幅值變異系數(shù)分別是十字節(jié)點(diǎn)綁扎法(CJB)和對(duì)側(cè)粘貼法(DSB)的92.5%和94%。預(yù)制塊嵌入法波速的變異系數(shù)分別是兩種傳統(tǒng)嵌入方法的28%和25%，中心頻率變異系數(shù)分別是兩者的96%和62.5%.。綜合來采用預(yù)制塊嵌入法安裝正應(yīng)力壓電智能骨料用于波動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，正應(yīng)力壓電智能骨料受到的嵌入影響最小。

安泰ATA-2041電壓放大器：

圖：ATA-2041電壓放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯：湯梓紅