實驗名稱：基于(yu)壓(ya)電陶瓷的混(hun)凝土損傷識別與監測

　　實驗原理：本實驗(yan)利用(yong)基于壓(ya)電陶瓷的波(bo)(bo)傳(chuan)播分析(xi)法監測混凝(ning)(ning)土(tu)內(nei)(nei)部(bu)損傷的原理是(shi)，將(jiang)壓(ya)電智(zhi)能(neng)(neng)骨(gu)料(liao)埋放在(zai)(zai)混凝(ning)(ning)土(tu)內(nei)(nei)部(bu)的預(yu)定位置,通(tong)過(guo)(guo)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)(sheng)器(qi)產生(sheng)(sheng)特定電壓(ya)的激勵信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)，由于壓(ya)電材料(liao)的逆壓(ya)電效(xiao)(xiao)應(ying)，智(zhi)能(neng)(neng)骨(gu)料(liao)接收(shou)到(dao)激勵信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)后發(fa)生(sheng)(sheng)軸向變(bian)形(xing)帶動(dong)其周圍混凝(ning)(ning)土(tu)變(bian)形(xing)，從而(er)產生(sheng)(sheng)應(ying)力波(bo)(bo)。應(ying)力波(bo)(bo)將(jiang)會在(zai)(zai)混凝(ning)(ning)土(tu)待測構件內(nei)(nei)部(bu)傳(chuan)播，當(dang)應(ying)力波(bo)(bo)到(dao)達其他智(zhi)能(neng)(neng)骨(gu)料(liao)處時，智(zhi)能(neng)(neng)骨(gu)料(liao)同(tong)樣發(fa)生(sheng)(sheng)軸向變(bian)形(xing)，在(zai)(zai)正壓(ya)電效(xiao)(xiao)應(ying)作用(yong)下(xia)，產生(sheng)(sheng)電信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)被數(shu)據(ju)采集裝置接收(shou)。當(dang)混凝(ning)(ning)土(tu)內(nei)(nei)部(bu)出現損傷時，由于傳(chuan)播介質的變(bian)化會導(dao)致應(ying)力波(bo)(bo)的波(bo)(bo)形(xing)、傳(chuan)播路徑以及能(neng)(neng)量發(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化，具體(ti)體(ti)現在(zai)(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)接受到(dao)的信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的幅(fu)值、能(neng)(neng)量、波(bo)(bo)形(xing)等參數(shu)也(ye)會發(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化。通(tong)過(guo)(guo)分析(xi)混凝(ning)(ning)士在(zai)(zai)健康狀況下(xia)和損傷狀況下(xia)接收(shou)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)之間的差異來確定混凝(ning)(ning)土(tu)內(nei)(nei)部(bu)是(shi)否存(cun)在(zai)(zai)損傷并預(yu)估損傷范圍。

　　圖a：實驗儀器

　　在本章(zhang)實驗中(zhong)(zhong)，為(wei)了模擬實際工程之(zhi)中(zhong)(zhong)常見(jian)的混(hun)凝土(tu)(tu)內部缺陷(xian)，設計了尺(chi)寸為(wei)550x150x150mm3混(hun)凝土(tu)(tu)試塊(kuai)(kuai)。通過在混(hun)凝土(tu)(tu)試塊(kuai)(kuai)中(zhong)(zhong)埋(mai)放(fang)不(bu)同尺(chi)寸大小的塑料(liao)(liao)(liao)球，使得混(hun)凝土(tu)(tu)內部出現介(jie)質不(bu)均(jun)勻的區域，以(yi)此來模擬混(hun)凝土(tu)(tu)內部損傷。每個(ge)(ge)試件(jian)中(zhong)(zhong)埋(mai)放(fang)了一對智能(neng)骨(gu)料(liao)(liao)(liao)，一個(ge)(ge)作(zuo)為(wei)驅動(dong)器另一個(ge)(ge)作(zuo)為(wei)傳感(gan)器。用鐵絲將(jiang)智能(neng)骨(gu)料(liao)(liao)(liao)固定在模具內，防止(zhi)在振(zhen)動(dong)時智能(neng)骨(gu)料(liao)(liao)(liao)發(fa)生松動(dong)或者(zhe)移位，將(jiang)混(hun)凝上(shang)通過機械拌制(zhi)振(zhen)搗然(ran)后澆筑。最后在養護(hu)室內灑(sa)水(shui)養護(hu)28D。智能(neng)骨(gu)料(liao)(liao)(liao)之(zhi)間距(ju)離為(wei)400mm，智能(neng)骨(gu)料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)心(xin)距(ju)試塊(kuai)(kuai)底(di)面的距(ju)離為(wei)75mm。

　　圖b：骨料(liao)布置方式(shi)

　　測試設備：信號發生器、ATA-P2010功率放大器、智能骨料、數據采集卡、筆(bi)記(ji)本(ben)電腦。

　　實驗過程：預先(xian)將(jiang)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)驅動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)和傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)安放(fang)在(zai)混(hun)凝(ning)土試(shi)件(jian)內的(de)預定(ding)位(wei)置，利用信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)產生(sheng)(sheng)一個特(te)定(ding)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)，其頻率(lv)為(wei)(wei)(wei)100Hz-20KHz，幅值為(wei)(wei)(wei)3V。由于(yu)應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)在(zai)混(hun)凝(ning)土中(zhong)的(de)衰減極為(wei)(wei)(wei)迅速(su)，為(wei)(wei)(wei)了保證接(jie)收(shou)(shou)端傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)能(neng)夠完整地(di)接(jie)收(shou)(shou)傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)(bo)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)，通(tong)過信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)(qi)將(jiang)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)功率(lv)放(fang)大，經過信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)(qi)對信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)放(fang)大后(hou)，信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)到(dao)達作(zuo)為(wei)(wei)(wei)激勵端的(de)智能(neng)骨料驅動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)，在(zai)逆壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)作(zuo)用下(xia)，使(shi)得驅動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)帶動(dong)其周圍介(jie)質變(bian)形產生(sheng)(sheng)應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)，然后(hou)應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)在(zai)試(shi)件(jian)中(zhong)傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)(bo)，最終(zhong)應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)到(dao)達作(zuo)為(wei)(wei)(wei)接(jie)收(shou)(shou)端的(de)智能(neng)骨料傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)，引起傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)變(bian)形，在(zai)正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)作(zuo)用下(xia)產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)，再由信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)采(cai)集裝置對這(zhe)些(xie)電(dian)(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)進行接(jie)收(shou)(shou)存(cun)儲(chu)。在(zai)應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)的(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)(bo)過程中(zhong),如果試(shi)件(jian)內部(bu)存(cun)在(zai)損(sun)傷,即(ji)該處傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)(bo)介(jie)質發(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua),應(ying)力(li)波(bo)(bo)(bo)在(zai)此(ci)處會(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)反(fan)射、衍射及(ji)折射等現象，導致其傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)(bo)路徑及(ji)能(neng)量等發(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)，通(tong)過比較不(bu)同損(sun)傷狀態下(xia)收(shou)(shou)集到(dao)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)之間(jian)的(de)差異實(shi)現對混(hun)凝(ning)土健康狀況的(de)評估。

　　圖c：信號時(shi)(shi)域(yu)圖（圖c分別代表(a)健康狀況、(b)損(sun)傷(shang)范圍(wei)為(wei)(wei)30、(c)損(sun)傷(shang)范圍(wei)為(wei)(wei)60、(d)損(sun)傷(shang)范圍(wei)為(wei)(wei)90時(shi)(shi)傳(chuan)感器(qi)接收信號的時(shi)(shi)域(yu)圖）

　　圖d：不(bu)同損傷情況(kuang)下(xia)信號的最大幅值

　　實(shi)驗(yan)結果：由(you)上圖c圖d可(ke)知，以(yi)健康狀(zhuang)況(kuang)(kuang)下時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)為參考，不同工(gong)況(kuang)(kuang)下的(de)(de)(de)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)隨(sui)(sui)著(zhu)內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷范圍(wei)的(de)(de)(de)變化(hua)而變化(hua)。通過對(dui)比不同工(gong)況(kuang)(kuang)下試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)健康狀(zhuang)況(kuang)(kuang)下試(shi)(shi)件(jian)接(jie)(jie)收(shou)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)幅(fu)值(zhi)最(zui)大，當(dang)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)內(nei)(nei)部存(cun)在缺(que)(que)陷時(shi)，根據上文應力波在混凝土(tu)(tu)中的(de)(de)(de)傳播(bo)(bo)特性可(ke)知，應力波傳播(bo)(bo)過程中到達(da)缺(que)(que)陷位置時(shi)，由(you)于傳播(bo)(bo)介質的(de)(de)(de)變化(hua)會(hui)發(fa)生折射等現(xian)象(xiang)，內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷會(hui)加劇信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)衰(shuai)減。表現(xian)在接(jie)(jie)收(shou)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)上可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)存(cun)在內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)接(jie)(jie)收(shou)到的(de)(de)(de)時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)幅(fu)值(zhi)存(cun)在明(ming)顯的(de)(de)(de)降低(di)。根據時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)最(zui)大的(de)(de)(de)幅(fu)值(zhi)降低(di)規律可(ke)知，隨(sui)(sui)著(zhu)內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷范圍(wei)的(de)(de)(de)增加，信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)衰(shuai)減程度進(jin)一步加劇。將(jiang)各種工(gong)況(kuang)(kuang)下時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)最(zui)大的(de)(de)(de)幅(fu)值(zhi)進(jin)行排列:健康狀(zhuang)況(kuang)(kuang)>內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷范圍(wei)30>內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷范圍(wei)60>內(nei)(nei)部缺(que)(que)陷范圍(wei)90，實(shi)驗(yan)結果證明(ming)了利用時(shi)域(yu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)幅(fu)值(zhi)的(de)(de)(de)變化(hua)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)對(dui)混凝土(tu)(tu)內(nei)(nei)部損傷(shang)的(de)(de)(de)識別。

　　圖：ATA-P系列功率放大器指標參數

　　本文實驗素(su)材由西安(an)安(an)泰(tai)電子整理(li)發(fa)布(bu)，西安(an)安(an)泰(tai)電子科技有限公(gong)司(si)（Aigtek）是(shi)國內專業從事測量儀器研發(fa)、生產和銷(xiao)售的高科技企業。公(gong)司(si)致力于功率(lv)(lv)放大(da)器、功率(lv)(lv)信(xin)號源、功率(lv)(lv)放大(da)模塊(kuai)、計量校準(zhun)產品(pin)等(deng)產品(pin)為核心的相(xiang)關行業測試(shi)解決(jue)方(fang)案的研究，為用戶提供具(ju)有競爭力的測試(shi)方(fang)案，Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品(pin)線，且具(ju)有相(xiang)當規模的儀器設備供應商，樣機(ji)都(dou)支持(chi)(chi)免費試(shi)用。如想了解更多(duo)實驗方(fang)案，請(qing)持(chi)(chi)續關注安(an)泰(tai)電子官(guan)網hkdyw.cn或撥(bo)打029-88865020。